冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律,采用含瓦斯煤岩冲击损伤-渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试,并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构,分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明,冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响,具体表现在:①受围压和轴压的影响,冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力-应变曲线无明显压密阶段;含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。②冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用,气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数;冲击载荷越大,瓦斯压力越高,含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分,所形成的裂隙结构愈复杂。③含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展,冲击载荷耦合瓦斯压力作用下,含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动-裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式;含瓦斯煤冲击破坏后,随着气体压力增加以及气楔作用的增强,瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动-裂隙流动并存和裂隙流动;裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律,含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

孔隙压力梯度对煤的渗透性影响实验

为了研究煤体渗透率与压力梯度之间的关系,在考虑煤体吸附变形的基础上建立了煤体渗透率与瓦斯压力梯度的数学模型,并在恒温条件下进行同一压力梯度不同吸附平衡压力的条件下和同一吸附平衡压力不同压力梯度条件下的渗流实验。研究结果表明:在较低的孔隙压力条件下,煤体渗透率随着吸附平衡压力和压力梯度的增加而减小;建立的渗透率动态演化模型能够较好地描述煤层瓦斯抽采过程中瓦斯的流动规律。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和抽采工作提供一定的理论支撑,具有一定的指导和实践意义。

受载原煤中瓦斯的扩散规律

为研究受载原煤中瓦斯的扩散规律,以原煤煤样为实验对象,利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合实验系统,在恒温的三轴加载条件下,进行了加载–吸附–解吸–再加载直至煤样破坏过程中的瓦斯解吸实验。研究结果表明,受载原煤的解吸量随时间变化规律符合颗粒煤瓦斯解吸的数学模型;在恒温恒围压下,随轴压的增大,受载原煤瓦斯的解吸量呈下降趋势;当轴压大于峰值强度后,瓦斯解吸量随轴压迅速增大;受载原煤煤样压密、线弹性阶段瓦斯解吸–运移速度随应力增大而线性减小;当煤样处于屈服阶段和峰值破坏阶段瓦斯解吸–运移速度随应力增大呈指数式增长。研究成果对瓦斯抽采,瓦斯突出机理研究有一定的理论价值。

水浸干燥后煤的孔隙结构及瓦斯吸附特性变化规律

在富含水煤系或水力措施后的煤层中,受水溶液的浸泡,煤的孔隙结构及吸附特性发生改变,为了深入研究其变化规律,在实验室利用蒸馏水对2种不同变质程度煤样进行了长时间(60 d)浸泡,采用低温N 2吸附实验和CO_(2)吸附实验测试水浸前后煤样的孔隙结构变化规律,采用高压容量法测试水浸前后煤样的瓦斯吸附特性。结果表明,水浸干燥后煤体孔容和比表面积总体呈降低趋势。其中,低温N 2吸附实验结果表明,煤体中大中孔的比表面积最高可降低48.9%;CO_(2)吸附实验结果表明,水浸干燥后2种煤样的微孔孔容和比表面积也呈不同程度的降低趋势。将水浸煤样孔隙结构变化分为3个阶段,即矿物质溶出“增孔”阶段、煤基质局部膨胀变形“缩孔”阶段和煤基质整体溶胀变形“扩孔”阶段。此外,水浸干燥后煤对瓦斯的吸附能力下降,主要是由于水浸促使煤体产生膨胀变形,且导致微孔隙相互连通,从而降低了煤体微孔孔容和比表面积,降低瓦斯吸附能力。研究成果对进一步掌握富含水煤系或水力化措施后煤层的瓦斯抽采具有指导意义。

气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响

利用工业CT扫描系统,观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点,为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明:非吸附性气体作用下,随孔隙压力的升高,煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显,裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐减小,符合气体压力影响下的裂隙扩展方程,微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下,随吸附时间的延长,煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著,直至扩展平衡;裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐变小,符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程;裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响;吸附压力越大,煤体所需的吸附平衡时间愈长;微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间,裂隙扩展具有明显的滞后性。

温度冲击下煤体裂隙结构演化的显微CT实验研究

为研究温度冲击下煤体裂隙结构演化特征,以期从微细观方面揭示煤体对温度的响应机制。采用SLX–80型高低温实验系统对原煤进行4种温差条件下的冷热冲击实验,利用工业显微CT系统对温度冲击前后的煤样进行扫描和裂隙结构的三维立体重建,基于VGStudio MAX图像分析系统建立煤样清晰的裂隙可视模型,并对煤体裂隙结构演化特征进行量化表征,运用非定常热应力理论分析温度冲击下的破煤机制。研究结果表明:温度冲击促使煤体内部裂隙扩展加宽,萌生新裂隙,裂隙体积、壁厚、表面积均与温差呈正相关关系,不同温差产生的热应力决定了煤样的损伤程度;温度冲击过程中产生了大量的声发射信号,声发射信号的产生主要集中在前600 s,且温差越大所产生的声发射能量越高;温度冲击所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明:(1)所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2)煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出"V"字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3)从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。

显微工业CT的受载煤样裂隙动态演化特征与分形规律研究

为观测受载煤样裂隙演化过程,利用受载煤岩工业CT扫描系统对煤样单轴压缩破坏过程进行CT实时扫描实验,将CT扫描图片导入VG Studio MAX图像分析软件进行煤样的三维数字化模型重建,得到煤样内部裂隙空间的分布情况。运用MATLAB软件通过分析和计算得到了煤样内部结构的灰度直方图和裂隙分形维数,综合分析煤样裂隙的动态演化特征和分形规律。研究结果表明:利用灰度直方图和VG Studio MAX软件分析结果能有效地定性和定量描述受载煤样内部裂隙动态发展的总体变化规律;全应力应变过程中,受载煤样的断面裂隙面积、断面裂隙谱峰面积和三维裂隙体积总体上呈先减小后增加的变化趋势,真实客观地反映了煤样内部裂隙结构的动态演化规律,充分体现了外部载荷和变形对裂隙发展的控制作用;裂隙分形维数主要经历了缓慢降低、平稳增加、大幅突增和缓慢升高4个发展阶段,有效刻画了受载煤样内部裂隙的演变发展过程,其变化规律与裂隙动态变化规律保持了良好的一致性,可用于受载煤样失稳破坏的预测。

割缝数量影响下穿层瓦斯抽采钻孔注浆后裂隙扩展研究

为解决煤矿瓦斯抽采难题,提高瓦斯抽采钻孔封孔效果,探究瓦斯抽采钻孔注浆封孔后岩石注浆体受割缝影响的力学性质劣化及裂隙扩展规律,开展岩石注浆体的工业CT扫描及三轴压缩试验,全面分析割缝对岩石注浆体力学性质的劣化作用和岩石注浆体受载破坏后的裂隙扩展规律。研究结果表明:三轴应力条件下,岩石注浆体试样破坏后,二维裂隙率和分形维数随割缝数量线性增加,并在割缝位置附近达到峰值,这表明钻孔割缝对岩石注浆体的裂隙扩展具有导向作用,且割缝数量为1时试样裂隙分布范围最小;试样在受载破坏后三维裂隙率和分形维数随割缝数量线性增加,欧拉数则随割缝数量呈现出线性减小的趋势,这表明钻孔割缝会改善裂隙连通性,使得裂隙网络趋于复杂;同时,4种不同割缝数量的岩石注浆体试样的抗压强度随割缝数量的增加而减小,但其渗透率随割缝条数的增加而减小,综合考虑选取1~2条割缝较为合理,并经现场试验验证了割缝注浆封隔一体化技术的合理性。

基于LBM方法的裂隙煤岩应力–应变过程中渗流特性研究

为了研究受载裂隙煤岩的渗流特性,利用工业CT扫描和图像处理技术,重建可用于LBM数值模拟的三维裂隙场,开展受载煤岩在不同加载阶段的CT扫描与渗流实验。试验测试和数值模拟研究的结果表明:LBM模拟结果的平均误差为18.72%,与渗流实验结果具有良好的一致性,表明LBM模拟方法具有较好的准确性和有效性;LBM模拟结果的准确性与煤岩内部裂隙发育程度有关,裂隙愈发育、连通性愈好,LBM模拟结果愈准确;裂隙煤岩的渗透性与其内部裂隙场的压缩和扩展密切相关;煤岩渗透性在压密阶段和弹性变形阶段不断降低,在弹性变形后期和屈服变形阶段增大,峰值强度后的卸压破坏阶段达到最大。研究结果验证了LBM数值模拟在描述裂隙煤岩渗透性的可行性,为今后受载裂隙煤体内部瓦斯流动机制、流动规律和煤层瓦斯抽采过程的可视化研究提供了可靠途径。