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。     

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。     

岩石深孔爆破对邻近煤层的动应力作用

为解决松软煤体爆破孔成形困难导致深孔预裂爆破技术无法应用的问题,选择在运输巷底板距煤 层较近的岩石中进行爆破,利用数值模拟方法进行了相关理论探讨。分析了煤岩介质和单煤体介质中布孔的 差异,建立了单煤体和煤岩体深孔预裂爆破的5个数值计算模型。研究了单煤体和煤岩介质爆破孔与抽放孔 连心线上有效应力随距离的变化,从岩孔爆破传播到煤层其应力衰减的程度较单煤层中大得多,但在靠近抽 放孔附近煤层,二者的差距变小。抽放孔轴线方向所受有效应力的大小是决定爆破效果的重要因素,煤岩介 质中爆破孔与抽放孔间距为2.0m 时,抽放孔轴线方向上的平均有效应力与单煤层中爆破孔与抽放孔间距 为3.0m 时的相当,可作为实现岩孔爆破效果的布孔参数。     

超临界CO_2作用后煤微观结构与渗透率变化规律实验研究

在宏观超临界CO_2增透实验基础上进行微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,自编Matlab程序,计算孔隙率,得到煤各微区孔隙率和渗透率矩阵,绘制孔隙率和渗透率等值线图。结果表明:增透实验前后煤微观结构差别显著,经超临界CO_2作用后,煤微观孔隙充分发育,孔隙的数量、尺寸明显增加,孔隙率是增透前的9.11倍;随着孔隙压力的增大,煤中粒间孔隙数量增多,孔隙之间的连通性增加,孔隙率呈指数增大的趋势,煤体各微区孔隙率等值线密集程度增加;煤体的渗透率随着孔隙率的增加呈正指数递增的趋势,且随着孔隙压力的增加,渗透率呈指数递增的变化规律,渗透率等值线的密集程度增加,宏微观实验结果是一致的,随着注入超临界CO_2孔隙压力的增加,煤微观孔隙结构的发育程度提高,为煤层气的运移提供更多的通道,有效提高了煤体的渗透性。     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

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。     

煤变形破裂过程中红外信息的实验研究

对受载煤体变形破坏产生的红外辐射信息进行了观测研究。结果表明：煤体在受力过程中其红外辐射温度随其应力状态的改变而发生变化，这种变化与煤体的变形破坏过程密切相关，这将为认识和揭示煤岩破坏的微观机理，预测，预报地震及矿山煤炭灾害动力现象有指导和参考作用。     

裂缝性油层的周期注水

本文根据并发展了最近在文献[5]中提出的双重孔隙介质中的二相驱替理论,给出了适用于任意注水情形的吸渗方程,提出了裂缝性油层周期注水的计算方法,并据此对之进行了初步的研究。结果表明,周期注水的效果将视油藏的条件而异,即使只考虑到吸渗作用,在一定的油藏条件下,如果适当选择控制方式,周期注水可明显地改善其开发效果。     

爆炸荷载和地应力耦合作用下煤体裂纹扩展的模型实验研究

为了研究地应力作用下煤体柱状装药预裂爆破裂纹扩展,以Froude比例法为指导,建立煤层预裂爆破的模型实验,并对地应力和爆炸荷载耦合作用下煤体中的裂纹扩展机理进行了研究。该模型描述了在爆炸荷载作用下的宏观破坏现象。研究结果表明:模型实验与现场试验结果基本一致;裂纹主要是由压缩波和卸载波共同作用形成的;地应力对裂纹的发展具有抑制作用;主应力对于拉伸裂纹的发展具有明显的导向作用。     

含水煤岩变形破坏过程电荷感应和微震信号特征试验研究

为了监测煤层注水减弱煤层的冲击倾向性和底板突水增加矿井冲击危险性的效果，利用电荷感应和微震同步监测系统，对平顶山矿井的原煤和砂岩开展单轴压缩下不同含水率煤岩的电荷感应和微震监测试验，获得了不同含水率原煤和砂岩变形破裂过程的电荷感应和微震信号特征。试验结果表明：随着含水率的增大，煤岩峰值应力减小，冲击倾向性减弱，经过浸泡饱和后煤样的峰值应力和砂岩的峰值应力分别降低了21.8%和31.1%;随着含水率的增大，煤样变形破裂过程中产生的电荷感应和微震信号事件数都减小，信号强度也降低，电荷感应与微震信号均方值幅值减小，而砂岩变形破裂过程中产生的电荷感应和微震信号事件数却增多，信号强度也增强；煤岩变形破裂过程产生的电荷感应信号受水的影响比微震信号受水的影响大。煤层注水后有效降低了矿井的冲击危险性，煤层变形破裂过程产生的电荷感应和微震信号变弱；矿井底板突水时提高了矿井冲击危险性，从而底板变形破裂过程产生的电荷感应和微震信号增强。     

瓦斯渗流场作用下煤层抽放钻孔弹塑性解

为研究瓦斯渗流场作用下的煤层抽放钻孔周围应力分布情况,假定钻孔周围煤体中瓦斯的流动为稳定径向流动状态,建立了渗流力学模型,给出了瓦斯径向稳定渗流方程;在考虑瓦斯渗流场作用下,推导了钻孔周围煤体的微元体力学平衡方程,并引入应力调整系数,求解出其弹性应力解析解;再应用Mohr-Coulomb屈服准则,求解出钻孔周围煤体的塑性应力和塑性半径的解析表达式。通过实例分析表明:钻孔内的抽放负压对钻孔周围煤体应力、塑性区的半径等参数影响较小;在一定的抽放负压(15k Pa)下,随着煤层原始瓦斯压力的增大,钻孔周围煤体的塑性区半径随之增大,距钻孔足够远处的弹性区煤体的应力也随之增大,这比不考虑瓦斯渗流场作用时的经典弹塑性解更加符合实际情况。     

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.     

倾斜煤柱稳定性的弹塑性分析

考虑煤体的塑性软化性质,通过极限平衡法分析了煤层倾角对煤柱稳定性的影响,并通过产例验证了该法的合理性。     

液氮作用下煤样结构损伤规律研究

为研究液氮浸泡对低渗煤体结构损伤增透的影响,对不同尺寸煤样进行周期性液氮浸泡实验。通过CT扫描观测煤样浸泡前后内部孔隙、裂隙变化情况,采用高倍照相机观测煤样表面形貌,利用超声测速仪测定煤样波速变化,分析液氮浸泡周期对不同尺寸煤样内部结构损伤规律的影响,提出了液氮作用下煤样损伤模型,解释了液氮作用下煤样损伤机理。结果表明:同尺寸煤样,其内部孔隙率、表面裂隙尺寸及波速衰减率随液氮作用周期数的增加而增大,煤样损伤加剧;同周期浸泡条件下,随着煤样尺寸的增大,液氮作用后的煤样孔隙率逐渐降低;液氮作用周期为1T时,煤样孔隙率增加相对显著,损伤效果明显,1T后煤样孔隙率增加幅度逐渐减小;液氮的超低温作用使煤岩基质收缩,煤岩内部产生新微孔隙,多次作用后,微孔隙发育、扩展和贯通使煤岩出现宏观裂纹并发生破坏。     

冲击载荷下孔隙塌缩过程的数值模拟

爆炸压实过程中多孔体的孔隙闭合程度对压实效果起着决定性作用。利用LS-DYNA有限元程序,对无氧铜中的圆形孔隙塌缩过程进行了数值模拟。根据模拟结果分析得出,在6 GPa的冲击压力下,孔隙闭合时不同边界区域会发生爆炸焊接和射流侵彻,这2种结合机理可以使材料结合更牢固,提高材料的致密度和机械强度,实现高质量的爆炸压实。     

高瓦斯低透气性煤层聚能爆破增透机制

为解决常规爆破增透煤层过程中煤体粉碎严重而裂隙发育不佳的难题，进行了聚能爆破煤层增透技术研究。开展了聚能爆破与常规爆破的混凝土致裂实验，对比分析了爆破后混凝土裂隙开裂程度，同时利用超动态应变仪采集了应变砖应变随时间变化的数据。利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟再现了聚能罩压垮运移、聚能射流侵彻混凝土的过程，对比分析了聚能爆破与常规爆破应力波传播特征及内部裂隙扩展过程。最后在平煤十矿进行了聚能爆破与常规爆破的煤层增透试验，对比了爆破后抽采孔瓦斯的体积分数。研究结果表明：聚能爆破后，聚能方向上混凝土的裂纹宽度为1.1 cm，垂直聚能方向上混凝土的裂纹宽度为0.4 cm，而常规爆破后混凝土形成的4条主裂纹的宽度均为约0.3 cm。数值模拟结果显示：聚能爆破混凝土的粉碎区呈“哑铃型”，常规爆破混凝土的粉碎区呈圆形，且聚能爆破混凝土的粉碎区面积小于常规爆破的；而裂隙区呈“纺锤型”，且聚能爆破混凝土的裂隙区面积大于常规爆破的，说明聚能爆破技术可有效解决爆破增透过程中煤体粉碎区严重而裂隙区发育不佳的难题，更有利于致裂增透高瓦斯低透气性煤层。现场试验结果同样显示聚能爆破后瓦斯抽采浓度明显高于常规爆...     

有机/酸复合溶液化学作用下低煤阶煤体破坏微观机制研究

为了探讨有机/酸复合溶液化学作用对煤体物理力学特性的影响,采用扫描电镜、粉晶X射线衍射、压汞实验和力学性能测试等手段,对经有机/酸复合溶液浸泡前后的煤样表观形貌、矿物质含量变化、内部孔隙结构及单轴抗压强度进行表征。分析煤的微观结构随时间变化规律,得出有机/酸复合溶液破坏煤体的微观机制,并通过单轴压缩实验验证煤样微观破坏机理。结果表明:经有机/酸复合溶液浸泡48h后,煤样表面的孔隙尺寸大于10μm,大部分表面被溶蚀成小于1μm的小碎屑颗粒;方解石、白云石和黄铁矿的溶解率为54.54%、36.36%、34.29%,伊利石、高岭石、蒙脱石的含量增加了51.74%、60%、40%,石英几乎不反应;煤样孔径分布曲线随时间增加,逐渐由单峰分布变成双峰分布,煤样微孔体积减少了69.01%,大孔体积增加了72.85%;煤样弹性模量为377.2MPa,峰值强度为4.02MPa,达到峰值强度时,应变值为21.61%。煤样与有机/酸复合溶液之间的化学作用可从微细观上改变煤样的矿物组成与结构,使其产生孔洞、孔隙等,增加其孔隙率,影响其渗透率,进而改变其峰值强度和弹性模量等宏观力学性质。     

分形理论在煤层气非平衡吸附模型中的应用

传统的煤层气动力学模型均是建立在欧几里得几何基础上的,难以描述煤层孔隙结构的复杂性及形状的不规则性。本文以分形理论为基础,通过引入分形维数来刻画煤层孔隙结构的复杂性并考虑煤层的吸附特性、双重介质特征及介质的变形,建立基于Fick第二定律的分形介质煤层气非稳态渗流数学模型。由于流动方程的强非线性,结合各类边界条件用正则摄动法和Laplace变换得到模型在拉氏空间上的近似解析解,再利用Laplace数值反演求得实空间上的数值解。对参数进行敏感性分析并绘制了典型压力曲线,这些结果为煤层气开采提供了理论依据和试井方法。     

致密油藏动态裂缝扩展机理及应用

致密油藏采用注水吞吐补充地层能量取得了一定效果. 但多轮次注水吞吐后, 地层压力和产量降低快. 本文考虑了致密油藏复杂的裂缝形态, 根据艾尔文理论及弹性力学剖析I型裂缝尖端附近的应力场分布, 基于渗流力学、裂缝性致密油藏特征及动态裂缝渗流规律, 建立了多裂缝交叉裂缝扩展渗流模型, 结合注水诱导裂缝扩展机理及断裂力学能量守恒原理, 得到裂缝扩展长度. 依据致密油藏逆向渗吸原理, 提出将注水吞吐转为不稳定脉冲注水. 对比分析注水吞吐、脉冲注水2种能量补充发方式, 预测10年累计采油、压力及剩余油分布. 结果表明, 裂缝净内压随着注水量的增加而升高, 当应力场强度因子达到断裂韧度, 在裂缝尖端会发生扩展. 扩展及延伸的天然裂缝相互沟通, 呈现不规则复杂缝网, 在复杂缝网中主要发生逆向渗吸作用. 脉冲注水累计产油高、注水波及面积广、逆向渗吸作用强. 裂缝性致密油藏水平井注水吞吐转变为脉冲注水方式, 能够充分发挥动态缝网的逆向渗吸及线性驱替作用, 实现有效驱油的目的.      

煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验研究

在岩石爆破理论的基础上分析了煤体中爆炸应力波的作用机理,借助损伤力学理论探讨了煤体在 爆炸应力波作用下的损伤断裂准则。煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验结果表明:煤体中爆炸应力 波一般包含2段波形,第1段由压缩相和拉伸相组成简单波形,第2段是由多种作用形成的复杂波形;爆炸应 力波作用下,煤体首先承受压应力,而后承受拉应力,且压缩相的作用时间较拉伸相作用时间短;煤体中爆炸 应力波的衰减速度较一般岩体中的快,实验条件下应力波衰减因数符合=3-/(1-),爆炸应力波的主要 作用是在煤体中形成少量新裂隙、激活煤体中原生裂隙并打破煤体中瓦斯气体的平衡状态。