基于灰度共生矩阵和工业CT扫描的受载含瓦斯煤裂隙动态演化特征

为研究受载含瓦斯煤在三轴压缩作用下的裂隙演化规律,利用受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系统,开展了三轴加载条件下受载含瓦斯煤的工业CT扫描测试,获取了受载含瓦斯煤的应力-应变曲线和各变形阶段的CT扫描图形.运用图像分析软件对CT扫描数据进行了三维数字重建,实现了煤样内部裂隙的三维可视化和定量表征,并基于灰度共生矩阵(GLCM)理论分析了受载含瓦斯煤的裂隙动态扩展特征及规律.研究结果表明:瓦斯压力的存在一定程度上弱化了受载含瓦斯煤的力学性质,同时也加速了裂隙的扩展;受载含瓦斯煤二维裂隙先闭合后扩展,峰后快速扩展并形成连通二维裂隙网络;三维裂隙体积和裂隙密度呈现出先减小后增大的变化趋势,总体上可划分为裂隙压密闭合、新裂隙萌生扩展和主裂隙加速扩展贯通3个变化阶段;灰度共生矩阵分析中,对比度先减小后增大,能量和同质性先增大后减小,相关性呈现出单调递减趋势,准确描述了受载含瓦斯煤内部裂隙随应力增加不断变化的总体发展规律.

吸附气体对受载含瓦斯煤渗流特性影响的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴压缩试验系统,进行了大量受载瓦斯煤的渗透特性室内试验,对比分析了CO2,CH4和N2的渗透率之间的异同.研究结果表明,在恒定瓦斯压力条件下,煤样渗透率随围压的增大而减小,均服从负指数函数变化规律;在恒定围压条件下,煤样渗透率随瓦斯压力的增加而减小,并且表现出幂函数变化规律;吸附性强弱不同的气体所表现出来的渗透性也不一样,气体吸附性越强,渗透性越弱;在轴向加载情况下,不同气体的渗透率都表现出先减小后增大的现象,并且具有一般的"V"字型变化规律.研究结果对深入认识煤层瓦斯运移规律具有一定的理论价值.

外水侵入对受载含瓦斯煤解吸的影响

以钱家营矿5#煤层的煤样为试验煤样,利用自主研发的试验平台,进行了不同轴压、围压条件下含瓦斯煤自然解吸和外水侵入过程中瓦斯解吸的对比试验。结果表明:同样的试验条件下,外水侵入过程中煤样的瓦斯解吸量和解吸速率大于自然解吸煤样的瓦斯解吸量和解吸速率,说明外水侵入促进了瓦斯的解吸。当轴压、围压在4~8 MPa的范围内,外水侵入过程和自然解吸过程中的瓦斯解吸量和解吸速率随着轴压、围压的增加逐渐增加,当轴压、围压大于8 MPa时,瓦斯解吸量和解吸速率随着轴压、围压的增加而逐渐减小。

受载含瓦斯煤渗透性影响因素分析

为了探讨受载含瓦斯煤体渗透性的影响因素,利用自主研制的含瓦斯煤热-流-固-力耦合实验装置,研究了不同有效应力、不同孔隙压力和不同温度条件下煤样瓦斯渗透特性,在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上,分别建立了受载煤体渗透性与有效应力、孔隙压力和温度之间的定性定量关系。研究结果表明:1)在温度一定情况下,煤样渗透率随有效应力的增大而呈现负指数变化关系;2)将围压轴压固定,在考虑Klinkenberg效应情况下,煤样渗透率与孔隙压力呈现"V"字型变化关系,并根据实验结果,得到了围压为2.0,3.0 MPa条件下Klinkenberg效应发生的孔隙压力临界值;3)不同温度条件下,有效应力与渗透率并非单调函数,而存在一个转折点,在低应力区,渗透率随温度升高而增大,表现为以向外膨胀为主导;在高应力区,透率随温度升高而降低,表现为以内膨胀为主导;根据实验结果,提出了应力与温度共同影响下的渗透率计算式。

温度和轴向变形耦合作用下受载含瓦斯煤渗流规律研究

利用自主研发的三轴渗流实验装置,恒定围压和瓦斯压力条件,进行不同温度条件下的含瓦斯原煤渗流实验,模拟煤体变形中瓦斯渗流过程,建立了受载含瓦斯煤渗透性与温度和轴向应变的定性定量关系。结果表明:1)轴向应变对受载含瓦斯煤渗透率的影响很大,受载含瓦斯煤屈服之前,渗透率随轴向应变的增加而降低,且降幅逐渐减小;失稳破坏后,渗透率剧增,最高增幅为769%。2)温度变化对渗透率的影响与受载含瓦斯煤所处的变形阶段密不可分,从实验角度说明了开采过程对含瓦斯煤渗流特性的影响分3个主导阶段,即基质外膨胀主导阶段、基质内膨胀主导阶段和滑脱效应主导阶段。3)建立了适合受载含瓦斯煤应变与温度共同影响下的渗透率计算公式k=(a T+b)εc T+d,该公式能很好地描述受载含瓦斯煤渗透率与应变和温度的关系。研究结果可以为瓦斯渗流规律的揭示和矿井瓦斯防治提供理论依据。

煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸实验装置的研制及应用

为研究受载含瓦斯煤岩流变过程中的渗流规律和煤体瓦斯吸附解吸特性,自主研制了煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸实验装置,该装置主要由主机、伺服加载系统、三轴压力室、孔压控制系统、吸附解吸系统、温度控制系统、变形测量系统以及安全防护系统等8个部分组成,其最大轴压为500 k N、最大围压为50 MPa、最高加热稳定温度为90℃,试件尺寸为?50 mm×100 mm。该装置具有以下主要优势:能实现煤岩孔隙率的测试、煤岩力学参数测试、煤岩瓦斯吸附解吸实验和受载含瓦斯煤的蠕变-渗流等多种实验,功能强大、性能稳定、测试准确;采用了滚珠丝杠加载方式,满足了蠕变-渗流等实验的长期加载需求,最长加载时间能达2个月以上;配备了高低温控制系统,能实现煤岩试样进气端、出气端和三轴压力室3处的气体温度保持一致,有效避免了温度变化所导致的气体流量上的测量误差。同时利用该装置分别开展了煤样孔隙率测试、受载含瓦斯煤样解吸特性和含瓦斯煤样的蠕变-渗流实验研究,实验验证了该装置在功能上的多样性和在测试上的准确性和可靠性。