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。

型煤渗透率对温度和平均有效应力敏感性分析

本文以贵州某矿1号煤层煤样为研究对象,利用自主研发的三轴渗透仪,进行了温度和平均有效应力条件下的三轴渗流实验,分别考察煤层渗透率对平均有效应力和温度敏感系数的变化规律。实验表明,相同的型煤煤样,其平均有效应力敏感系数和温度敏感系数的演化规律相似,但温度对型煤敏感系数演化的影响相对较小;且温度和平均有效应力敏感系数之间作用机理较为复杂,不存在严格的单调变化规律。

基于平均有效应力煤与瓦斯突出钻屑量指标研究

煤与瓦斯突出是煤矿最严重自然灾害,钻屑量指标法是现场煤与瓦斯突出预测主要方法.考虑深部开采条件下水平地应力作用不能忽略,引入平均有效应力,建立了钻孔周围平面应变力学模型,利用Mohr-Coulomb准则推导得到了新钻屑量公式,分析了钻屑量与平均有效应力、煤体力学参数间关系规律,计算结果与重庆三汇一矿2124工作面现场钻屑量实测值进行了对比验证.研究结果表明:钻屑量与平均有效应力、煤层深度、煤体容重、泊松比均呈线性递增关系,钻屑量与煤体弹性模量呈幂指数递减关系;采用新钻屑量公式计算结果与三汇一矿现场实测值吻合较好,误差为1.9%.研究结果可为深部煤与瓦斯突出预测提供参考.

钙质砂三轴排水试验围压与剪切速率对应力特性影响研究

以海南省三沙市西沙群岛钙质砂为研究对象开展不同剪切速率的三轴固结排水试验,研究钙质砂剪切应力特性。试验结果表明:围压越大偏应力峰值出现的越晚,相同围压剪切速率越快应力峰值越大,应力下降也越快应力下降比越大,剪切速率对应力的峰值大小及残余剪切强度有一定影响,低围压下剪切速率对偏应力峰值影响更大。围压越小偏应力比越大,相同围压剪切速率越大偏应力比增长越快,当剪切速率低于一定速度时,偏应力比的变化并不受剪切速度的影响。相同围压条件下,由于排水剪切时围压和孔压保持不变,偏应力和平均有效应力关系为斜率3的直线,不同剪切速率破坏线趋势相同,剪切速率越大破坏线角度越大,但相差不大,破坏线为接近斜率1.75的直线,钙质砂内摩擦角为42°。剪切过程平均有效应力先增大后减小,剪切过程表现出剪缩到剪胀的变化过程,剪缩阶段不同剪切速率下孔隙比下降速率相近,剪切速率在剪胀阶段对孔隙比影响较大,剪切速率越大,孔隙比变化越大。

基于应力路径的吸力对非饱和土性能参数的影响

以非饱和重塑粉土为研究对象,应用GDS非饱和土三轴仪进行三种应力路径试验,基于平均有效应力和平均净应力研究了吸力对试样性能参数的影响规律。研究结果表明:三轴等向压缩试验中基于平均有效应力得到的非饱和试样的先期固结压力随吸力增大而增大,而基于平均净应力得到的先期固结压力的变化规律则不明显。三轴不排水剪切试验中基于平均有效应力得到的临界状态线与吸力无关且唯一,基于平均净应力得到的临界状态线与饱和试样临界状态线平行,且随吸力增大临界状态线逐渐远离饱和试样的临界状态线。

地应力场和地温场对型煤渗透率影响的实验研究

以贵州玉舍煤矿1号煤层煤样为研究对象,利用自主研发的三轴渗透仪,进行了温度和平均有效应力条件下的三轴渗流实验,分析了两者对渗透率的综合作用,得出随温度的升高,渗透率呈减小趋势,但下降梯度不大;随着平均有效应力的增大,渗透率急剧下降,下降的梯度较大。

水分对含瓦斯煤渗透特性影响的试验研究

以贵州玉舍煤矿3号煤层煤样为实验对象,利用自行研发的三轴渗透仪,进行了不同含水率条件下恒平均有效应力—变温度的三轴渗流实验。研究结果表明:型煤渗透率受水分的影响较敏感,渗透率与水分成反相关关系,并服从指数分布,且含水率越高,型煤的渗透率降低幅度越大;各种实验条件下,含瓦斯煤烘干煤样的渗透率均大于含水煤样的渗透率,且烘干煤样与含水煤样渗透率之间的减小幅度与含瓦斯煤样所受的平均有效应力大小有关;随着温度的增加,干燥煤样和含水煤样渗透率均呈减小趋势,但在55℃后,含水煤样渗透率略有增大。实验结论为贵州瓦斯灾害防治和煤层气的开发利用提供了理论依据。

煤系页岩瓦斯吸附-解吸迟滞效应核磁共振谱实验研究

煤系页岩瓦斯主要以吸附态和游离态形式存在,其解吸过程相对吸附过程具有普遍滞后现象,因此从微细观角度定量研究其吸附-附解吸迟滞规律对页岩气井后期稳产增产具有重要意义.在前人研究基础上结合核磁共振谱理论推导出能够准确表征煤系页岩瓦斯吸附-解吸迟滞效应微细观评价模型,并采用核磁共振谱测试技术,以双鸭山盆地东保卫煤矿三采区36#煤层底板煤系页岩为研究对象,进行煤系页岩瓦斯吸附-解吸迟滞效应核磁共振谱实验,模拟不同储层原位应力状态煤系页岩瓦斯迟滞效应发生全过程,进一步对吸附态瓦斯、游离态瓦斯以及微细观方法测定的宏观瓦斯迟滞规律进行定量化研究,并对其发生机理以及其对深部煤系页岩瓦斯开采影响进行了初步探究.结果表明:应力状态下吸附态和游离瓦斯均有滞后效应;瓦斯宏观迟滞系数与平均有效应力呈幂函数关系,而瓦斯宏观迟滞效应中由吸附态或游离态瓦斯引起的迟滞系数与平均有效应力关系均可采用二次多项式拟合;孔裂隙应力损伤和微孔隙瓦斯扩散受限耦合或许是煤系页岩瓦斯吸附-解吸迟滞效应产生根本原因之一.

强震作用下动孔隙水压力对砂质边坡动力响应的影响

基于砂质边坡的弹塑性有限元模型和室内振动台试验研究了动孔隙水压力对边坡动力响应的影响规律。研究结果表明,坡脚位置的动孔隙水压力增大趋势明显,为滑坡最易剪切滑出的位置,在实际工程中应作为重点防护位置;动孔隙水压力随着平均有效应力的增加呈现总体减小的趋势;动孔压的存在使边坡在受较大动应力作用时破坏加速;由平均主应力增量引起的孔压与土的非线性变形特性无关。无地下水时,砂质边坡的坡顶首先发生拉裂破坏,表现出明显的鞭梢效应;有地下水时边坡的破坏首先出现在坡脚。地震作用下室内试验测得的动孔隙水压力整体上小于数值模拟值,但最大误差均控制在15%以内,验证了数值模拟结果的准确性。

干湿循环对含瓦斯煤渗透率的影响

为了研究干湿循环对含瓦斯煤渗透率的影响,采用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对原煤试样进行了不同平均有效应力、不同干湿循环次数条件下的渗流实验。研究结果表明:在恒定温度和干湿循环次数下,煤样的渗透率随平均有效应力的增加呈对数函数关系减小;平均有效应力对渗透率的敏感性系数随煤样干湿循环次数的增加而增加,随平均有效应力的增加而减小;在恒定温度和平均有效应力下,随煤样干湿循环次数的增加,煤样渗透率增加,且煤样渗透率和干湿循环次数关系可以用线性函数表示;干湿循环次数越多,煤样的吸水性越强,饱和含水率越大。

软基固结同时剪切的强度增长模型分析

现有的地基土的强度理论中,偏应力的存在对于强度增长的作用影响方面的认识并不充分,有必要针对剪切和固结同时作用下的强度增长特性开展试验研究,建立强度增长模型.本文开展了三组不同初始应力比(偏应力与平均有效应力之比)条件下的不排水剪切试验,分析了平均有效应力与应力比对土体应力-应变关系以及强度增长特性的作用影响.结果表明,仅仅依据平均有效应力的方法将低估土的不排水强度,土体的不排水强度及其增长不仅取决于不排水剪前的平均有效应力,还与剪前的应力比密切相关.剪前的应力比越大,对应的不排水强度也越高.

石灰加固软土力学特性的实验研究

针对建筑基础软土加固问题,结合辽宁某在建高速公路项目,以石灰为软基土的固化剂,对改良后的土样进行了三轴加载实验。结果表明:在三轴固结排水条件下,随着围压和石灰掺量的逐渐增大,体缩转为体胀对应的轴向应变逐渐增大,体胀现象减弱;在三轴固结不排水条件下,改良土样的偏应力-轴向应变曲线表现为应变-硬化型;随着围压、石灰掺量的逐渐增大,改良土样的峰值强度、超孔隙水压力最大值及有效主应力拐点值均呈现逐渐递增的趋势;在相同三轴实验条件下,改良土的抗剪强度参数随石灰掺量逐渐递增;相同石灰掺量下,三轴固结排水条件下的抗剪强度参数大于三轴固结不排水条件下的抗剪强度参数。

三维应力作用下砂砾岩孔隙型渗流

为了掌握砂砾岩在三维应力作用下的渗流规律,开展了理论和试验研究。把渗透系数设定成孔隙率变化量的函数,再基于孔隙弹性理论推导孔隙率变化量和应力之间的关系,建立了孔隙型岩石的渗流应力耦合特性关系式,其表明平均有效应力是控制孔隙型岩石渗透系数变化的主要因素。在渗流-三轴应力耦合试验机上开展的砂砾岩渗流应力耦合试验的结果进一步证明,砂砾岩渗透系数与平均有效应力成负指数函数关系。根据理论分析和试验结果建立了砂砾岩在三维应力作用下的耦合特性关系模型。

坚固性系数对含瓦斯煤渗透率影响的实验研究

为了研究煤的坚固性系数与含瓦斯煤渗透率之间的关系,以贵州五轮山、玉舍及响水煤矿3层坚固性系数符合梯形分布煤层的煤样为研究对象,利用自主研发的三轴渗透仪,进行了不同坚固性系数条件下,恒温-变平均有效应力和恒平均有效应力-变温的三轴渗流实验,结果表明:(1)含瓦斯煤的渗透率随平均有效应力的增大而减小,并服从形如K(σ)=ke-λσ的负指数分布,且含瓦斯煤渗透率的减小趋势与煤体所受平均有效应力的大小有关;(2)同一坚固性系数煤样的渗透率随温度的增加而降低;(3)相同实验条件下,含瓦斯煤的渗透率随煤样坚固性系数的增加而增加;(4)相同的平均有效应力条件下,煤的坚固性系数对含瓦斯煤渗透率的影响程度大于温度对渗透率的影响。研究结果对贵州瓦斯灾害的防治提供了一定的理论依据。