有效应力对孔周破裂煤体渗透率演化规律的影响

有效应力是影响煤体渗流特性的主要原因。为研究瓦斯预抽过程中钻孔周围破裂煤体的渗透特性演化,基于Ergun方程,利用多孔介质有效应力理论,开展4种不同级配混合粒径破碎煤体的渗流试验,研究了在三轴应力作用下不同孔隙结构煤体孔隙结构特征,得到了有效应力对孔隙结构煤体渗流的作用机制。研究结果表明:①在三轴应力下破碎煤体内部渗流状态贴近于非Darcy渗流,当围压一定时,轴向压力越大,其非线性拟合的现象更加显著。②粒径级配和孔隙率等骨架状态参数影响破碎煤体渗透性能,基于Ergun方程推导出孔隙率与渗透率和非Darcy流因子之间的函数关系式,得到破裂煤样孔隙结构变化与渗透率和非达西流因子的变化规律符合指数函数拟合。③在三轴作用下,在有效应力加载到0.55~0.75 MPa区间情况下,煤样的渗透率急剧减小,特别是在n=0.8的情况下,渗透率减小幅度最大,而在有效应力加载超过0.75 MPa的情况下,渗透率减小速度越来越小,渗透率随有效应力演化的规律可用k=ae^(bσ_(e))+c公式表示。综合以上结果,在孔周煤体受到外部应力(地应力)和内部应力(孔隙压力)共同作用时,破裂煤体的渗流规律与骨架变形和孔隙结构变化密切相关,结合有效应力变化与孔隙渗透率之间的内在联系,可以准确计算出瓦斯预抽过程中孔周煤体渗透性能演变历程,对破裂煤体渗流规律的研究可作为瓦斯抽采设计实施与效果评估的重要参考依据。

考虑间断级配的破碎矸石压实和再破碎研究

级配结构是影响破碎矸石压实和再破碎特征的重要因素,而级配矸石的压实和再破碎特征直接决定了采空区充填质量和效果。首先,采用分级加载方式对连续级配和间断级配的破碎矸石进行侧限单轴压缩试验;基于试验结果,研究轴向应力和级配共同影响下的压实变形参数、再破碎参数的变化规律,分析再破碎后颗粒的粒径分布和分形特征。然后,以级配压实-破碎—分形演化为研究路线,建立分别表征压实和分形特征的压实度增量与分形维数之间的关系式,以及分别表征压实和再破碎特征的应变与分形维数增量之间的关系式,并论证关系式中参数的物理意义,探讨级配矸石压实和再破碎过程之间的内在关系。研究结果表明:根据压缩模量变化规律及其不同阶段的压实变形机理,可将不同级配破碎矸石压实阶段划分为快速压实、缓慢压实和稳定压实3个阶段,颗粒再破碎后的粒径分布特征表明颗粒的再破碎主要发生在缓慢压实阶段;本文提出的关系式较好地描述了级配破碎矸石的压实—再破碎全过程,可反映不同级配矸石在压实和再破碎过程中的稳定性,可为采空区精准充填及其预防提供理论依据。

破碎煤岩体瓦斯-水相对渗透特性试验研究

为探究瓦斯抽采钻孔孔周破碎煤岩体中瓦斯-水相对渗透特性,利用自主研发的破碎岩体气液耦合渗透试验系统,采用稳态渗透法开展了瓦斯-水耦合渗透试验,得到了煤样渗透参数随渗透压和轴向压力的变化特征,并分析了渗透参数间的相互影响关系。结果表明:承压破碎煤岩体孔隙度随轴向压力的增加呈快速下降、缓慢下降和趋于稳定的阶段性特征;随着含水饱和度的增加,煤样气体相对渗透率快速下降,水相对渗透率线性上升,气体和水相对渗透率表现出竞争关系,且气体渗透率对于含水饱和度的敏感程度更高;气体和水的总渗透率随有效应力的增加而减小,服从指数函数关系,有效应力会影响破碎煤岩体孔隙结构的变形过程,随孔隙度的减小,气体有效渗透率降低,相对渗透率增加;渗透压对于水和气体相对渗透率的影响可分为气体占优阶段、等渗阶段和水占优阶段,临界渗透压取值范围为0.4~0.6 MPa。

负压对抽采钻孔孔周煤体瓦斯渗流特性的影响

抽采负压是影响钻孔孔周煤体瓦斯渗流规律的重要因素之一,为了深入研究负压变化对煤体瓦斯渗流特性的影响,通过设计瓦斯渗流特性相似模拟试验平台对孔内瓦斯流动规律进行测定,并运用数值软件对孔周煤体内瓦斯渗流状态进行分析,结合上述结论对钻孔孔周煤体瓦斯渗流特性进行研究。结果表明:抽采负压提供孔周煤体瓦斯向钻孔内渗流的动力,负压值设定为25~35 kPa时,可保证雷诺数集中分布在10~20之间,其低速紊流状态有利于瓦斯高效抽采;随着抽采时间的增加,负压对瓦斯的引流作用逐渐减弱,瓦斯流量随时间呈现负指数衰减规律,煤体渗流速率饱和值处于7.41×10^-6-1.30×10^-5 m/s之间;煤体内部黏滞阻力对瓦斯渗流存在抑制作用,随着抽采负压的增大,孔口负压上升趋势比孔周煤体内负压上升趋势更快,说明抽采负压变化对钻孔孔口负压的影响更为显著。

温度与应力对破碎煤岩体压实变形特征的影响

为了得到应力和温度对采空区破碎煤岩体渗透特性及压实特性的影响,通过自主设计的渗透系统以分级加载的方式对破碎煤样进行渗流试验,得到考虑温度的压实破碎煤体的本构模型。结果表明:渗透率随温度变化总体呈上升趋势,在采空区遗煤自燃的过程中,随着温度的升高,煤体内部细观结构发生变化,颗粒的堆积变得更为松散,从而导致破碎煤体的渗透率增大;破碎煤体孔隙度随着轴向应力的升高呈负指数下降趋势,孔隙度和碎涨系数都随着温度的升高而升高,125℃对应的碎涨系数比25℃对应的碎涨系数大0.03;压实变形过程中破碎煤体的割线模量Es和切向模量Et均随应变的增加而升高,且在相同应变条件下,温度越高破碎煤体的Es和Et越低。通过对在应力σi作用下破碎样的割线模量与温度的关系进行拟合,建立了考虑温度的压实破碎煤体的本构关系。

2种典型嵌挤骨架配比下混合煤样的渗透特性

基于轴向压缩位移控制法,利用破碎岩体渗透试验系统,测试了破碎煤样在采用单级嵌挤骨架和级配嵌挤骨架2种配比方式下,承压过程中的渗透特性。结果表明:级配嵌挤骨架煤样压缩过程中,随着20～25 mm含量的增高,渗透率出现明显的平稳变化阶段,说明大煤样颗粒对骨架具有显著的支撑作用,造成煤样内部有效孔隙通道保持平稳;以5～10 mm为主的单级配嵌挤骨架其渗透率远小于其他3组,说明小颗粒煤样对较大煤样颗粒之间的空隙具有良好的充填作用;2种配比方式下,孔压梯度与渗流速度两者之间的二次拟合系数都高达0.94以上,说明煤样压实渗流过程中都满足Forchheimer方程;通过建立的物理模型发现煤样压缩过程中存在侧向约束阻力,其值随轴向压缩位移、渗透压的增大而增大。

颗粒流失对陷落柱充填物孔隙结构及突水行为的影响

陷落柱充填物的颗粒流失是诱发矿井突水事故的重要原因之一。为了研究陷落柱充填物在颗粒流失过程中初始级配与孔隙结构、粒度分布间的关系,利用变质量破碎岩体渗流试验系统,采用稳态渗流法得到分级加载条件下陷落柱充填物的颗粒演化规律和粒度分布特征,进而分析颗粒流失过程中的孔隙结构和水流突变规律。结果表明:①陷落柱充填物岩样普遍存在大量微观孔洞、裂缝和颗粒拼接等结构,颗粒流失在很大程度上取决于试样自身属性,外部荷载F和渗透压力P只起某种促进作用;②流失前后的充填物颗粒满足分形条件,具有分形特征,整个渗透流失过程中细小颗粒占比高达34.4%,试样颗粒的分形维数D随级配n值的增大而减小,流失颗粒中级配值n=0.3和n=0.9的试样更易于破坏,造成结构性失稳;③整个渗透历程中孔隙度存在2个骤减区段,其值分别出现在渗透历程的63 s和484 s左右,孔隙结构的调整与粒径级配有关,水流与试样间的往复作用会在进出水口形成稳定的导水通道,渗透后充填体内部存在孔洞、塌陷和空腔;④颗粒流失下的试样突水过程可分为初始渗流、灾变失稳和管流涌水3个阶段,各阶段下的流速和时间关系总体上趋近一致,突水过程一般会持续5~10 s。渗透过程中溃出物的质量m与Talbol幂指数n值可用指数函数拟合,溃出物的质量随Talbol幂指数n值的增大而增大,且充填体结构崩塌时会出现明显的水流喷溅、水位差浮动和压头掉落现象。

砾石含水层中质量流失对孔隙渗透率的影响

突水溃沙灾害发生过程中砾石含水层内部沙粒流失是导致其渗透性改变的重要原因。为研究质量流失过程中砾石含水层的渗透性演化规律,采用轴向压缩位移控制法,研究了不同初始孔隙度试样在不同初始水压梯度下沙粒流失规律,并对变质量渗透过程中初始孔隙度对渗透率的演化敏感性进行分析。结果表明:①在沙粒流失过程中水压梯度与流量首先由初始值开始缓慢变化,随后渗透状态发生突变,水压梯度骤降,流量剧增,最终2者稳定于某一数值,增大初始孔隙度和初始水压梯度均会使突变时刻提前;②渗透过程中沙粒的流失受水压梯度、孔隙度、沙粒径等因素的综合影响,相同条件下细沙更易流失,根据初始孔隙度φ_(0)与初始水压梯度G_(p0)对沙粒流失量的影响给出了孔隙度变化量E的表达式,能够对渗透过程中孔隙结构的变化给出定量描述;③渗透状态经历突变后,各试样渗透率由10^(-13)增至10^(-11)m^(2)量级,随初始水压梯度的增大,孔隙度敏感系数下降,其中φ_(0)=0.404的孔隙度敏感系数曲线峰值一度由550下降至200左右,各曲线峰值时刻随φ_(0)与G_(p0)的增大而提前,且均处于突变阶段前,说明初始孔隙度对于渗透率的影响在渗透状态突变之前较为明显,随初始水压梯度的提升,初始孔隙度对于整个渗透过程的影响降低;综合以上结果,沙粒流失规律与含水层渗透性能改变具有良好的一致性,结合孔隙度变化量E与孔隙度敏感系数C可以对突水溃沙过程中含水层渗透性能的演变趋势作出预测,对其影响规律的研究可作为含水层注浆改造工程中设计实施与效果评估的重要参考依据。

基于Helmholtz共振原理的声学瓦斯传感器设计研究

针对当前煤矿井下传统瓦斯传感器检测范围小、使用寿命短的问题,设计并制作了一种基于Helmholtz共振原理的声学瓦斯传感器。基于声波共振原理,建立瓦斯体积分数与共振频率之间的声学模型,设计制作波导管及双孔空心球共振器;同时采用LabVIEW软件,开发虚拟声学瓦斯检测系统,从而完成声学瓦斯传感器设计。利用传感器开展不同体积分数瓦斯测定实验室试验,结果表明:设计的传感器实现了大量程瓦斯体积分数检测,提高了瓦斯检测精度。

孟村煤矿坚硬顶板工作面冲击地压防治技术应用

为获取强冲击危险工作面的防冲关键数据,针对孟村煤矿401101首采工作面具有的坚硬顶板、大断层、大向斜等地质构造特点,在回采期间对工作面回风巷开展水力压裂弱化坚硬顶板技术试验,同时布设微震监测系统对试验期间的冲击地压能量事件进行监测,以考察压裂的实际效果。试验结果表明,工作面推采至压裂区域后,日均总能量及频次都降低了17%;回顺范围内的每日微震事件总能量和频次普遍比运顺低,尤其在受F1断层影响的区域更为明显;进入压裂区后,回顺侧大能量事件随即有所降低,运顺侧较为滞后,且发生在工作面前方的微震事件占比逐渐增大,微震事件逐渐由工作面后方向工作面前方转移,同时,微震事件位置在工作面前方范围内基本呈均匀分布。

“变径扩孔”工艺提高煤层瓦斯抽采效率技术研究

针对含瓦斯煤层小倾角钻孔中,水泥封孔浆液凝固收缩,易在封孔段、钻孔壁之间形成"月牙"形漏气通道,从而导致瓦斯抽采失效等问题。通过使用"变径扩孔"工艺形成台阶式抽采孔,采用囊袋"两堵一注"方法进行封孔,并考虑不同负压对抽采浓度的影响,在实验室进行了物理实验研究。

抽采钻孔孔周煤体渗流阻力分布特征试验研究

瓦斯抽采钻孔孔周煤体的孔隙结构变化是影响其渗流阻力的重要因素之一。为研究钻孔孔周粉碎区和裂隙区煤体渗流阻力的演化特征,采用稳态渗流法,研究了三轴压实状态下初始孔径大小对破碎煤样内部孔隙压力的影响规律,并对渗透过程中试样分层界面对孔隙结构属性参数的影响进行了分析。结果表明:单一孔径试样在同一渗流速度下,随着孔径的增加,渗透状态逐渐由层流过渡到紊流,渗流阻力由黏滞阻力为主发展成惯性阻力为主,双重孔径组合试样最小孔径大小是影响孔压梯度变化的先决条件;双重孔径组合煤体平均颗粒粒径介于0.1~1.025 mm,孔喉比分布在2~4,且渗透压降随孔喉比的增加呈二次曲线规律增长;孔径大小的变化对渗透率的影响较大,随着初始孔径的增大,其影响瓦斯通过煤体的能力增强;单一孔径试样与双重孔径组合试样非达西流因子分别与粒径的倒数和粒径差的倒数呈线性关系,且随着非达西流因子的增加,非达西渗流效应越来越明显,说明非达西流β因子增长趋势受孔径大小的影响,且孔径大小突增导致流体与渗透骨架的相对接触面积减小,非达西流β因子进一步增加;可见,在瓦斯运移过程中,钻孔孔周煤体的破碎程度与煤层渗透性具有良好的一致性,结合渗透率与非达西影响因子,可以对试样孔隙几何结构参数作出定量描述,从而揭示孔隙结构变化对渗流阻力的影响。

三轴应力下胶结破碎煤岩体渗流稳定性

岩块间胶结结构的破坏是陷落柱诱发煤矿突水事故的重要因素之一。为研究胶结破碎煤岩体在三轴承压下的渗流稳定性,分别制作10组含有不同级配结构的煤样,利用自主设计的三轴渗流试验系统对胶结破碎煤岩体的渗透率k、非Darcy流β因子和失稳临界值进行试验测定。结果表明:1)不同Talbot指数n所对应的胶结破碎煤岩体孔隙结构不同,承压变形时其渗透率与有效应力满足函数关系:k=aebσc,说明快速压密阶段主要影响的是初始孔隙率,后续结构重调整阶段骨架颗粒发生了剥落、破碎;2)当渗透率k下降到10^-10m^2以下、或非Darcy流β增加到106 m^-1时,都会引起渗流系统失稳,说明两者数量级的改变可诱发β因子突变到负值,其符号的变化可作为煤岩体渗流失稳的临界条件;3)高应力水平状态下,60%的级配结构在渗流过程中均出现失稳阶段,说明渗流参数是否满足βk2<3.90×10^-12m^3,可作为预测煤矿突水事故的重要依据。

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙演化及等效裂纹宽度试验研究

为探究瓦斯抽采钻孔孔周裂隙扩展特征,取不同含水率的含孔方形试样,开展在渐进性破坏过程中数字散斑相关测量,获得单轴压缩下试样表面裂纹扩展过程中应变场的演化特征;采用RSM-SY7声波仪获取试样在破坏过程中的透射波形、波速和时间,根据声波透射过程中的时差计算公式,计算出试样在破坏过程中的等效裂纹宽度,揭示含水率对含孔试样裂纹扩展规律的影响。结果表明:(1)在试样渐进性破坏过程中,随着含水率的增大裂隙扩展明显减少,峰值应力σp的离散性显著降低;(2)超声波检测结果显示,饱水状态下首波到达时间较干燥状态下延迟8~10μs,且声波能量在时间域上衰减较快;(3)对试样破坏过程中等效裂纹宽度和应力水平试验曲线的拟合,得出等效裂纹宽度随应力水平的增高呈现指数级增长,可以对裂纹扩展参数进行定量化描述;裂隙扩展速率随含水率的增高显著降低,其中控制含水组的等效裂纹宽度在0.003~0.004mm范围,干燥试样的等效裂纹宽度在0.012~0.013 mm范围。

基于雷诺数的级配结构破碎煤样渗流失稳特征研究

为获得不同级配结构下破碎煤岩体渗流失稳特征,本文采用自主研发的破碎样渗流试验系统,研究了位移与渗透压改变时不同级配结构下破碎煤样的渗流参量及雷诺数变化规律,通过两者变化规律分析得出渗流失稳临界特征值。结果表明:1)试验过程中4组破碎煤样的渗流速度与压力梯度关系均呈现非线性特征,骨架密实结构破碎煤样渗透率最大,非达西因子最小,悬浮密实结构破碎煤样渗透率最小,非达西因子最大,骨架空隙结构破碎煤样渗透参量受孔隙率影响变化较大;2)各组破碎煤样的雷诺数最小为0.1,最大为12.66,其中以悬浮密实结构破碎煤样雷诺数最大,骨架密实结构破碎煤样雷诺数最小,骨架空隙结构破碎煤样雷诺数变化小。研究可见,破碎煤样发生渗流失稳时存在临界特征值,悬浮密实结构以及骨架孔隙结构破碎煤样渗流失稳临界雷诺数为3,骨架密实结构破碎煤样临界雷诺数为5。

级配破碎煤岩体压实过程中再破碎特征研究

为研究承压破碎煤岩体压实与再破碎特征,根据破碎煤岩体的力学特征与孔隙结构的稳定性将破碎煤岩体的压实变形过程分为塑性失稳、应力恢复与类原岩应力3个阶段,再通过获有专利权带侧限的破碎煤岩体压缩实验系统以分级加载的方式对不同Talbol指数n的破碎煤样进行压实试验。研究表明:在整个压实过程中,由煤样颗粒位移重组引起的变形大于由破碎填充引起的变形;随着应力的增大,各组试样中小粒径的颗粒不断大幅增加,其中M-4组试样增幅最大,增加了389.4 g,其余大粒径的颗粒不同程度的减少,4组试样承载后的粒度分布均趋近于同一种稳定的级配结构;分形维数轴向应力间符合幂函数关系,且应力一样时,n越大,混合破碎煤样的分形维数变化率越大;给出破碎煤岩体承压过程中压缩模量的计算公式,并发现相同应力条件下n越大,破碎率变化率越大,混合破碎煤岩体的稳定性越差,为采空区安全治理与预防地表沉降提供了有力的理论指导。

不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征研究

承压破碎煤岩在不同环境湿度下的变形及破碎量不同,为探究不同环境湿度下承压破碎煤岩变形与破坏过程中的分形特征,利用自制破碎岩石压实装置,结合DDL600电子万能试验机和计算机采集系统,对不同环境湿度下的破碎煤岩进行侧限压实试验,分析不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征。结果表明:1)随着轴向应力的增大,破碎煤岩的分形维数从2.38增加到2.64,逐渐接近分形破碎极限,其变化过程可分为6 MPa以前的迅速增加阶段和6 MPa以后的缓慢增加阶段;2)分形维数随环境湿度的增加而增大,且在高应力下增幅较大,但增速逐渐减缓;3)蠕变时间从30 min增加到160 min,分形维数仅增加了0.06,说明时间效应对分形维数影响较小;4)相对破碎率Bg随轴向应力变化呈对数增长,与分形维数之间具有线性关系。可见,随着环境湿度的增长,破碎煤岩的承载能力有所下降,该结论为进一步研究巷道围岩稳定性和地表沉陷提供依据。