高地应力条件煤与瓦斯突出冲击力演化规律研究

随着开采深度和强度增加,煤与瓦斯突出动力灾害频发,冲击力致灾机制成为目前研究的主要方向。为进一步揭示高地应力条件煤与瓦斯突出冲击力演化规律及破坏机制,采用自主研发的煤与瓦斯突出全过程模拟巷道系统,引入冲击力和声发射监测技术,以45%CO_(2)和55%N2混合气体压力模拟煤层瓦斯压力,以轴压模拟上覆岩层应力作用,围压模拟围岩应力作用,以平煤十一矿突出煤层为研究对象,考虑埋深为600、800、1000、1200、1400和1600 m的地应力条件,进行了煤与瓦斯突出模拟试验,分析了煤-瓦斯两相流运移过程、煤粉分布及冲击力演化特征,得到了瓦斯压力、临界瓦斯压力、试验有效应力、声发射信号与冲击力之间的影响关系规律,从煤与瓦斯突出能量转化角度分析了瓦斯内能向冲击动能,即瓦斯压力向冲击力转化特征。研究结果表明:①突出孕育阶段受力情况及破坏程度影响突出发生后冲击力在巷道内传播特性,随模拟埋深增加,冲击力演化特征愈发复杂,具有明显脉冲特征,且随脉冲特征出现冲击力升高。②脉冲特征划分为高频阶段和低频阶段,高频阶段煤-瓦斯两相流速度快、强度高、突出危险性强;低频阶段危险性随突出发展进程逐渐减弱。③突出两相流动能主要由瓦斯内能提供,部分瓦斯压力转化成冲击力,冲击力强弱主要由瓦斯压力决定,在高地应力作用下,深部煤体相对浅部更易发生煤与瓦斯突出。④突出开始时,声发射振铃计数峰值点早于冲击力峰值点,声发射信号更早监测到突出危险性,但冲击力更能具象反映煤体破裂情况,声发射振铃计数出现陡增时,伴随脉冲特征出现,但脉冲特征出现不一定对应声发射振铃计数陡增。

深部煤岩界面超低摩擦时变模型及能量转化研究

深部煤岩超低摩擦型冲击地压实质是巨量煤岩体沿煤岩界面发生失稳滑动的时变过程,期间煤岩界面摩擦力和摩擦系数随时间变化,同时伴随煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能释放能量转化特征.为定量描述煤岩界面能量转化规律,引入量纲分析法,实验测定了煤岩弹性系数、阻尼系数和待定系数,给出了深部煤岩界面摩擦系数表达式.以沈阳红阳三矿为研究对象,通过实验研究和工程实际相结合,定义了冲击动能转化率新指标,验证了所建模型可靠性,定量描述了煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能转化规律.研究结果表明:深部煤岩界面摩擦系数随冲击载荷幅值增大而线性降低,随冲击载荷频率增大而线性增加.深部煤岩界面摩擦力的降幅和降低速率变化急剧,当冲击载荷幅值为5000 N、冲击载荷频率为500 Hz时,深部煤岩界面摩擦力降幅为97%、降低速率为38.9 kN/ms~41.38 kN/ms时发生超低摩擦效应.首次从摩擦力降低幅值和降低速率定量表征超低摩擦效应.结合实验和工程实际分析发现,能耗比实验结果均值为0.441,红阳三矿“11.11”冲击地压计算结果为0.488,两者较为接近,进一步证明所建模型合理性.

油页岩原位注热开采储层有效热解区变化规律分析

针对油页岩原位注热开采过程中储层有效热解区变化规律不清,实际热解效果无法准确判断难题,采用数值模拟方法,以抚顺油页岩储层为研究对象,建立了油页岩原位注热开采热流固耦合力学模型,与前人结果对比,验证了模型可靠性.重点考察水力压裂裂缝通道短路问题,分析得到了油页岩原位注热开采过程中储层有效热解区、储层有效热解区中地应力、注汽压力及沉降量随注热时间变化规律.结果表明,过热蒸汽沿水力压裂裂缝流动不会出现裂缝通道短路现象,过热蒸汽可通过水力压裂裂缝加速油页岩储层热解;采用过热蒸汽对流加热油页岩储层效率高,只需1年能使96%的油页岩储层达到热解所需温度;油页岩储层有效热解区中部形成应力集中区,最大地应力为21.6MPa;热解后靠近注热井处岩层发生沉降,热解2年后最大沉降量达0.85m.所得结论对现场油页岩原位注热开采有参考意义.

平均有效应力对煤系页岩瓦斯微观吸附-解吸特性影响试验研究

页岩气井初期和后期产气规律差异本质上是三维应力变化下微观游离态、吸附态瓦斯赋存运移产出机制不同。为从微观角度揭示平均有效应力对煤系页岩气井生产初期游离态瓦斯和后期吸附态瓦斯产出规律影响,以双鸭山盆地东保卫煤矿36煤层底板煤系页岩为研究对象,采用核磁共振T谱技术对模拟原位应力状态煤系页岩试样进行瓦斯微观吸附-解吸试验。以平均有效应力作为煤系页岩所受原位应力状态指标,以核磁共振T谱幅值积分作为煤系页岩微观吸附态、游离态瓦斯含量定量表征指标,定量研究了吸附-解吸过程中煤系页岩微观吸附态和游离态瓦斯含量与平均有效应力的关系,及微观吸附态和游离态瓦斯迟滞系数与平均有效应力的关系,通过多因素线性回归明确了平均有效应力对煤系页岩微观吸附态和游离态瓦斯赋存产出规律影响。试验发现:吸附-解吸过程煤系页岩微观吸附态瓦斯含量与平均有效应力关系分别符合Dubinin-Radushkevich(简称D-R)函数模型和Weibull函数模型,吸附-解吸过程微观游离态瓦斯含量与平均有效应力均符合线性函数模型;微观吸附态瓦斯迟滞系数随着平均有效应力降低以对数函数规律快速减小;平均有效应力降低对微观游离态瓦斯迟滞系数影响不大,游离态瓦斯迟滞系数近似为定值41.53%;孔隙压力和轴压分别是微观吸附态瓦斯吸附和解吸主控应力因素,游离态瓦斯赋存和产出主要与围压有关。

三向应力下花岗岩水力剪切和渗流试验研究

为揭示三向应力作用下干热岩水力剪切对岩体渗透特性影响机制,采用自制耐高温真三轴水力剪切试验装置和渗透率测试系统,以松辽盆地大庆地区花岗岩为研究对象,将预制裂隙花岗岩进行高温处理,通过改变三向应力、注水压力、注水流量和时长模拟不同热储地质特性,利用裂隙面粗糙度系数表征裂隙水力剪切前后变化特征,进行不同三向应力下注水参数对花岗岩水力剪切后裂隙渗透率影响试验。研究结果表明:(1)花岗岩质量损失率和孔隙率随温度增加而增加,抗拉–压强度随温度增加而降低;(2)不同孔隙压和温度作用下裂隙渗透率均随体积应力增大而减小,150℃~350℃时裂隙渗透率由10^(-17) m^(2)量级增长到10^(-16) m^(2)量级;(3)水力剪切最大注水压力与体积应力间服从二次多项式规律分布,体积应力18.5 MPa时最大注水压力为4.78 MPa;(4)水力剪切后花岗岩裂隙渗透率随注水流量增加而增加,随注水时长先增加后稳定或降低;(5)不同体积应力、注水流量和时长水力剪切后裂隙面粗糙度系数均降低,表明花岗岩裂隙面在水力剪切后更光滑渗流能力提高。

含软弱夹层煤岩界面超低摩擦效应试验研究

为揭示动载扰动作用下煤岩界面软弱夹层特性对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自制煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿煤层和砂岩顶底板为研究对象,将煤粒、砂岩粒和煤砂粒铺置于煤岩界面,通过改变软弱夹层介质、厚度、粒径模拟不同软弱夹层特性,以煤块为工作块体,利用其水平位移表征超低摩擦效应强度,进行煤岩界面不同软弱夹层特性对煤岩块体超低摩擦效应影响试验。研究结果表明:(1)垂直扰动幅值与超低摩擦效应强度呈线性增加关系。垂直扰动频率与超低摩擦效应强度间关系存在显著影响区。煤岩界面无软弱夹层时,垂直扰动频率为1~4 Hz时存在显著影响区;煤岩界面含软弱夹层时,垂直扰动频率为1~6 Hz时存在显著影响区。显著影响区范围内煤岩界面更易发生超低摩擦效应。(2)垂直冲击扰动频率和幅值一定时,含软弱夹层煤岩界面发生超低摩擦效应强度分别为干摩擦和胶结煤岩界面的2.25和8.84倍。煤岩界面含煤粒、砂粒和煤砂粒软弱夹层时,随扰动幅值增加超低摩擦效应强度平均增幅分别为33.5%,57.1%,42.4%。(3)煤岩界面含软弱夹层、夹层厚度(5 mm)越大、夹层粒径(20~35目)越小时,煤岩界面更易发生超低摩擦效应。(4)结合红阳三矿超低摩擦型冲击地压事故实例分析,表明含软弱夹层煤岩界面更易发生煤体失稳,从而诱发超低摩擦型冲击地压。