煤样全应力应变过程中的渗透系数—应变方程

借助现代化的电液伺服岩石力学试验系统,以数控瞬态渗透法进行了全应力应变过程的软煤样渗透特性试验。实验中首次设置了环向应变传感器,得出煤样渗透性与主应力差、轴应变、体积应变关系曲线,并拟合出相应方程。从中可知,煤样全应力应变过程对应的渗透系数是体积应变的双值函数,体积缩小时为2次多项式,体积膨胀时为5次多项式。该方程用在应力场—渗流场耦合的数值分析中,可使计算结果更符合工程实际。      

煤岩全应力应变过程渗透性特征试验研究

在MTS815岩石伺服试验机上进行了煤岩全应力-应变过程中的渗透性试验,揭示了煤岩在变形破坏过程中的渗透率变化规律。试验结果表明,应变-渗透率曲线与应力-应变曲线变化趋势基本一致,但表现出相对“滞后”的特点,表明渗透率的变化与其损伤演化过程密切相关,同时煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的时间过程。同其他沉积岩石相比,煤岩微结构及微组分复杂多样,不同煤岩类型其渗透率相差很大。同时,由于煤岩微孔隙裂隙相对较发育,其渗透率受有效围压的影响更明显。     

突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究

以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象,设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统,对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明,在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变形和瓦斯流量变化规律基本一致,即两种型煤在应力-应变全过程中瓦斯流量与煤样损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量随着煤样的体积压缩而变小,且在煤样体积被压缩至最小时瓦斯流量降为最低值,煤样开始扩容后瓦斯流量转为增大;瓦斯流量随围压的增大而减小,且围压越大,瓦斯流量随应变变化的幅度越小。煤性对煤层瓦斯渗透性有明显影响,其渗透性可作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标     

煤层底板岩石全应力—应变渗透性试验

为探讨岩石应力应变与渗透率的关系,利用美国MTS公司815.02型电液伺服岩石力学试验系统,采用瞬态渗透法,研究了岩石在加卸载全应力—应变过程中的渗透规律。结果表明,岩石渗透系数既与应力状况和应变历史有关,也与岩石自身的结构和性质有关。      

煤岩强度离散性及三轴压缩试验研究

简述了煤的强度离散性原因。采用超声脉冲穿透法测量煤样波速并进行岩石力学试验,回归分析得出了煤岩试件声速与其力学参数之间的关系式,为尽可能避免因煤样离散性而带来的盲目试验提供了一条技术途径。采用MTS815岩石伺服试验系统进行了煤样三轴压缩试验。结果表明,与花岗岩等高强度岩石不同,由于煤的孔隙裂隙发育在围压作用下孔隙裂隙被压密闭合,煤的弹性模量随围压增大而增大,但并非线性关系;煤的轴向破坏应力及残余强度均随围压增大而增大。研究结论对于在破碎煤体中掘进的巷道的锚固机理研究有重要指导意义。     

含瓦斯煤样横向变形与瓦斯流动特性耦合关系试验研究

以二次成型煤样为研究对象,运用自行研制开发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对含瓦斯煤样三轴加载过程中横向变形和与瓦斯流动特性的耦合关系进行了试验研究。结果表明：弹性力学定义的泊松比不能准确表征含瓦斯煤样的横纵应变特性,其关系可用二次函数表征;在预加载荷引起的横压向应变恢复阶段瓦斯流动速度变化呈先急剧降低再缓慢增加特性;在横向应变逐渐向扩张应化转变阶段,煤样内部的瓦斯流动速度呈单调缓慢增加趋势,且存在一个内部结构临界状态点使煤样内瓦斯流动速度最小;含瓦斯煤样处于横向压应变状态起始时的瓦斯流动速度要大于处于横向应变呈扩张状态末端时的瓦斯流动速度。     

热-力作用原煤变形特征与力学性质演化试验研究

开展原煤在热-力作用下煤热膨胀与吸附瓦斯解吸研究对于深入理解深部煤岩失稳破坏机制有重要意义。通过对四川白皎矿和徐州张双楼矿的原煤施加不同温度-应力条件,获取煤的热变形、解吸气体运移以及煤的力学性质的热响应。试验结果表明:白皎煤在低于35℃条件下表现为膨胀变形;在高于35℃恒温环境下,煤体变形表现为先膨胀后收缩趋势。张双楼煤在低于60℃条件下表现为先膨胀后会出现收缩;在高于60℃恒温环境下,煤样趋向整体膨胀。其结果说明,煤岩在热环境中的变形行为取决于煤基质的热膨胀与解吸收缩之间的竞争结果。煤吸热升温后孔隙中解吸气体数量增多,煤样在受载压缩变形过程中显现出复杂解吸气体排放特征,包括煤中原生孔隙裂隙压缩闭合排出气体,煤体内不均匀变形导致气体流动,煤体开裂导致气体回流。力学测试结果表明,煤样的单轴抗压强度以及弹性模量随着环境温度上升均表现出下降趋势。其结果为深入理解深部煤层在热-力耦合下渗透率与强度变化机制提供试验依据。     

淮北许疃矿构造煤孔隙结构及压敏效应

为了探究构造煤的孔隙结构及压敏效应,采取淮北许疃矿煤样,利用扫描电子显微镜、压汞实验、含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置进行相关参数测试,研究构造煤的孔隙结构以及有效应力对煤样渗透率渗透系数的影响。实验结果表明:碎裂结构煤裂隙规则、平直,连通性较好;原生结构煤中主要以微孔为主,构造煤中以微孔和过渡孔占主导。韧性变形系列构造煤的有效应力与渗透率呈抛物线关系;有效应力小于4 MPa时,煤体渗透率敏感性显著,大于4 MPa时其渗透率敏感性弱。该趋势是有效应力和解吸效应共同作用的结果;由于解吸和有效围压的共同作用,渗透率存在最小值。与沁水盆地相比,许疃矿煤样部分渗透率损害系数较高。      

突出危险煤渗透性变化的影响因素探讨

通过对突出危险煤渗透性试验研究,系统分析了不同围压、不同瓦斯压力和不同应力-应变状态条件下突出煤样的渗透特性,分别建立了突出危险煤的渗透性与围压、瓦斯压力和应力-应变等主要控制因素之间的定性和定量关系,探讨了不同载荷条件下突出危险煤渗透性的控制机制和变化规律。研究结果表明,载荷条件对突出危险煤的渗透性具有重要影响：(1) 在固定瓦斯压力条件下,突出危险煤样的渗透率随围压的增大而减小,且服从指数函数变化规律。(2) 在固定围压条件下,受Klinkenberg效应影响,渗透率与瓦斯压力之间大致呈“V”字型变化;Klikenberg效应发生在瓦斯压力p < 1 MPa的范围内。(3) 在三轴压缩下的应力-应变全过程中,不同载荷条件下突出危险煤样的渗透率-应变曲线变化趋势几乎一致,且都呈“V”字型走势;在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小;进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值强度到达之前完成反超过程;峰值强度之后渗透率持续增大直至试验结束;煤样渗透率反超后的变化要较反超前变化平缓。     

砂岩强度MTS试验及阶段特征的混沌动力学研究

采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统对三种强度的砂岩进行全应力-应变试验研究,得出试验曲线呈明显的分段特征,曲线的离散性发生于应变软化阶段。通过对试验数据序列的混沌动力学分析得出：随着单向抗压强度的增加,砂岩全应力-应变过程的系统状态由强混沌态逐渐演化到低混沌态,进而质变为较有序的定常态;砂岩峰后应力-应变阶段曲线的线性性质增强,裂隙系统状态由强混沌态向强有序的定常态演化;砂岩峰前阶段的裂隙系统基本呈现弱混沌状态。该试验方法可靠,对砂岩强度阶段特征的混沌分析具有一定的理论意义。     

大埋深粘土三轴高压卸载变形与强度特征

以取自山东巨野矿区埋深近 4 30～ 6 0 0m的深部粘土样为例 ,分析测试了土的常规物理力学性质参数。考虑该埋深土的天然应力水平及其在煤矿建井开挖中的卸载应力变化 ,在三轴伺服仪上 ,进行三向等压分别达 11MPa、12MPa、14MPa下的卸除围压、保持轴压的三轴高压卸载试验 ,分析了深部粘土三轴高压卸载变形和强度特点 ,得到了相关力学参数。成果丰富了土的高压卸载力学性研究 ,并为巨野矿区煤矿立井建设提供了工程地质基础参数     

不同黏结剂配比条件下型煤力学及渗透特性试验研究

利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为使得型煤力学及渗透特性更接近原煤,选取水泥作为黏结剂,进行了不同黏结剂配比条件下的型煤和原煤三轴压缩试验对比研究。基于欧式距离的相似性度量方法对能反映型煤的力学及渗透特性的特征值指标进行定量评价。结果表明：随黏结剂含量的增加,型煤的峰值主应力差、弹性模量近乎呈正指数函数递增趋势,泊松比呈负指数函数递减趋势;随着黏结剂含量的增加,型煤的初始渗透率、最小渗透率基本呈负指数函数递减趋势,且其渗透率变化率随黏结剂含量的增加越来越小,表现为渗透率-轴向应变曲线越来越平缓;基于欧式距离的相似性度量方法得出水泥黏结剂配比为IV型的型煤在力学及渗透特性方面与原煤最为接近,可以作为模拟原煤的相似材料。     

基于不同方向模量损失率的含瓦斯煤各向异性渗透模型

煤是自然界中一种常见的沉积岩,它具有显著的各向异性特征。然而目前针对煤体渗透特性研究,多数学者为了简化问题,多假设煤体为各向同性材料,提出了相应的各向同性渗透模型。这类模型并不能完全反映含瓦斯煤气-固耦合真实工程和室内试验的实际情况。假设煤体为横观各向同性,推导出以不同方向模量损失率为关键参数的煤体各向异性渗透模型,在此基础上,推导出含瓦斯煤的气-固耦合控制方程,并植入Comsol计算平台,系统研究煤体各向异性对气体扩散和渗透的影响。理论和数值研究结果表明：不同方向的模量损失率 反映出煤体结构各向异性变化程度,若 不同,其煤体各方向渗透特性也不相同;煤体渗透率的改变主要受解吸附效应和有效应力作用双重影响, 反映了这两种效应对于渗透率的影响程度;单轴应变或位移控制边界条件下,水平方向的模量损失率 对于垂直方向的煤体渗透率改变量 的影响程度大于对水平方向的煤体渗透率改变量 的影响程度,垂直方向模量损失率 对 的影响则弱于对于 的影响。     

试论构造控制煤层气藏储集环境

基于构造控煤的概念,对控气构造基本类型进行划分,分析了封闭型和开放型两种主要构造背景的不同控气性。此外,还对煤储层渗透性,储层压力大小的构造控制特点进行了初步剖析。     

煤相分析在煤储层评价中的应用

煤储层研究的重要内容是孔裂隙系统发育特征、渗透性及其空间不均一性特征。煤储层的孔裂隙特征决定煤储层的渗透性,而煤储层的孔裂隙特征主要取决于煤岩成分和煤级。对一个特定的煤层气田而言,煤级变化不大或者规律明显。煤岩成分往往成为控制煤储层渗透率分布不均性的主导因素。煤岩成分,包括有机显微组分和矿物质均受控于煤相。可以通过系统的煤相分析认识煤储层中煤岩成分、结构、层序等的空间展布特征,为科学预测煤储层的渗透率莫定基础。煤相分析在注重横向变化的同时,更强调垂向层序分析。     

Mechanical properties and permeability evolution of gas-bearing coal under phased variable speed loading and unloading

It is of great significance for the analysis and prediction of coal-gas outburst disasters to understand the mechanical properties and permeability evolution of coal and rock under conditions of stope stress evolution. In this study, mechanical tests were conducted on gas-bearing coal under four stress paths, including conventional triaxial compression (CTC), phased variable speed triaxial compression (PVSTC), unloading confining pressure (UCP), and phased variable speed unloading confining pressure (PVSUCP), simultaneously measuring the permeability in mechanical tests. The mechanical properties and permeability evolutions in gas-bearing coal under four different stress paths were compared. The obtained results show that the deviatoric stress-strain curves of gas-bearing coal under four stress paths could be divided into five stages: compaction, linear elasticity, plastic deformation, stress drop, and residual stress stage. The permeability-strain curves under four stress paths could also be divided into five stages: fast drop, slow decrease, slow increase, sharp increase, and slowed growth. Compared to the CTC conditions, the peak strain and strength of coal under PVSTC conditions increased. Furthermore, the stress drop and energy release under PVSTC were more intense at the moment of instability failure. Compared to both loading paths, the coal was damaged more rapidly under unloading paths and the damage was stronger. Additionally, among both unloading paths, the time required for the failure of coal under PVSUCP was shorter than that under UCP, while the damage under PVSUCP was stronger. The strength characteristics of the gas-bearing coal under PVSTC and PVSUCP still met the Mohr–Coulomb criterion. This preliminary study has guiding significance for the understanding of the co-occurrence mechanisms of coal-gas outburst disasters.     

用钻孔煤心鉴别煤层煤体结构及其应用

通过对煤心样品的观察研究得出,煤心具有不同的形状,此形状受煤体结构制约,区分不同煤心形状,能确定煤层中不同的煤体结构。利用该煤体结构能估算出煤储层渗透率的大小,这对煤层气选区评价,煤层射孔压裂层段的选择,煤与瓦斯突出带的确定,提供了可靠的科学依据。      

影响煤层渗透率测试的若干因素

通过对中国8个矿区10口煤层气评价井的试井工作,讨论了影响煤层渗透率测试的若干因素,认为钻井作业对煤层的伤害、煤体结构及较高的有效地应力是主要影响因素;而煤的变质程度虽然对煤的割理发育起控制作用,但不是煤层渗透率测试的主要影响因素。      

准格尔煤田储层孔隙—割理系统非均质性及其与煤岩组成之间的关系

从野外和矿井观察统计、光学显微镜观测以及压汞、低温液氮吸附、渗透率实验室测试三个研究层次入手，对影响煤层渗透率各向异性的岩石学因素进行了分析。结果表明：在煤级相似的条件下，煤的“基质渗透性”似乎主要取决于煤层的物质组成；若煤层物质组成相似，则同一地区不同煤层或不同地区同一煤层之间渗透性的差异可能主要起因于受割理发育程度所控制的“割理渗透性”；煤层中不同煤岩类型条带的空间分布特征是决定煤层渗透性各向异性的一个重要因素。     

开采扰动下考虑损伤破裂的深部煤体渗透率模型研究

为了研究深部煤体在开采扰动影响下的渗透率演化规律,以三向应力条件下的煤体渗透率模型为基础,从吸附解吸作用引起裂隙变形和损伤破裂造成煤基质弹性模量劣化的角度进行理论推导,引入内膨胀应变系数的概念,同时基于Drucker-Prager破坏准则的损伤本构关系建立了两种考虑煤体损伤破裂的渗透率演化模型——指数型和立方型,并且对常规三轴加载、开采扰动加卸载和改变气体压力下的瓦斯渗透试验结果进行了拟合分析。结果表明：所构建的两种模型可以较好地反映常规三轴加载和开采扰动加卸载下煤体渗透率的分区段变化特征,也可以描述有效围压恒定条件下煤体渗透率随气体压力升高而降低的规律。在开采扰动加卸载和改变气体压力的试验中,指数型的拟合效果略优于立方型。研究结果可为深部煤炭开采及瓦斯抽采的工作提供指导。