冷热交替循环作用后花岗岩渗流特性及微观结构演化规律研究

我国深层地热资源分布广、储量大,具有广阔的开发利用前景。为了探究间歇注水地热开采条件下深部高温储层的渗流特性及演化规律,采用室内试验与微细观分析相结合的方法,对不同温度交替循环作用后的花岗岩开展了渗流试验,分析了试件在不同围压下渗透率随温度及循环次数的变化规律;结合显微薄片特征和CT扫描重构结果,研究了微观孔裂隙结构随温度及循环次数的演化过程。研究结果表明:(1)不同温度交替循环作用对花岗岩的渗透率存在较大影响,两种冷却方式下花岗岩渗透率随温度的升高逐渐增大,当温度超过400℃时渗透率急剧增大,且遇水冷却条件下的渗透率增幅明显大于自然冷却,遇水冷却循环10次后的参数变化更加显著。(2)应力状态对渗透率具有明显的影响,围压作用下试件内部孔裂隙结构闭合,不同温度交替循环作用后花岗岩的渗透率随着围压的增大呈递减趋势,随着渗透压的增加呈现逐渐增大的趋势。(3)高温-冷却循环作用下花岗岩内部微观孔裂隙逐渐发育,温度梯度应力造成矿物颗粒间的非均匀变形,同时在脱水、相变等物理化学反应的联合作用下产生沿晶裂纹、穿晶裂纹及颗粒剥落等劣化损伤,且随着循环次数的增加,裂纹数目、尺寸及连通程度进一步增大。研究结果可为深层干热岩地热开发及储留层建造提供理论支持和技术参考。

温度对褐煤渗透特性影响的试验研究

采用太原理工大学采矿工艺研究所研制的煤(岩)MDS200三轴渗透试验机,在不同应力、不同温度条件下,对内蒙乌盟矿区褐煤进行热渗透试验研究。研究结果表明:随着煤层埋藏深度的增加,即体积应力的增加,褐煤渗透率总体上是呈下降趋势;在温度和体积应力不变的情况下,褐煤随着孔隙压力的增大,渗透率呈先下降,再增大的趋势,其临界点为2MPa左右;在体积应力和孔隙压力不变的情况下,随着温度的升高(100℃以内),褐煤的渗透率呈先下降,再急剧增大,再减小的趋势,渗透率的极低点温度为50℃左右,极高点温度80℃左右;当温度小于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈下降趋势,当温度高于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈上升趋势。

带压开采顶板破坏规律的三维相似模拟研究

运用大型三维固-流耦合模拟实验台,对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了三维模拟,分析了煤层顶板应力-位移的变化规律,解释了煤层顶板垮落的一系列现象,总结了顶板活动的影响因素,为采掘活动引起地表移动的研究提供理论参考。

煤体的渗透性与裂隙分维的关系

通过研究煤体的渗透性与裂隙的分形规律,揭示了煤体的裂隙发育程度与分形维数的关系,得出煤体渗透性与裂隙分维关系式及煤体渗透性随体积应力、水压、分形维数、强度的定量变化规律,对工程实际具有重要的指导意义。

承压水上采煤突水的区域监控理论与方法

在大量现场观测承压水上煤系地层赋存特征及多含水层空间赋存特征分析的基础上 ,提出了承压水上采煤突水监控的区域预测理论与技术 ,编制了可供现场方便使用的菜单界面突水监控软件 。

三维固流耦合相似模拟理论与方法

从固流耦合的理论出发,通过建立的三维固流耦合数学模型,运用相似理论推导了三维固流耦合作用下的相似模拟准则。并通过大量相似材料配制试件的力学与渗透特性的实验,主要是其强度、渗透性、隔水性等,得出了几种典型的隔水层与含水层的相似材料配比,为今后真实再现工程实际中的固流耦合问题的研究提供模拟的理论依据及材料配比,同时介绍了作者单位研制的大型三维固流耦合相似模拟实验设备及其测试系统。

承压水上采煤突水监测预报理论的物理与数值模拟研究

采用三维相似模拟与数值模拟方法,研究承压水上采煤底板各含水层水压分布随采动的变化规律,即在多数情况下,距煤层底板20 m以上的小含水层在无构造带存在情况下,开采对其影响不大,但在构造带存在的情况下,可能引起构造带活化,与底部高承压含水层沟通,发生突水事故,其安全的开采区视具体情况而定。同时采用2种方法验证基于多含水层水力联系的奥灰突水监测预报理论的正确性,说明在多数情况下奥灰突水总是通过渗透通道流入与之最近的含水层,其次向高处发展,即一般经本溪组含水层到达太原组含水层,最后产生突水。研究结果表明,突水监测预报系统可以在现场推广使用。

煤层注水降低综采工作面煤尘浓度的研究

在深入研究官地矿９＃ 煤渗透特性的基础上，提出动压预注水的煤层注水方案与参数，并在官地矿进行了工业性试验，取得了降低综采工作面煤尘浓度６０％ 以上的明显效果。它对我国煤矿有效实施煤层注水。

采场变形破坏的三维固流耦合模拟实验研究

介绍了大型三维固流耦合模拟试验台(3 m×2 m×2 m)、相应的辅助设备及其功能,并对太原市东山煤矿承压水上采煤进行了模拟研究,通过实验过程中采集到的大量数据、拍摄的照片、微型监测仪的录象,分析了开采过程中采场顶底板的变形及其破坏过程、应力及其水位的变化规律、断层对矿井突水的影响等。为进一步实施矿井突水实时监测预报提供必要的理论依据,为控制采场及采场内水、瓦斯的流动、扩散提供切实可行的理论依据与实施方法。

三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律实验研究

论述三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律的实验设备与方法。介绍了阳泉３＃煤层、永红煤矿３＃煤层的试验结论。得出了煤体瓦斯渗透系数随体积应力增加而衰减，随孔隙压呈抛物线型变化。定义抛物线的极值点为临界压力。

矿区突水监控理论及模型

针对承压水上采煤的突水问题 ,详细分析了大量的突水事例及前人的研究成果 ,提出了承压水上采煤突水监控的理论与模型 ,编制了可供现场方便使用的菜单界面突水监控软件 ,并以太原市东山煤矿一采区带压开采为例 。

煤柱及围岩应力分布的三维模拟研究

在带压开采三维固流耦合模拟研究的同时，分析了煤柱区应力及其变形，重点讨论了在开采过程中煤柱应力及其变形的动态过程，探讨了它对地下围岩、地表移动的影响及今后采取的主要措施。

我国带压开采研究现状及其展望

总结了 2 0世纪 60年代以来 ,我国承压水上采煤的研究成果 ,存在的问题及其今后的发展。为带压开采的深入研究提供详细的参考 ,为我国煤矿安全生产的研究提供一些可行的理论。

煤层动压注水的现场实验研究

主要以西山矿务忆官地矿３２３０３工作面高压注水为例，实测了高压注水时，注水压力，注水量与时间的变化规律及煤体的湿润情况与防水效果，论述了煤体高压注水及防尘机理。

回采巷道锚杆支护参数的数值模拟研究

运用数值分析的方法，按照正交设计，对某一确定回采巷道锚杆支护参数进行了数值模拟，得出锚杆长度超出松动圈０．２５ｍ、顶板与两帮为两角分布时对围岩移近量影响最小的结论。

低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究

概括地介绍了通过实验揭示的三维应力作用下 ,煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律 ,据此提出三维地层压力是导致煤层渗透性降低的主要因素 .基于实验、理论与数值分析 ,论述了水力压裂技术在改造低渗透煤层中的局限性 ,其机理是水力压裂技术仅能在煤层中产生极少量的裂缝 ,而且在压裂裂缝周围还会产生应力集中区 ,该区事实上成为煤层气开采的屏障区 ;本煤储层割缝 ,使煤层卸压的同时 ,还产生大量裂缝 ,是改造低渗透煤储层的最有利的技术方向 。

极近距离薄煤层群联合开采常规错距理论与物理模拟

伴随着中、厚煤层资源的枯竭,潞安集团下属十几个矿井都将进入下组煤开采。下组煤15–1#和15–3#煤层是以薄煤层群赋存在一起,平均间距为4.4 m,因此提出极近距离薄煤层群联合开采常规错距开采模型,并进行理论和物理模拟试验研究。从理论上给出近距离薄煤层群联合开采下的工作面常规错距计算公式,并进行理论求解。为避免15–1#煤层顶板的周期垮落与15–3#煤层工作面回采时的超前效应相互影响,从安全角度考虑,将错距定为1.3～1.5倍的周期垮落步距,结合试验结果将常规错距定为17.5 m。物理模拟试验结果表明,常规错距下联合开采技术上是可行的。另外分析了工作面上方附近几个测点总是被抬高的原因,并总结了在工作面推进过程中,顶板下沉主要经过两次大的变化,即上、下两煤层工作面回采过程中发生垮落时,尤其是下层煤顶板垮落造成影响较大。

低渗透煤层钻孔与水力割缝瓦斯排放的实验研究

介绍了特大煤样采用水力割缝提高瓦斯渗透率的实验研究 .实验表明 ,割缝能提高瓦斯的排放量 ;当埋深 4 0 0m时 ,割缝较钻孔的瓦斯排放量提高 2 5 % ;相同埋深的煤层 ,割缝后 ,初期瓦斯排放速度急增 ,为钻孔的 2 0～ 2 5倍 .

应用CT技术研究瘦煤在不同温度下孔隙变化特征

应用μCT225kvFCB型高精度(μm级)CT试验分析系统,对直径1mm的瘦煤从18℃到600℃高温下的热破裂过程进行了显微CT观测和分析.发现了瘦煤的热破裂规律:300℃煤样中大量小的孔隙贯通成大的孔隙团,因此瘦煤的热破裂阈值在300℃附近,从常温到300℃煤样的孔隙率增加了0.5倍左右.研究了煤样在100～600℃范围内热破裂孔隙分布的分形规律,研究发现:从100℃到600℃,煤样的分形维数D随温度升高呈现先减小、后增加的趋势.孔隙的演化规律:由初始较规则的小孔隙变形,过渡到大量较规则、小孔隙贯通成不规则的大的孔隙团,之后孔隙团缩合减小趋于规则.分布初值的对数随温度升高呈现先降低后增加的趋势;从18℃到600℃孔隙数量的演化规律为先减小后增加.

带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究

提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论,研制了部分典型材料的固–流耦合相似配比,研制了三维固–流耦合相似模拟试验台,完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大型三维固–流耦合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟,得出了一系列的规律及结论。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律;得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程,分析了其变化的频度与幅度及其原因,为带压开采突水防治提供理论依据。