不同温度-围压-气体压力下煤体蠕变-渗流演化规律

为实现深部煤层气的高效开采,通过研究不同温度、围压和气体压力下煤体蠕变变形和渗透率演化规律,得到多因素作用下煤体蠕变-渗流耦合关系;采用自行设计的岩石三轴蠕变-渗流装置,对焦煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验。结果表明:温度与煤样的蠕变呈正相关性,随温度的增加焦煤煤样径向和轴向应变变化速率增大且高温(110℃)下这种变化会一直持续直至煤样破裂;围压强度3 MPa与4 MPa的焦煤煤样在温度30、70、110℃下其气体渗透率降低率最大和最小差值分别为7.8%、5.2%、6.5%和4.2%、2.1%、1.9%;焦煤煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,试验温度110、70、30℃下的焦煤煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%、73.25%。

煤岩蠕变-渗流耦合规律实验研究

基于煤岩瞬态渗透法,对煤岩试件进行蠕变-渗流耦合试验;对于不同的围压、孔压条件下,通过蠕变破裂过程中的渗透性试验,拟合出相应蠕变-渗透率曲线,揭示渗透率的变化和煤岩试样的蠕变损伤的一致性;据Issac Newton提出的均差法,在蠕变-渗透率耦合曲线上给出一定数量的关键点和试验点上进行插值,获得渗透率-蠕变拟合方程。

含瓦斯煤岩流固耦合渗流数值模拟

为研究含瓦斯煤岩体长时效应及变形规律,采用理论推导与数值模拟的方法,利用含瓦斯煤岩变形理论与瓦斯渗流的基本理论,假定煤岩渗透率与体积应变正相关,推导获得体积应变与渗透率理论关系;利用COSOL Multiphysics软件,数值模拟研究了含瓦斯煤岩流固耦合的全过程,得到了含瓦斯煤岩渗流特性.研究结果表明:理论推导的体积应变与渗透率的关系式是合理的;当含瓦斯煤岩处于弹性阶段,煤岩体的渗透率随体积应变的增大而增大.研究结果对煤层瓦斯抽采参数设计具有重要的理论意义.

煤岩渗流-蠕变耦合试验研究

岩石在渗流作用下的蠕变为工程的长期稳定带来了诸多不利影响。研制一种可实现围压加载、轴压加载和空隙水压加载的岩石渗流-蠕变耦合试验装置,进行岩石渗流与蠕变的耦合试验,探讨岩石在渗流作用下的蠕变特性。试验得出:在固定水压和围压的情况下,煤岩轴压对试件弹性形变作用随轴压增加而降低;轴向的瞬时变形随轴压增大而增大;渗流量随轴压升高而降低。在轴压和围压固定的情况下,渗流量和蠕变量随水压的增大而增大,渗流对试件蠕变会产生一定的影响,蠕变也影响渗流量。

破碎煤岩峰后渗流-蠕变实验

为探究煤岩体峰前峰后的渗流蠕变规律,设计了基于自主研发三轴渗流蠕变测试仪的渗流蠕变实验.通过采用控制变量法分别递增围压、轴压、孔压,拟合曲线得出了随着围压、轴压、孔压的分别递增情况下的煤岩体峰前及峰后渗流蠕变规律.实验结果表明:煤岩体未破碎之前,渗流量与孔压成正比、与围压成反比,且随着裂隙的增多,渗流量也会逐渐增大;煤岩体蠕变速率随着轴压的增大而增大;峰后煤岩的裂隙会在轴压和水流作用下先扩张后压密,轴向变形和横向变形的速率急速增长,轴压随着松弛不断降低后趋于平缓,渗流量随着裂隙的变化先增大后减少,围压在横向变形作用下不断上升.

常规三轴压力下含瓦斯煤蠕变–渗流演化规律

在瓦斯抽采、煤层气开采及煤与瓦斯突出过程中,煤岩蠕变引起岩体变形会对瓦斯渗流产生影响。为研究含瓦斯煤蠕变–渗流的演化规律,得到蠕变–渗流的耦合关系,作者进行了不同瓦斯压力下分级加载轴压时煤体常规三轴蠕变–渗流试验。试验结果发现:轴向应变呈梯度增大,直至煤样破坏;期间,煤体内部瓦斯渗透率呈先减小后增大的趋势。这表明煤样蠕变过程中煤体内部孔隙或微裂隙发生了两次变化:前期蠕变过程中,孔隙或微裂隙压密,瓦斯流通受阻渗透率减小;当应变超过一定阈值时,煤体骨架发生变化,孔隙或微裂隙出现增生或扩展,瓦斯通道贯通渗透率增大。此外,由试验结果可知,煤岩发生失稳破坏时,必须具备应力超过长期强度、应变超过应变阈值两个条件。这一结论为煤岩失稳破坏提供了一条新的思路。进而,为进一步研究蠕变变形和渗透率的关系,基于Kozeny-Carman公式进行合理地假设及推导,得到应变与渗透率的数学关系式。最后,利用蠕变–渗流试验数据验证时,发现应变–渗透率公式能很好地反映蠕变–渗流过程中的耦合规律。结论能为应力场–裂隙场–渗流场耦合研究提供一定的参考价值。

煤岩体蠕变-渗流耦合数值模拟

针对煤岩体具有流变性,蠕变是流变的主要形式问题,遇水后煤岩力学性质发生显著变化,造成煤岩体的变形和失稳,导致重大工程事故的发生。基于等效连续介质模型和流变学的理论,建立煤岩体流变场与渗流场耦合作用下的流变模型,推导相应的直接耦合总体控制方程,并应用于解决煤岩体层状边坡长期稳定性;基于FEPG软件平台,编制蠕变破裂-渗流耦合模块,分析煤岩体层状边坡各设定监测点随时间演化应力变化规律,以及其监测点水压随时间的变化,位移的变化规律,并对模型监测点在蠕变破裂和蠕变破裂-渗流耦合两种情况下的水压变化进行了对比分析,为煤岩工程的长期稳定性提供理论方法和实际预测依据。

煤岩渗流—蠕变耦合作用下声发射试验研究

为研究煤岩在渗流—蠕变耦合作用下的声发射及损伤特性,进行了4组不同渗透水压和围压的蠕变声发射测试实验。研究结果表明:累计渗流量曲线对应于蠕变应变曲线,可分为初始、稳态、加速3个阶段;受渗流和蠕变作用的相互影响,在相同围压下,渗透压越大,煤岩的瞬时应变量越大,蠕变速率越高,渗流量越大,声发射越活跃;在相同渗透压下,围压越大,煤岩的瞬时应变量越小,蠕变速率越低,渗流量越小,声发射活跃程度降低;声发射在渗流—蠕变全过程中,整体呈U型变化特征,在体积压缩向体积扩容转变期,声发射异常活跃,表明煤岩此时处于内部结构的调整和损伤状态的转变期;基于Weibull分布函数的损伤表明,各围压下煤岩均存在一个损伤阈值,当损伤超过此值时,煤岩进入加速蠕变变形阶段,且损伤阈值有随围压升高而增大的趋势。

考虑煤体蠕变的瓦斯渗流规律及抽采钻孔布置

为了研究深部煤体蠕变对瓦斯渗流的影响,建立了考虑蠕变作用下煤体变形场、瓦斯扩散场及瓦斯渗流场多场耦合的数学模型,以陕西彬长胡家河矿业有限公司煤层瓦斯赋存及地质条件为依据,模拟分析了煤层瓦斯抽采动态变化规律,通过现场监测验证了数学模型的正确性、合理性、可靠性及工程适用性。研究结果表明:①煤层瓦斯压力随距抽采钻孔距离的增加而增大,距钻孔越近,瓦斯压力梯度越大,煤体渗透率比值越大,在远离钻孔处瓦斯压力和渗透率比值均逐渐趋于稳定。②在瓦斯抽采初期,距钻孔越近煤体的瓦斯压力降低幅度越大,随着抽采时间延长,瓦斯压力降低的幅度逐渐变缓;在瓦斯抽采初期,距钻孔较近煤体的渗透率比值增加幅度较大,随着抽采时间的延长,在应力和瓦斯压力共同作用下,煤体的蠕变变形导致渗透率比值增加的趋势趋于平缓。③与单孔瓦斯抽采相比,双孔抽采可显著降低煤层瓦斯压力;钻孔间距越小,不同抽采时间内两钻孔间的瓦斯压力梯度越小,但随着抽采时间延长,瓦斯抽采效率越低;结合陕西彬长胡家河矿业有限公司瓦斯赋存条件,确定其瓦斯抽采钻孔最合理间距为2m。

充填开采中渗流对覆岩蠕变影响规律的研究

由于地下水渗流的作用,充填开采中采场覆岩的蠕变性质会受到影响,从而影响上覆岩层及地表的长期稳定性。从流变力学的一般解法出发,以经典流变力学中的Burgers模型为基础,根据静力平衡方程、有效应力原理、几何方程推导岩石在应力和水压力作用下的应力平衡方程;根据达西定律、渗流场连续性方程以及渗流定解边界条件推导了渗流场控制方程,建立了多孔介质的渗流-蠕变耦合数学模型。以某矿实际地质条件为背景,根据推导建立的渗流-蠕变耦合数学模型,运用多物理场耦合软件Comsol Multiphysics分析计算平台,不同开采方式、不同孔隙水压作用下覆岩蠕变的规律进行了系统的研究。

含瓦斯煤岩蠕变渗流耦合试验研究

应用自行设计的CSCG-160型重力液压恒载蠕变渗流试验系统,进行了煤样蠕变渗流特性试验,研究煤体蠕变过程中变形和渗流特性,并将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明:煤岩蠕变特性明显,蠕变载荷较小时,煤岩呈现衰减蠕变,较高的蠕变载荷水平下煤岩具有典型的蠕变3阶段;煤岩试样的环向应变随轴向应变的增大而增大,体积应变随轴向应变的增加呈现先增大后减小的趋势;煤岩渗透率随时间变化的曲线与煤岩蠕变试验曲线的变化趋势一致,煤岩的渗透率随蠕变载荷水平的增加而增大;煤岩蠕变过程的渗透率随轴向应变的增大而增大,渗透率增加的速率也随着轴向应变的增大而增大。