煤岩应力加载速度敏感性概念、测试方法及数学模型

为优化煤层气井排采降压速度,提出了有效应力加载速度敏感性概念,设计并开展了室内实验和现场试验,证实有效应力加载速度敏感性的存在,建立相应的数学模型,提出应力加载速度敏感性评价指标,并分析了应力加载速度敏感性和应力敏感性对渗透率损害率的贡献。结果表明,应力加载速度敏感性能够有效地评价有效应力加载速度对煤层渗透率的损害程度;有效应力增幅相同时,有效应力加载速度越快,渗透率下降幅度越大,渗透率损害率越大,应力加载速度为2 MPa/d时的渗透率损害率比0.5 MPa/d时增加43%以上,证实应力加载速度对煤样渗透率存在损害且非常明显;现场试验和室内实验均进一步揭示煤储层具有明显的应力加载速度敏感性;同一煤样应力敏感性系数随有效应力加载速度增加而增加,且2者呈幂函数关系,据此建立了应力加载速度敏感性的数学模型,实现应力加载速度敏感性的定量表征;应力加载速度敏感性的强弱通过应力加载速度渗透率损害系数评价,其在数值上等于煤样应力加载速度与对应的渗透率损害率数据线性回归得到的直线斜率n,其值越大,煤岩应力加载速度敏感性越强;有效应力加载过程对煤样渗透率的损害率由单纯有效应力增加造成的渗透率损害率和单纯应力加载速度增加而导致的渗透率损害率组成。结果表明,应力加载速度造成的渗透率损害率占比随着应力加载速度增加而持续增加,其占比甚至可以达到50%以上,揭示了在煤层气井排采降压过程中,尽可能降低排采降压速度能够最大限度降低由于应力加载速度造成的渗透率损害率。

有效应力对煤体渗透率的影响试验研究

为了研究有效应力对渗透率的影响机制,利用自主研发的煤岩瓦斯吸附-解吸-渗流平台,开展了轴压、围压同步加载条件下煤体渗透率测试试验。引入平均有效应力参数表征煤体受载状态,同时为消除试件个体差异的影响,定义了有效应力敏感系数,深入探讨有效应力对煤体渗透率的控制机理与变化规律。结果表明:瓦斯压力保持恒定时,随着有效应力增加煤体渗透率逐渐减小,其变化规律符合负指数关系;随着有效应力的增加敏感系数逐减小,且符合幂函数关系。基于敏感系数构建了煤样渗透率与有效应力的数学模型。

围压循环加卸载作用下含瓦斯煤样渗透特性试验研究

煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征,对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。以原煤煤样和型煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统,进行围压等幅循环加卸载渗流试验,研究渗透率对应力的响应特征。结果表明,两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。①对于2种煤样,渗透率随围压的增大而减小,随围压的减小而增大,且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。②原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大,在高围压阶段变化程度小,而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率Dk均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数cf整体上随加卸载次数的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增大。⑤原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大,型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。用型煤煤样来代替原煤煤样研究含瓦斯煤的渗流特征是可行的,而且在某些特定场合还具有一定的优越性,但同时也应该注意两种煤样渗透率对应力响应特征的细节差异,以及这些细节差异给试验结果的可靠性所带来的影响。

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。

动态循环加载下花岗岩孔渗参数演化规律

动态扰动促进地下岩体的内部裂纹发育,改变岩体的有效应力、渗透率及孔隙率。为此,开展了动态循环加载下致密花岗岩孔隙率、渗透率及有效应力系数(Biot’s系数)演化规律及影响机理研究。首先,针对致密花岗岩开展了考虑不同扰动因素(轴向静压、力振幅、频率及循环次数)的动态循环加载试验;之后,测试了不同扰动因素动态加载后的花岗岩孔隙率和渗透率,利用Cross-plotting法分析了不同动态扰动因素对花岗岩Biot’s系数的影响。结果表明:1)动态循环加载促进了花岗岩内部裂纹扩展,增加了孔隙占比及渗流通道,弱化了作用于花岗岩骨架颗粒上的有效应力,导致花岗岩Biot’s系数、渗透率和孔隙率增加。2)随着应力水平(轴向静压和力振幅之和)的增加,花岗岩Biot’s系数、渗透率和孔隙率的变化存在明显的应力门槛值,即65%UCS~70%UCS(UCS表示单轴抗压强度),超过门槛值后三者的增加速度迅速增加;随频率的增加,由于蠕变累积损伤逐渐减小,花岗岩Biot’s系数、渗透率和孔隙率逐渐减小;随循环次数的增加,三者呈现线性增加的趋势。3)基于相关性分析和理论推导分别建立了动态循环加载后花岗岩Biot’s系数和渗透率的经验预测模型,且模型的预测结果与试验结果具有较好的一致性。研究结果有助于理解动态扰动对岩体孔隙率、渗透率及Biot’s系数等参数的影响,为确定动态扰动后花岗岩地层有效应力系数和渗透率提供一个参考。