冲击气压对岩石动态破裂形态的影响规律研究

为探索高压空气冲击煤岩动态破坏特征与破裂形态的影响规律，开展真三轴条件下的岩石高压空气冲击致裂实验，设置6种冲击气压，结合致裂过程的气压曲线变化和致裂形态特征，得到高压空气冲击动态破坏特征与破裂形态的影响规律。实验结果表明：随着冲击气压的增大，其达到峰值压力后的压降速度增加；在致裂形态中，当冲击气压为16MPa时，其裂缝扩展导向性更强。研究结果可为动态冲击致裂增透煤岩体参数优化提供参考，以此达到更好的致裂效果，提高瓦斯抽采效率。     

考虑分形效应的煤岩损伤模型及渗透率模型

为探索煤岩失稳破坏过程中损伤演化和渗透率演化规律,用分形维数表征损伤演化,研究煤岩损伤破坏过程中渗透特性。基于孔裂隙的体积分形维数与应力关系,推导出分形维数表征的Weibull分布参数,利用煤岩孔裂隙的分形维数和孔隙率的关系,求解煤岩裂隙随有效应力的变化量γ;根据Mohr-Coulomb准则和Poiseuille定律,分别构建考虑分形效应的煤岩损伤本构模型和煤岩渗透率模型,分析损伤和渗透率的联动关系。结果表明:峰值应力前,孔裂隙体积分形维数与轴向应力和应变均成线性关系;随着有效应力的增大,煤岩孔隙率增大,煤岩渗透率先平缓增大后急剧增大;同一应力点下的渗透率随ln(1/r)的增大而增大;所建立的煤岩损伤本构模型和渗透率模型,与试验结果均有较高的吻合度。     

煤岩变形破裂的电磁辐射规律及其应用研究

对受载煤体变形破裂电磁辐射规律进行了研究及分析 ,并对煤岩电磁辐射技术应用于预测预报煤与瓦斯突出进行了试验研究。研究结果表明 ,电磁辐射与煤岩体的载荷、加载速率及变形破裂过程呈正相关。煤岩电磁辐射技术在预测预报煤与瓦斯突出等方面有着非常广阔的应用前景。     

热力耦合作用下深部煤层渗流规律试验研究

为了进一步揭示深部煤岩渗透率的变化规律,进行了高有效应力和高温条件下煤体渗透规律测定试验.结果表明:随着有效应力的增大,煤层渗透率呈现递减趋势;温度升高,煤体出现膨胀现象,渗透率减小.初步提出了热力耦合作用下含瓦斯煤渗透率影响机理,即温度升高,煤固体骨架膨胀,试件内部孔隙裂隙体积减小,瓦斯渗流通道减小,渗透率减小;有效应力增大,煤体孔隙裂隙被压缩,导致渗透率逐渐减小.     

含瓦斯构造煤卸围压作用渗透性变化特征试验研究

针对含瓦斯煤轴压恒定卸围压渗透性演化规律,以新登煤业二1煤原煤样为研究 对象,利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴应力蠕变渗流试验装置,开展不同围压下轴向应 力恒定卸围压渗流测试试验。基于实验结果表明:构造煤在应力加载阶段渗透率降低, 且轴压围压同时加载,渗透率变化与轴向应变符合线性变化,轴压加载阶段,渗透率与 轴向应变符合负指数函数变化规律;围压卸载阶段,渗透率在卸围压过程中一直减小, 随着轴向应变的增加,渗透率出现反弹,但未出现突变现象,渗透率增加阶段与时间变 化符合退化的负指数函数关系;构造煤渗透率卸围压失稳后,渗透率没有出现突变原因 认为煤样中没有形成较大的有效渗流通道,且在一定的有效应力作用下瓦斯渗流的有效 通道出现自愈合现象。     

煤岩电信号影响因素分析

为研究煤岩电信号产生机理,以利用电信号预测煤岩动力灾害,选用煤、花岗岩、砂岩等不同性质煤岩体,利用建立的试验系统分析了煤岩温度、煤岩性质、煤岩摩擦、煤岩加载速度及煤岩载荷等因素对煤岩电信号的影响。结果表明:随温度升高过程中,煤岩电信号的变化规律可分为3个阶段;性质不同的煤岩体单轴压缩下产生的电信号幅值有明显差别;煤岩摩擦过程中能产生电信号;随加载速度增大,煤岩即将破裂时产生的电信号有增强趋势;电信号大小与载荷大小不成比例关系,但在即将破裂时产生的电信号最大。     

含瓦斯煤岩突出过程数值模拟

含瓦斯煤岩突出是煤炭开采过程中一种复杂的工程诱发灾害。根据煤岩体变形与瓦斯渗流的基本理论 ,考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性 ,建立了含瓦斯煤岩突出过程固气耦合作用的RFPA2D Flow模型。利用该模型对石门掘进诱发的含瓦斯煤岩突出进行了初步的数值模拟 ,模拟结果再现了煤岩介质在瓦斯压力、地应力和煤岩力学性质等因素综合作用下由裂纹萌生、扩展、相互作用、贯通直至失稳抛出的突出全过程 ,揭示了采动影响下煤岩介质渐进破坏诱致突变的非线性本质 ,包括含瓦斯煤岩破裂过程中应力场的演化 ,为含瓦斯煤岩突出机理研究提供一套全新的数值试验分析工具。     

基于力电耦合冲击矿压电磁辐射预测法的研究

笔者首先提出了煤岩变形破裂过程电磁辐射与应力耦合的概念 ,然后在实验研究、理论分析和数值模拟的基础上从力电耦合的角度研究了煤岩冲击矿压预测的电磁辐射法 (EME)。研究结果表明 :FLAC3D方法能对矿山巷道掘进过程煤岩内部应力场进行有效的数值模拟 ;电磁辐射信号主要来源于应力集中区 ,在场点监测到的电磁辐射信号主要是应力集中区煤岩变形破裂过程产生的 ;EME信号呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律 ;利用力电耦合方法研究煤岩冲击矿压电磁辐射预测法是可行的。笔者最后还对未来煤岩冲击矿压电磁辐射预测法的研究进行了展望。     

受载复合煤岩变形破裂电荷感应变化规律

为有效提取煤岩动力灾害电荷感应前兆特征以提高其预测准确率,在0.1、0.3和1 mm/min等3种加载速率下对复合煤岩进行单轴加载破裂试验,采用自主研制的新型电荷传感器检测电荷感应信号,研究复合煤岩变形破裂过程中电荷感应信号变化规律及机制。试验结果表明:复合煤岩失稳破裂前有明显的阵发性、不连续的电荷感应脉冲前兆信号;电荷感应信号随着加载应力水平的增加逐渐增强,在临近峰值应力前达到最强;当0.1 mm/min加载速率时,复合煤岩产生的电荷感应信号最强;复合煤岩煤样部分的电荷感应信号变化较顶底板岩体明显;复合煤岩破裂产生的电荷感应信号与其内部破裂、摩擦、热效应等因素有关。     

真三轴加卸载煤样声发射长程相关性特征

为模拟井下应力条件,设计固定轴压卸围压试验,得到煤样破裂过程的声发射结果,并计算不同初始围压及不同卸载速率条件下声发射时间序列的长程相关性特征,以期对煤岩体的破裂做出预警。研究结果表明:不同初始围压及不同卸载速率下声发射实验结果类似,根据声发射累计计数可将声发射变化过程分为线性增长期、平静期以及指数增长期,可以很好地反应煤样的破裂过程;随初始围压和卸载速率的增大,声发射时间序列的Hurst指数随之增大,正相关性增强;Hurst指数与分形维数的动态变化与煤样的失稳破裂过程良好对应,且不同初始围压及卸载速率下,Hurst指数与分形维数的动态变化规律类似,说明其声发射时间序列的宏观产生机制具有内在统一性,可将接近破裂荷载时Hurst指数的增大与分形维数的减小作为煤样失稳破裂的前兆信息。     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂数值模拟研究

针对高瓦斯低透气性煤层,采用RFPA2D-Flow软件,对水力压裂进行了数值模拟研究,再现了水力压裂过程中压裂孔周围裂纹的生成和扩展、渗透性和应力的变化。模拟结果表明：压裂过程中,裂纹规模和剪应力随着注水压力的不断增加而增大,并且剪应力的增加随着钻孔周围裂纹的扩展不断远离压裂孔,压裂孔周围的渗透性有了很大程度的提高,最大主应力和最小主应力随着注水压力的增加而减小。水力压裂的模拟结果对煤矿高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采工作具有很重要的指导意义。     

原煤力学及渗流特性的层理效应研究

为研究层理对原煤力学及渗流特性的影响,通过实验对比分析平行层理煤样和垂直层理煤样在相同瓦斯压力、不同围压下的三轴压裂力学及渗流特性,同时采集压裂过程的声发射数据并进行分析。结果表明:随着围压增大,平行层理煤样的峰值轴向应力平均增幅为34.5%,远小于垂直层理煤样的平均增幅161.21%;围压为1,3,5 MPa时,垂直层理煤样的压裂时间分别是平行层理煤样的0.68,0.19,2.72倍,层理方向对力学特性的影响随着围压增加呈先减小后增大的趋势;围压相同时,平行层理煤样的声发射幅值随时间增加而增大,垂直层理煤样的声发射幅值随时间增加表现出正弦波变化趋势,且平行层理煤样在压裂过程中的声发射高幅值事件比垂直层理煤样的多;平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样的渗透率,且围压越大,初始渗透率越低,说明平行层理方向的孔隙度大于垂直层理方向的孔隙度。     

冷冲击条件下饱水煤样结构损伤规律研究*

为探究煤体在冷冲击影响下强度损伤特征及细观结构演化规律,通过自制低温冲击系统,利用声发射、金相显微镜宏观与细观手段结合的方法,基于ImageJ图像分析软件分别对干燥煤样、饱水煤样冷冲击前后细观结构演化进行量化表征,并通过测试渗透率验证煤体结构变化带来的增透效果,研究结果表明:在煤体中超声波波速随冷冲击温度降低而下降;相同时间内,冷冲击温度越低,声发射振铃计数表现越活跃,煤体释放能量愈大,致裂效果越显著;经冷冲击后的饱水煤样相对于干燥煤样会产生更多的斜向新生裂隙,新萌生裂隙与原生裂隙交汇贯通形成絮状网格,其渗透效果显著提升;随冲击温度的降低,抗压强度、弹性模量均增大。研究结果可为低温改善煤层透气性,增产煤层气及矿井瓦斯灾害防治技术提供理论依据。     

井下穿层长钻孔水力压裂强化增透技术

为了提高井下低透气性煤层瓦斯抽采效果,提出井下穿层长钻孔水力压裂强化增透技术。根据水力压裂施工工艺和关键技术,将水力压裂过程分为准备阶段、高压注水阶段和保压阶段,重点阐述了封孔、试压、注水压裂、数据监测、保压、排水等关键技术。同时分析了长钻孔水力压裂增透机理,并进行了水力压裂强化增透试验。根据压裂过程中压裂参数变化规律,从煤储层参数和钻孔瓦斯抽采参数方面综合考察了试验效果。结果表明:压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,最大影响半径达到了58 m,抽采流量和抽采体积分数分别是普通压裂钻孔的24.4倍和10.27倍,最大压裂影响半径提高了2.32倍。     

松软煤层多孔爆破的裂纹分布及区域电阻率响应实验研究*

为获得松软煤层多孔爆破的裂纹分布及区域电阻率响应特征,利用岩体和煤体的三层物理模型,开展松软煤层多孔模型爆破实验,借助图像处理与电阻率层析成像技术,分析松软煤层多孔爆破的裂纹分布特征,得出爆破前后电阻率的响应规律。结果表明:在爆生裂隙形成的同时,控制孔内侧煤体呈现出断裂式和非断裂式2种位移现象,部分抵消了爆破孔扩腔带来的挤压作用;提出采用爆生裂隙、控制孔及爆破孔面积变化三者的综合值（S）分析爆破效果,单孔爆破时,S＜0,煤层裂隙分形维数变化率仅5%,控制区域呈现压实现象,电阻率降低约20%;多孔爆破时,爆生裂隙丰富、煤体发生充分位移,裂隙分形维数变化率达到21.28%,爆破孔空腔的负效应被抵消（S＞0）,控制区域内电阻率普遍增大1~30倍;与单孔爆破模型相比,多孔爆破更符合煤矿现场,且能有效实现控制区域内的增透,电阻率普遍呈现增大现象。     

组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系研究

为探究组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系,选用新邱矿区煤样和砂岩制备组合煤岩试样,采用物理实验和数值实验相结合的方法,开展不同岩煤高度比的组合煤岩试样受载破坏声发射与电荷感应监测试验,得到了组合煤岩力学性质、声-电荷信号规律及其相互关系。结果表明:组合煤岩试样中的岩石高度提高会提升其整体强度,其破坏脆性特征显著,冲击倾向性增强,弹性阶段的声发射信号提前,声发射能量累积量增加,峰后声发射能量变化率及电荷变化率增大;组合煤岩峰后产生连续声发射信号和电荷信号,强冲击和中等冲击组合煤岩破坏时声发射能量变化率分别为0.336和0.047 J/s,电荷变化率分别为204.88和24.52 pC/s。声发射信号与电荷信号可以在一定程度上反应组合煤岩应力状态并预测失稳破坏,为通过信号监测煤体冲击地压灾害发生提供依据。     

峰值前后多次加载下煤样声发射特征

掌握峰值前后多次加载下煤样声发射变化规律,对研究煤矿开采中不同变形部位煤岩裂缝演化至关重要。利用RMT-150B型岩石力学实验系统以及CDAE-1全数字化声发射检测及分析系统,采取焦作矿区煤样进行了峰值前后多次加载下的应力-应变-声发射测试实验。测试结果显示:首次加载时声发射参数呈现“渐变性”的变化特征,随后加载时声发射变化呈现“分段性”特征。并且随着加载次数的增加煤岩的Felicity效应逐渐增强,体现了煤岩记忆的超前性。同时,随着加载次数的增加,煤样时间-声发射曲线较时间-应力曲线的滞后性逐渐增强。这些特征的研究可以为煤矿井下地质灾害的监测、预测提供指导。     

钻孔间距对水力压裂促抽煤层瓦斯的影响

针对定量确定合理钻孔间距困难问题,基于损伤力学和多场耦合理论,建立了水力压裂和瓦斯抽采的煤层流固耦合模型,包括和水运移场、应力场以及孔隙度、渗透率演化方程,并采用Comsol联合Matlab求解,研究了不同钻孔间距时压裂和抽采过程中煤层弹模、损伤值、渗透率、瓦斯压力、抽采量和压裂贯通时间的变化规律。结果表明:耦合模型可较准确地模拟煤层水力压裂和瓦斯抽采过程;压裂贯通时间与钻孔间距呈指数增长关系;在马堡煤矿,当钻孔间距为4~8 m时,压裂损伤区在抽采孔贯通,渗透率呈“n”型曲线,瓦斯抽采后,瓦斯压力迅速下降,抽采有效区随间距的增加而增大;当钻孔间距为9~12 m时,压裂损伤区未贯通,煤层渗透率呈“m”型曲线,抽采有效区随间距的增加而减小,与间距4~8 m相比,瓦斯抽采量较小。     

含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究

针对在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层开采时，一方面煤层瓦斯抽采困难，另一方面煤层中的坚硬夹矸难破碎的问题，开展含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破研究。理论上，分析多向聚能装药对爆破的影响，引入多向聚能影响系数，计算得出了不同方向上裂隙的范围。通过相似模拟试验，验证了多向聚能爆破实际效果；利用LS-DYNA数值模拟软件，对不同装药方式爆破作用下煤与夹矸裂隙的发育特征及应力演化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:多向聚能爆破能够将爆破能量积聚在夹矸弱化和煤层增透的方向上，形成以导向裂隙为主，大量分支裂隙为辅的裂隙网，在夹矸弱化和煤层增透方向上的应力峰值分别为普通爆破的1.21倍和1.16倍。多向聚能爆破能够在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度，从而大幅优化爆破效果。     

辛置煤矿水力压裂卸压增透影响半径数值模拟研究

随着开采深度的增加,辛置煤矿瓦斯涌出量显著增大。为了提高瓦斯抽采效率,拟采用水力压裂卸压增透技术。理论分析了水力压裂对煤层的卸压增透作用,基于此利用RFPA模拟软件对辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂卸压增透进行了数值模拟。研究表明,水力压裂主要在以下3个方面对煤体起到增透作用:使煤体卸压、提高煤层透气性;湿润煤体,增加塑性;改善瓦斯抽放环境。辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂所需压力约为15MPa,压裂半径为5-6m,以此可以初步确定现场施工过程中水力压裂钻孔间距以不大于10m为宜。