煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏

作者观察了煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏,发现破坏煤体呈球冠状;临界破坏瓦斯超压取决于卸载条件,煤型的强度、半径和长度,以及煤型所受的侧压,但与瓦斯吸附特性无关。对实验例进行了数值分析,结果表明煤体的破坏属于拉伸破坏;卸载速率的增高,侧向围压的减小与煤型几何半径的增大将使得煤体在瓦斯渗流作用下更易于破坏。     

THE IMPACT MECHANICAL PROPERTIES OF COAL CONTAINING GAS1)

为得出含瓦斯煤体的冲击力学特性,采用类单轴压缩试验方法,对吸附瓦斯压力在0 MPa, 2 MPa, 4 MPa, 6 MPa等情况下的煤样力学特性进行了研究。研究得出：随着吸附瓦斯压力的增大,煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能指数均近似线性降低,峰值应变近似线性增大。随着吸附瓦斯压力的增大,煤体的破坏类型由脆性向延性破坏转变,破坏的分选性增强。吸附瓦斯的作用加速了煤体失稳破坏的进程,并使煤岩瓦斯动力灾害类型呈现由冲击地压主导型向煤与瓦斯突出主导型转变的趋势。     

含瓦斯煤体的冲击力学特性研究

为得出含瓦斯煤体的冲击力学特性,采用类单轴压缩试验方法,对吸附瓦斯压力在0 MPa,2 MPa,4 MPa, 6 MPa等情况下的煤样力学特性进行了研究。研究得出:随着吸附瓦斯压力的增大,煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能指数均近似线性降低,峰值应变近似线性增大。随着吸附瓦斯压力的增大,煤体的破坏类型由脆性向延性破坏转变,破坏的分选性增强。吸附瓦斯的作用加速了煤体失稳破坏的进程,并使煤岩瓦斯动力灾害类型呈现由冲击地压主导型向煤与瓦斯突出主导型转变的趋势。     

含水率对煤与瓦斯突出能量转化影响试验

为获得煤层注水对煤与瓦斯突出弱化的影响规律,以阜新孙家湾煤矿埋深1100m突出煤层为研究对象,建立了煤与瓦斯突出能量转化模型,并利用自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验系统,进行了含水率对煤与瓦斯突出试验影响研究,分析了煤样含水率与临界孔隙压力、突出强度、能量转化率之间的关系。试验结果表明:孔隙压力是煤与瓦斯突出的主要动力源,煤样含水率与临界孔隙压力间呈指数关系递增。煤样含水率由0%增加到3%、6%时,相对突出强度分别降低了5.67%、1.2%,随煤样含水率增加,相对突出强度与绝对突出强度将逐渐降低。瓦斯内能是影响煤体突出能量大小的关键因素,与突出孕育和突出激发过程均密切相关。随含水率增加,突出孕育能量和突出激发能量均线性增加,但突出能量转化率线性减小,不易发生煤与瓦斯突出。     

恒稳推进的煤与瓦斯突出

本文建立理想的一维运动模型,对煤与瓦斯突出的机理进行了探讨,指出煤的破碎起动与瓦斯渗流的耦合是煤与瓦斯突出的内在因素,大型突出相应于恒稳推进的情况,通过分析给出了讨论煤与瓦斯突出的重要的无量纲参数以及突出判据的近似形式。     

煤与瓦斯突出的一维流动模型和启动判据

本文将煤与瓦斯突出这一现象和因素模化,建立了研究机理的一维流动模型,给出了基本方程和突出基本准则——破碎起动准则。在这理想模型中,开挖前的围压作为煤体受载因素影响破碎起动从而影响流场,流场与应力场则解耦,可独立地研究流场,研究瓦斯渗流,煤的破碎起动及随后的两相流与纯气相流。 掘进是外加扰动,使渗流相对加剧,是启动突出的基本因素。讨论恒速掘进下的渗流过程,从渐近解——恒稳渗出解给出启动判据,分别表示成:可能条件——地应力条件;孕育条件——掘进条件或瓦斯条件;触发条件——渗出速度条件。     

基于仪器化压入实验的煤体微纳尺度非均质力学响应特征

煤炭是我国的主体能源, 煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的频繁严重影响煤炭的安全生产. 煤体是典型的混合物, 其内部不同组分的力学性质差异较大, 使其在外部扰动的作用下容易产生内部应力集中, 导致煤体的失稳、破坏, 形成煤矿动力灾害. 本文以非均质煤体为研究对象, 利用微焦CT、扫描电子显微镜和纳?微米压入实验, 研究了煤体微纳尺度的非均质结构和力学性质, 实验研究结果表明: 煤体是有机物和多种矿物组成的混合物, 矿物以点填充、丝状填充和条带状侵入等结构存在于煤体有机物中, 不同的矿物填充或侵入区域中矿物含量和结构具有差异, 这导致煤体微纳尺度的物理力学性质具有非均质性; 纳米尺度压入实验可以捕捉矿物在有机物中的填充或侵入结构, 测量煤体混合物中矿物和有机物单组分的力学参数, 识别两者力学性质的巨大差异; 微米尺度的压入实验可以表征煤体混合物整体的力学性质, 矿物填充量越多, 煤体混合物的力学性质越强, 同时煤体混合物微观尺度的破裂模式会受到矿物填充结构的影响. 研究结果揭示了煤体微观结构和力学性质的非均质特征, 探讨了煤体混合物的非均质结构可能引起的脆性破坏, 为煤矿井下冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的预测与防治提供了理论基础.      

深部煤层瓦斯对煤力学性质影响规律研究

针对深部高瓦斯煤层复合动力灾害的特点,以阜新五龙矿高瓦斯煤样为研究对象,通过"煤岩渗透试验台-三轴渗透仪"试验装置,对比分析孔隙压力、峰值强度、弹性模量与瓦斯含量的相互关系,研究瓦斯对煤力学性质的影响规律。结果表明:浅部低瓦斯煤层瓦斯含量与孔隙压力之间符合Langmuir方程,深部高瓦斯煤层瓦斯含量与孔隙压力之间符合幂函数关系;煤体中的瓦斯的游离与吸附两种状态在一定温度和瓦斯压力下保持动态平衡,随瓦斯含量的增加,煤体中游离瓦斯量呈线性增加,煤体峰值强度随之降低;围压很低时,弹性模量与瓦斯压力之间近似呈线性关系,围压较大时,呈非线性关系,弹性模量随瓦斯含量增加而降低,瓦斯压力越大,弹性模量降低越多。     

温度作用下煤体裂隙演化规律数值模拟及声发射特性研究

温度的作用会在煤体上产生热应力, 进而引发煤体的裂隙发育乃至引发破裂, 有利于瓦斯的抽采.利用RFPA 有限元软件模拟加温热处理时煤体的破裂过程, 观察不同温度下煤体破裂的裂纹裂隙发展规律.采用声发射的试验方法对不同围压下温度改变时煤体内部裂隙发展进行细微观察并与RFPA 数值模拟结果进行对比. 研究结果表明: 温度改变产生的热应力能够使煤体温度升高, 进而破坏原有割理系统产生新的裂隙裂纹; 当温度达到一定值时, 煤体内部孔隙裂隙发育扩展较为明显, 形成主裂纹, 有效渗透通道增加, 降低煤体对气体分子的吸附能力, 提高游离气体含量, 渗透率明显提高. 该研究可为预防瓦斯相关灾害和瓦斯的抽采提供理论参考.     

煤矿瓦斯突出的神经网络预测

煤与瓦斯突出的预测是煤矿安全工作的主要工作之一.本文通过建立煤与瓦斯突出的BP神经网络预测模型,对瓦斯矿井的工作面和区域进行突出危险性预测.根据本文的计算结果和实际情况的对比,BP神经网络预测模型在煤矿瓦斯突出预测方面有着一定的准确性,是可行的.     

含气多孔介质卸压层裂的间隔特征——突出的前兆

含气多孔介质在卸压下的拉伸破坏有两种模式－层裂和突出，达到或超过临界破坏条件，引发骨架层裂破坏，达到或超过更强一些的临界突出条件，则引发突出，从采煤实践中逐次掘进的长过程看，层裂是已达破坏条件而未到突出条件的情况，进一步发展可能引发突出。实验表明层裂显微镜规律的间隔特征，因而与层裂相关的瓦斯浓度变化和地音信息可以认作是突出的前兆，如果在内部形成破坏区，渗流场与应力场的耦合有可以导致延时突出，石门自     

One-dimensional flow model for coal-gas outbursts and initiation criterion

This paper discribes a one-dimensional flow model to explain the basic mechanism of coal-gas outbursts. A break-start criterion of coal, as the elementary outburst criterion, is given approximately. In this ideal model, the tectonic pressure before excavation, as a load on coal body, affects the break-start and then the flow field. The flow field is decoupled with the stress field, so that the gas seepage through unbroken coal body, break-start and consequent two-phase flow, and pure gas flow can be analysed independently of the stress field. The tunnelling, an external disturbance that makes the seepage intensify relatively, is an essential factor for initiating outburst. Under steady tunnelling, seepage ought to tend to be steadily progressive. From its asymptotic solution initiation criterion is obtained. This is described by three conditions, possibility condition —tectonic pressure condition, incubation condition—tunnelling or gas condition and triggering condition —seepage velocity condition. The project supported by the National Natural Science Foundation of China     

多孔介质应力对孔隙压力影响的研究

通过大量的现场测试发现 ,含瓦斯煤岩是一个复杂的系统 ,煤体应力的变化是引起其他一系列变化的主导因素。随煤体应力的变化 ,孔隙压力呈指数形式变化 ;介质的渗透性受孔隙压力梯度的控制。     

ACOUSTIC EMISSION AND FRACTAL CHARACTERISTICS OF COAL ROCK SAMPLES UNDER TRIAXIAL COMPRESSION

为了研究煤样在不同围压下的声发射及分形特征,利用RMT-150C 型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1 型声发射检测仪对煤样试样在不同围压（5MPa,10MPa,15MPa） 进行了实验研究. 对煤样试样的声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究. 研究结果表明：不同围压下煤样的声发射特性具有一定的差异性,围压越高前兆信息越明显. 不同围压下煤样都具有分形特征,随着围压的增大,分形特征有所增强. 煤样在失稳破坏过程中声发射序列的分形维值都会出现一个波动-上升-突降的过程,提出可以作为煤样体失稳破坏的前兆信息.     

The Experimental Approach to Effective Stress Law of Coal Mass by Effect of Methane

Effective stress law of all kinds of coal samples, including steam coal, fat coal, corking coal, thin coal and anthracite, under pore pressure of gas, is experimentally studied using a newly developed test machine. These samples are taken from Coal Mines in Wuda, Hebi, Yanzhou, Yangquan, Qingshui, and Gujiao in China. The experiment results show that, under pore pressure of gas, the tested coal samples comply with Biots effective stress law, where the Biots coefficient is not a constant, and is bilinear function of volumetric stress () and pore pressure (p), that is, We define four areas according to the numerical feature of , that is, functionless area of pore pressure, normal function area, fracturing function area, and quasi-soil function area. The effective stress law of coal mass introduced by this paper is a constitutive equation in the study of coupled solid and fluid. This has significance in the drainage and outburst of methane in coal seam.     

TRANSIENT WELL TEST MODEL FOR THE WELL WITH GAS AND WATER DISTRIBUTED IN COALBED

煤层气是一种高效清洁的非常规天然气资源,其开采过程是一个排水降压采气的过程. 由于煤层气主要是以吸附态的形式存在于煤层中,当煤层压力降低到临界解吸压力以下时煤层气从煤层中解吸出来并与水一起采出,因此煤层中流体是气水两相分布的. 本文根据煤层气藏排采过程中的解吸特征,通过考虑气水两相分布的渗透率关系,提出了一种与解吸区域大小相关的煤层气井不稳定试井模型. 该模型较好地描述了煤层气排采过程中煤层内气水的流动状态,采用分区模式对气水两相进行描述. 通过有限体积方法求解了所建立的试井模型,计算得到了煤层气井气水两相分布不稳定试井理论曲线,分析了煤层气解吸系数、解吸复合半径、气水饱和度分布等对试井理论曲线的影响.     

页岩储层体积压裂的地应力变化研究

页岩储层属于致密超低渗透储层,需改造形成复杂缝网才有经济产能.体积压裂是页岩储层增产改造的主要措施,而地应力场特别是水平主应力差值是体积压裂的关键控制因素. 理论研究表明:(1)当初始两向水平主应力差较小时,容易形成缝网,反之不易产生缝网;(2)人工裂缝的形成能够改变地层初始应力场. 因此应在前人研究的基础上优化设计压裂方式,以克服和翻转初始水平主应力差值,产生体积缝网.基于此,建立了页岩气藏水平井体积压裂数值模型,模型中采用多孔介质流固耦合单元模拟页岩基质的行为,采用带有孔压的"cohesive"单元描述水力裂缝的性质,模型对"Texas Two-Step" 压裂方法进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中地层应力场的分布及其变化,模拟结果和解析公式计算结果吻合良好.模拟结果表明:(1)裂缝的产生减弱了地层应力场的各向异性;(2 对于低水平应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step"压裂方法可以产生缝网. 对于采用"Texas Two-Step"压裂方法无法产生缝网的高应力差页岩储层,提出了三次应力"共振" 和四次应力"共振" 压裂方法并进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中页岩储层应力场的分布及其变化,得到了缝网形成的区域,模拟结果表明:(1)对于高应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step" 压裂方法无法产生缝网;(2)对于高应力差页岩储层,三次应力"共振" 和四次应力"共振"压裂方法是有效的体积压裂缝网形成的方法.