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。     

真三轴气固耦合煤体渗流试验系统的研制及应用

为了更真实地模拟煤岩在掘进巷道迎头等环境下的应力状态,研究三向应力环境下煤岩的损伤变形及瓦斯渗流情况,自主研发了真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统。该装置主要由真三轴压力室、液压伺服系统、气体渗流系统和监测与控制系统组成,采用的试件尺寸为200 mm×100 mm×100 mm,可施加的最大轴压(?1)为70 MPa、最大侧压（?2）为35 MPa、最大侧压（?3）为10 MPa、最大瓦斯压力为6 MPa。该装置具有以下特点：(1) ?1、?2采用刚性压头加载,?3采用柔性加载,三向应力分别独立加载;(2) 设计了刚柔性压头及传压滑杆,使得?1与?2方向压头在同时加载过程中互不干扰;(3) 通过伺服液压系统控制加载功能,使得装置性能稳定,应力与位移加载精确,易于控制;(4) 气体渗流系统采用蜂窝孔对试件进行面通气,确保试件进气端瓦斯压力均匀分布;(5) 采用多种高精度传感器进行监测,实时记录煤体所受应力值、变形量及瓦斯渗流量。用两种不同应力路径下的渗流试验对该系统准确性和可靠性进行了验证,结果表明,该装置性能稳定可靠。该装置可用于揭示煤与瓦斯在三向应力条件下的耦合作用机制,为防治瓦斯灾害及研究瓦斯抽采提供了可靠的试验基础。     

含瓦斯砂岩卸围压变形特征与渗透规律试验研究

为研究含瓦斯砂岩卸荷破坏过程中的变形及渗流规律,采用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,开展了不同围压和相同瓦斯压力条件下的卸围压渗流试验,建立了基于应变指标的瓦斯渗流模型。得出的主要结论有:(1)含瓦斯砂岩破坏表现出明显的脆性特征,峰值应力点后瞬间,应力、应变及流量均出现突跳;(2)应力-应变及渗透率变化呈现明显的阶段性特征:孔隙、微裂隙压密及弹性变形阶段(Ⅰ、Ⅱ阶段),砂岩渗透性为0;卸荷屈服阶段(Ⅲ阶段),产生新的损伤,渗透性小幅增加;卸荷破坏应力跌落阶段(Ⅳ阶段),应力突降,应变陡增,裂隙贯通后渗透性陡增,是渗透性主导阶段;破坏后阶段(Ⅴ),应力、应变及流量变化均趋于稳定;(3)含瓦斯砂岩破坏阶段,受气体压力和泊松效应影响,使径向应变和体积应变远大于轴向应变;(4)含层理砂岩卸荷破坏形式以产生沿层理面方向的张剪混合裂缝为主。基于Kozeny-Carman方程和裂隙流理论,建立了应变相关渗透率模型,揭示了含瓦斯砂岩损伤破坏渗流机制,对研究瓦斯突出、及在破断岩体中的运移规律及抽采孔优化设计等具有借鉴意义。     

高压水及负压加载状态下三轴应力渗流试验装置的研制

针对目前相关的三轴渗流试验装置缺乏高压水及负压加载功能而不能对高压水及负压加载状态下煤样瓦斯渗流规律进行研究这一问题,研制出了煤样试件出口负压可调并可对其进行高压水加载的新型三轴应力渗流试验装置。该装置主要由三轴应力加载系统、气体渗透系统、水力压裂控制系统、气体流量测试系统、传感与控制系统5部分组成,能够进行高压水及负压载荷下的各种单轴与三轴渗流试验。研究表明,该装置能够模拟抽采钻孔负压状态下煤体内的瓦斯运移规律及考察高压水对煤体的压裂效果,在实验室能完成对煤体试样负压状态下的渗流规律研究以及试件采取水力压裂措施后的增透效果考察。     

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     

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。     

不同温度条件下气体压力升降过程中瓦斯运移规律的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,对不同温度条件下型煤试件在气体压力升降过程的渗流特性进行了试验研究,以模拟随采深增加引起的地温升高条件下煤的渗透特性。同时,为探讨低渗储层的滑脱效应进行了相同条件下氦气的平行试验。研究结果表明：（1）升压阶段,轴向应变增大,径向应变减小,近似呈线性变化;降压阶段,随气体压力降低,应变呈现出与升压阶段相同的变化趋势。随温度升高,应变随气体压力变化的斜率增大。（2）升压阶段,随气体压力升高,渗透率呈二次抛物线型变化,约在气体压力为3.0 MPa左右到达最小;降压阶段,随气体压力减小,渗透率先略有减小后增大,升压阶段渗透率大于降压阶段渗透率。（3）升压阶段滑脱效应引起的渗透率变化量大于降压阶段的变化量,且滑脱效应所引起的渗透率变化量随气体压力增加呈幂指数函数降低。     

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。     

基于数字图像相关方法的裂隙砂岩应变场演化规律及前兆识别

目前数字图像相关方法在岩石力学领域的应用主要集中于获取变形场云图,缺乏结合一些指标对变形数据进行定量分析。采用数字图像相关方法对裂隙砂岩试件压缩加载过程进行非接触式、实时变形测量,结合方差量化描述应变场分异特征;而后对应变场方差变化曲线进行有限差分求导,量化描述应变场分异速率,分析应变场演化规律及前兆特征。研究结果表明:裂隙砂岩试件的变形破裂过程可划分为压密、弹性变形、裂纹稳定扩展、裂纹快速扩展及破坏等4个阶段。加载过程中裂隙砂岩试件的裂纹萌生和扩展行为,在应变场上表现为应变局部化带的产生与发展,进而导致应变场方差和分异速率发生变化。应变场方差-轴向应变曲线表现出阶段性特征,可划分为稳定分异、加速分异以及加加速分异等3个阶段。应变场分异速率-轴向应变曲线在张拉裂纹起裂时均出现第一个尖峰,可作为裂隙岩体失稳破坏前的前兆信号,对应的前兆应力与峰值应力之比为0.80～0.96。研究成果对工程岩体失稳预测具有较好的理论参考价值。     

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。     

循环加卸载作用下预制裂隙煤样渗透性试验研究

应用三轴加载煤岩渗流试验装置,对预制贯通裂隙煤样开展循环加卸载轴压渗透率试验,分析循环加卸载轴压作用下预制裂隙煤样渗透率的变化规律及其之间的差异。研究结果表明：预制裂隙煤样渗透率与轴压呈负指数函数关系,渗透率对应力敏感性随加卸载次数增加而降低。加载阶段渗透率差值与卸载阶段渗透率差值随加卸载次数增加而降低,渗透率差值与应力敏感性系数呈正相关性。加载阶段与卸载阶段渗透率存在明显差值,渗透率产生明显损失量,其随加卸载次数增加而降低。竖直裂隙煤样渗透率与应力敏感性系数明显高于水平裂隙煤样与完整煤样,水平裂隙煤样渗透性与完整煤样渗透性相差不大,但水平裂隙煤样应力敏感性系数高于完整煤样。竖直裂隙煤样渗透率差值与渗透率损失量明显高于水平裂隙煤样与完整煤样,水平裂隙煤样渗透率差值高于完整煤样,但两者渗透率损失量相差不大。循环加卸载轴压结束后,完整煤样渗透率损失率最大,水平裂隙煤样渗透率损失率居中,竖直裂隙煤样渗透率损失率最小;竖直裂隙煤样渗透率恢复率最大,水平裂隙煤样渗透率恢复率居中,完整煤样渗透率恢复率最小。     

花岗岩三轴循环加卸载条件下的气体渗透率

为研究花岗岩在三轴循环加卸载条件下气体渗透率的演化规律,利用岩石多场耦合三轴试验仪分别对花岗岩进行三轴恒下限分级循环加卸载试验和气体渗透试验。试验结果表明：加载曲线与上一次循环卸载曲线形成塑性滞回环,随着循环次数的增加,每个循环应力下限的轴向应变也随之增加;前期几个循环试样体积压缩明显,以轴向压缩变形为主,后期轴向应力达到一定数值时体积由压缩转为扩容,裂纹发展方向偏向于轴向方向,均呈剪切脆性破坏;气体渗透率变化分为稳定下降阶段、缓慢增加阶段、急剧上升阶段3个阶段,试样脆性破坏后气体渗透率均上升2～3个数量级;体积应变曲线拐点与横向应变曲线结合起来可以作为研究岩石渗透率变化规律的一个重要参考因素。     

峰后围压卸载对原煤变形和渗透特性的影响

运用自主研制的煤岩热-流-固耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行峰后轴压保持在不同应力水平下围压的卸载试验,以分析围压卸载对原煤变形特性和渗透特性的影响。研究结果表明：通过径向应变 、轴向应变 和体应变 的不可恢复变形量以及三者在力加载过程中的响应程度来定义损伤变量,满足损伤变量的变化区间[0, 1],并以此计算煤样在卸载过程中的损伤量,得到在峰后轴压 保持不变,对围压 进行卸载时,损伤量D随着 的减小而增大,煤样的损伤程度越来越大;当轴压卸荷到不同应力时,煤样的渗透率随围压卸载次数的增加而增大,表明当 减小时, 对渗透率的影响越来越重要,同时煤样内部的孔隙裂隙以发育、扩展、延伸为主。此外,渗透率k在 卸载初期,几乎不增加;当 继续卸载时, 开始增大,并且斜率越来越大,表明煤样的损伤加剧。当保持 不变,对 进行卸载时,相当于摩尔应力圆半径增大,煤样向破坏的趋势发展,发生二次破坏的可能性增大。随着 的卸载,卸围压前 越大,摩尔应力圆半径越大,煤样的承载能力就越弱,更易发生煤样的二次破坏,表现在煤样的轴向应变 和径向应变 发生突变。     

Experimental study on the effects of the moisture content of bituminous coal on its gas seepage characteristics

Moisture content is the main factor affecting the occurrence and flow of gas in bituminous coal and restricts the gas permeability of the coal seam, which affects the effectiveness of gas extraction from the coal seam directly. In order to study the influence of moisture content on the gas seepage characteristics of bituminous coal, this paper focused on bituminous coal from the Xutuan coal mine and used a bespoke laboratory unit called a Gas Flow and Displacement Testing Apparatus (GFDTA). The moisture content of bituminous coal was measured, and the axial and radial gas seepage experiments of bituminous coal under different moisture content conditions were carried out. The average original moisture content (1.3%) and the average saturated moisture content (2.4%) of the bituminous coal sample were obtained. It was observed that, with the increase of time, the original moisture content of the coal decreased with a negative exponential function and the wetting moisture content increased with an Exponential Association function. The gas axial seepage experimental results showed that when the moisture content was lower, the coal adsorbed CH₄; when the moisture content was higher than M_ad, the two fields of gas and liquid are coupled and affect the axial flow of the CH₄, decreasing the moisture content. With higher moisture content, the interaction between the two is more readily evident and the diffusion behavior of the CH₄ has a greater impact on the moisture content. Axial and radial gas seepage experiments, under the same gas pressure, axial pressure, and confining pressure, revealed that with the increase of moisture content, the axial and radial permeability of bituminous coal first increased and then decreased. This phenomenon is analyzed by the water lock effect, the effects of sorption on gas seepage and moisture content on gas adsorption effects. Among them, critical moisture content of approximately 1% exists when the axial and confining pressures are loaded or unloaded at the same time as well as the axial pressure loading or unloading alone. However, the critical moisture content is about 0.5% under confining pressure loading or unloading alone. In addition, in radial seepage experiments, it was observed that the volumetric strain of the coal decreased with the increase in the moisture content.     

破碎煤体渗透特性的试验研究

破碎煤体的渗透特性是影响煤矿瓦斯抽放和地下采空区突水灾害预防的重要因素之一。利用一种专用的破碎岩体压实渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了破碎煤体压实过程中的渗透特性测定,得到了破碎煤体轴向应力、渗透压差、水头梯度与渗流速度的关系,并分析了各种粒径破碎煤体在不同渗透速度下轴向应力对渗透系数的影响。研究表明,(1) 不同粒径破碎煤体的渗透特性与其压实状态密切相关,轴压从5～15 MPa变化时,渗透压差的最大值增加了3.28～166.47倍,渗透系数都相应降低了1个量级以上;(2) 在恒定的渗流速度下渗透压差随轴压变化的规律近似呈指数函数关系;(3) 渗透系数随轴压变化的规律近似呈对数函数关系;(4) 恒定的轴压下水头梯度随渗流速度变化的规律近似呈指数函数关系。     

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。