加卸载应力作用下煤岩渗透率演化模型研究

为研究开采过程中煤岩力学行为及渗透率演化规律,运用含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,进行了不同加卸载条件下原煤力学及渗流试验,分析了加卸载应力作用对煤岩变形及渗流规律的影响,得到了剪胀角随塑性剪切应变的变化关系,发现了塑性剪切应变在1.6%左右会出现剪胀角急剧变化的现象。根据试验现象和结果,考虑煤岩结构对渗透率的影响,对煤岩在弹性阶段和屈服损伤后的结构进行简化,基于火柴棍模型及渗流理论分析,从应变的角度出发,探讨了加卸载应力对煤岩渗透率的影响,建立了两个不同阶段的渗透率模型（即弹性阶段和损伤阶段）,基于不同阶段的渗透率模型和剪胀角规律,构建了煤岩全过程渗透率模型。所构建的渗透率模型与试验结果对比吻合效果较好,验证了该模型的适用性,可以为实现煤与瓦斯共采提供一定的理论依据。     

考虑围压影响的岩石峰后应变软化力学模型

试验表明,随着围压增加,岩石峰后残余强度和割线模量增加,如何模拟围压对岩石峰后应变软化力学行为的影响是岩石峰后力学行为研究的关键。利用Z. Fang[1]提出的峰后强度下降指数描述围压对岩石峰后残余强度和割线模量的影响,与摩尔-库仑模型结合,建立了考虑围压影响的岩石峰后应变软化力学模型。在FLAC环境下,利用Fish函数方法开发了相应的数值计算程序。数值算例研究了Tennessee大理岩在不同围压下的应变软化过程,模拟结果与试验数据基本一致,表明建立的模型合理,可以应用于岩石峰后软化过程的模拟。     

不同围压下煤岩变形与剪胀扩容模型

在RMT-150B岩石力学试验系统上进行了煤岩的变形和剪胀特性研究,获得如下结论:随着围压增加煤岩均质性明显提高,峰值前变形特性基本趋于一致,屈服阶段逐渐增长;煤岩体变扩容初始点发生在应变硬化阶段,最大扩容率在应变软化阶段,且随着围压增加体变对围压的敏感性减小;为了准确表达煤岩在破坏过程中的非线性体积变化行为,建立了同时考虑塑性剪切应变和围压影响的煤岩剪胀角模型,该模型表明在较小塑性剪切应变下剪胀角即达到峰值,之后不断缓慢回落,围压越小对应的剪胀角峰值越大,小围压下峰值剪胀角对应的塑性剪切应变也较小。     

卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律试验研究

以固定轴向应变条件下的轴向应力和径向应变为研究参数,对含瓦斯煤卸围压条件下的力学性质演化规律进行了试验研究,并对各参数的演化规律进行了数学拟合。结果表明,固定轴向应变被逐渐卸除含瓦斯煤的围压后,含瓦斯煤的轴向应力呈分2个阶段逐渐减小的趋势,其减小率与围压、瓦斯压力之差呈正向关系;瓦斯压力越大,卸除单位围压后轴向应力降低越大,轴向应力对卸围压效应越敏感,轴向应力与围压卸除量关系可用二次函数形式表征;固定轴压而逐渐卸除围压时,含瓦斯煤的径向应变呈逐渐增大趋势,瓦斯压力越大卸除单位围压后产生的径向应变越大,径向应变的变化是卸除围压量和瓦斯压力之和的综合作用,径向应变与卸除后的围压关系可用修正对数函数表征     

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。     

沿抽采井筒的煤储层渗透率模型研究

渗透率是表征瓦斯流动的重要参数,为保证煤矿瓦斯安全高效抽采,有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而,瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化,甚至出现抽采损伤,使得煤层瓦斯运移行为异常复杂。为探究抽采过程的煤层瓦斯渗流特性,在圆柱坐标系下,考虑压力场与温度场变化对煤储层渗透率的影响,构建温度影响的孔隙压力时空演化函数,据此建立应力与温度作用下的煤储层渗透率模型。结果表明:建立的模型能合理描述沿抽采井筒孔隙压力的演化规律以及瓦斯的运移特性,即在恒定外应力的条件下,随抽采时间增加,不同位置处孔隙压力先降低后变化平缓,煤储层渗透率先降低后升高;此外,同一煤储层位置处,考虑温度比不考虑温度的渗透率计算值更低;通过讨论发现,随抽采时间增加,根据裂隙压缩与基质收缩对渗透率演化的不同效应,设置合理的负压抽采方式可提高瓦斯抽采量。      

受载煤岩力电耦合的损伤力学模型研究

电磁辐射技术在地震和矿山煤与瓦斯突出、冲击矿压预报已经进行了较为广泛的应用,受载煤岩体电磁辐射与变形破裂过程紧密相关.根据煤岩强度的统计理论和损伤力学理论,建立了受载煤岩力电耦合的损伤力学模型,用该模型对实验结果进行了数值模拟.结果表明,煤岩材料的破坏是内部代表性体元微损伤累积的结果,电磁辐射可以反映煤岩体的损伤程度,该模型能够较好地描述电磁辐射与应变之间以及应力-应变之间的关系,可以为电磁辐射方法现场评定煤岩体受力状态和预测预报煤岩动力灾害现象提供理论基础.     

沁水盆地煤岩高温高压实验变形特征

对沁水盆地不同地区选取的5组煤岩样品进行高温高压变形实验,结果证实,在相同的实验条件下,(1)采自不同地区的煤岩强度在较低温压条件下表现出一致性,在较高温压条件下显现出差异性;(2)高煤级煤No.3煤样在某一温压条件下（100℃、100MPa）,应力应变强度都是最低的,为煤岩组分影响的结果。在不同的实验条件下, 煤岩在高温高压条件下（温压大于200℃、200MPa）,随着温度与围压增高,应力应变强度在降低,但这主要是温度影响的结果。在温压为100℃、100MPa和500℃、500MPa时,煤岩应力应变强度均很低,但却存在着本质的差别:前者产生的应力应变强度只有部分真实地代表了煤岩的强度（应变量ε<3％）,而持续的应力应变强度（应变量ε>3％）则是围压作用的结果;后者煤岩低应力应变强度显示出明显的韧性状态, 主要表现在温度对煤岩产生的影响。     

采掘扰动与温度耦合影响下工作面前方煤体渗透率模型研究

为了探究采掘扰动和温度变化对工作面前方煤体渗透率的影响,将引起煤体裂隙变形的因素划分为有效应力、吸附解吸和热膨胀3部分。基于损伤力学、吸附理论和热应力理论推导出了采掘扰动与温度耦合作用下煤体裂隙应变表达式,进而构建了采掘扰动与温度耦合影响下工作面前方煤体渗透率模型。结合改变温度、同时改变扰动应力和温度的两种渗透率试验结果对所建立的模型适用性进行了拟合分析,并对模型中的参数敏感性进行了讨论。结果表明:所构建的煤体渗透率模型可以较好地描述采掘扰动与温度耦合影响下煤体渗透率的演化过程;在同一温度下,煤体渗透率随着内膨胀应变系数的增大而增大,随着热内膨胀应变系数的增大而减小。研究结果可为煤炭开采及瓦斯抽采的工作提供指导。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

砂岩峰后卸除围压过程的渗透性试验研究

为了探讨煤层开采引起的围岩卸除围压过程中砂岩渗透性的变化规律,本文用数控瞬态渗透法在电液伺服岩石力学试验系统MTS815.02上进行了砂岩试样的渗透特性试验。得出了试样峰前渗透系数-应变与应力-应变的关系曲线,以及在峰后保持轴向应变一定卸除围压过程中试样的渗透系数-围压与主应力差-围压的关系曲线;对试验砂岩在变形破坏过程中渗透性变化规律进行了总结,重点分析了其峰后卸除围压过程中渗透性的变化规律;并对试验砂岩峰后渗透系数与有效围压关系进行了拟合,得出了拟合方程式,为煤层开采引起的围岩体应力场与渗流场耦合问题提供参考。     

基于量化GSI系统的破碎岩体应变软化行为研究

松软破碎岩体的复杂力学特性给深部开采工程带来一系列棘手的问题,深入研究破碎岩体峰后力学行为,对于深部巷道围岩稳定性分析及支护结构设计具有重要意义。基于量化GSI围岩评级系统及连续介质理论,建立了考虑围压影响的破碎岩体峰后应变软化力学模型。通过工程应用实例验证了数值模型的可靠性。研究结果表明：通过计算围岩与支护结构相互作用关系可知,理想弹塑性模型和应变软化模型所得计算结果差异较大,采用理想弹塑性模型进行支护设计,可能导致支护结构的安全性偏低,甚至失稳。现场应用结果表明：数值计算结果与现场实际情况吻合;提出的深部破碎岩体应变软化模型能够较为真实地反映破碎岩体的非线性破坏行为,可为硐室围岩稳定性分析及支护结构设计等提供新的思路。     

基于塑性变形的煤体损伤本构关系及渗透率模型研究

开采扰动诱发的煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中的主要瓦斯动力灾害之一。为系统探索开采扰动下煤体损伤演化特征和瓦斯渗流规律,拟开展不同瓦斯压力下全应力应变–渗流实验。通过考虑气体吸附和热膨胀效应修正广义胡克定律,建立基于塑性变形的煤体损伤本构关系,进一步构建考虑损伤的分段渗透率模型。结果表明:以渗透率突变点为界,可将煤体渗透率分为峰前和峰后2个变化阶段。其中,峰前呈指数型降低,而峰后急剧增加,峰值抗压强度和弹性模量均随着瓦斯压力升高而降低;煤体轴向塑性应变和损伤演化规律具有良好的一致性,二者均呈现出峰前变化不大,峰后激增的变化趋势;利用不同瓦斯压力和50℃实验数据对所建的损伤模型及渗透率模型进行验证,得到理论曲线和实验数据具有较好的吻合度,表明新建模型可较好地反映不同条件下煤体破坏失稳过程中的损伤演化规律和瓦斯渗流特征。      

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。     

沁水盆地煤样静水压力下渗透率实验及模型分析

为研究沁水盆地煤样渗透率演化规律,构建了煤样渗透率测定的瞬态压力脉冲法实验装置,使用N2和CO2在实验室开展了3种试验条件的渗透率测定,应用Connell模型对实验结果进行分析,并讨论了模型预测值和实验值之间差别的原因。结果表明,（1）在恒定孔压变围压条件下渗透率随有效应力增大而减小;在等有效应力条件下,渗透率随孔压增大而减少;在恒定围压变孔压条件下,随孔压增大,渗透率呈先减小后变大的趋势。（2）运用Connell模型预测的恒定围压变孔压条件的渗透率值大于实验值,原因可能是由于裂隙压缩性系数和吸附应变系数存在估计误差。通过开展实验室渗透率实验和模型分析,对指导实验室内二氧化碳封存和气体驱替实验及其模拟研究具有借鉴意义。     

Mechanical properties and permeability evolution in gas-bearing coal–rock combination body under triaxial conditions

With the development of deep mining in recent years, coal and gas compound dynamic disasters become increasingly serious. In this study, uniaxial and triaxial compression tests were conducted on gas-bearing coals, coal–sandstone combined bodies and coal–mudstone combined bodies and the permeabilities in the triaxial tests were measured simultaneously. The mechanical behavior and seepage characteristics of coals and coal–rock combination bodies under triaxial conditions were compared in details. The results show that the peak strength among three samples is: coal–sandstone combined body > coal–mudstone combined body > coal. If other conditions were held constant, the strength and the elastic modulus of all specimens show that tendency increases with the increment of the confining pressure or with the decrease in the gas pressure. The strength characteristics of all three specimens met the Mohr–Coulomb criterion, and the residual strength has an increasing trend with the increase in confining pressure. The permeability evolutions of gas-bearing coals and coal–rock combination bodies which are determined by the crack propagation in the coals and rocks are not exactly the same. This preliminary study is intended to deepen our understandings of the mechanisms of coal–gas compound dynamic disasters and provide theoretical bases for their predictions.     

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。     

脉动孔隙水压下三轴加压对煤岩损伤变形的影响

为研究脉动孔隙水压作用下低透性松软煤岩在不同三轴加压条件下的损伤变形规律,采用RLW-2000M煤岩流变仪进行了不同轴压和围压系列下的试验研究。结果表明：煤岩破坏的应变曲线具有先疏后密再疏的变化规律,且累积应变和残余应变随着围压的增加而减小,而随着轴压的增加而增大;平均单次耗散能随着围压的增加而减小,随着轴压的增加而增加,其关系符合指数函数变化特征;采用累积耗散能计算了煤岩破坏过程中的损伤变化特征,并采用Logistic方程逆函数对其进行了拟合分析,得到了煤岩损伤演化模型,为预测煤岩破坏周期提供了依据。研究结果为具有不同地应力条件下的低透气性松软煤层施工脉动水力压裂提供了一定的理论依据。     

Fluid permeability of sedimentary rocks in a complete stress–strain process

The permeability of sedimentary rocks during triaxial compression tests was investigated to relate it to the complete strain–stress process. It was found that the permeability was not constant, but varied with the stress and strain states in the rocks. Prior to the peak strength, the permeability decreases with increasing load. A dramatic increase in permeability occurs during the strain softening period. In the present study, in situ measurements of fluid flow and pressure in floor strata was carried out in a double longwall mining face in the Yangzhuang colliery. These measurements show that both the strata pressure and the position with respect to the mining face influence the hydrogeologic properties. The permeability increased in the floor strata behind the mining face because those mining induced fractures opened as the strata pressure decreased. To better understand this change in hydraulic behavior around the mining faces, 3-D numerical modeling was carried out. The model provides the general picture of the stress distribution and failure zone both in the floor and roof strata. The field and model results demonstrate the importance of changes in the stress and strain states on the hydrogeology of a site.