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瓦斯压力和应力对裂隙影响下的渗透率模型研究

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煤炭科学技术 2021年第2期49卷 115-121页

作者：蒋长宝余塘段敏克殷文明重庆大学资源与安全学院重庆400030 贵州盘江精煤股份有限公司火烧铺矿贵州盘州553539 安徽理工大学矿业工程学院安徽淮南232001 云南省煤炭产业集团有限公司云南昆明650032

煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响,基于应变,探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响,构建了... 详细信息

煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响,基于应变,探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响,构建了基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率理论模型,并结合前人的试验数据,对建立的基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率模型进行了对比验证。研究结果表明:①将煤体的结构单元体简化为立方体模型,分别分析了瓦斯压力引起的裂隙变形与煤体基质吸附变形引起的裂隙变形对煤体渗透率的影响;基于煤岩裂隙宽度与渗透率的关系,推导了瓦斯压力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。②侧向应力对裂隙变形的影响与煤体吸附所引起的内膨胀变形相似,均通过改变煤体骨架向裂隙内部膨胀来影响煤体裂隙的变形;通过试验数据验证了侧向应力和法向应力对煤体渗透率的影响机理相同,构建了三向应力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。③结合前人的试验数据,进行了全局优化非线性拟合,与基于有效应力的模型相比,所构建的模型与试验数据吻合度较好,验证了所建立模型的可靠性,并发现裂隙对法向应力的敏感性远大于侧向应力。

关键词：煤岩瓦斯三向应力裂隙渗透率模型

采动影响下固—液—气耦合机理及瓦斯运移规律研究

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采动影响下固—液—气耦合机理及瓦斯运移规律研究

作者：段敏克重庆大学

学位级别：硕士

本文以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼K1煤层为研究对象,从煤岩宏观方面利用自主研制的含瓦斯煤热流固三轴伺服渗透实验装置,分别进行了地应力场中固-液-气耦合作用下煤岩渗透实验、采动应力场中固-液-气耦合作用下煤岩力学及渗流实验... 详细信息

本文以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼K1煤层为研究对象,从煤岩宏观方面利用自主研制的含瓦斯煤热流固三轴伺服渗透实验装置,分别进行了地应力场中固-液-气耦合作用下煤岩渗透实验、采动应力场中固-液-气耦合作用下煤岩力学及渗流实验、循环采动应力场下煤岩力学及渗透实验,并分析了不同应力场、不同水文地质条件下煤岩的力学及渗透特性;从煤岩细观方面利用自主研制的含瓦斯煤岩细观剪切实验装置,进行了不同含水率型煤细观剪切实验,分析对比了不同含水率条件下型煤剪切裂纹演化规律。综合以上实验研究可得到以下主要结论:(1)煤岩处于地应力场中,随着围压的增加,煤样甲烷有效渗透率呈负指数减小。随含水率增加,煤样甲烷有效渗透率逐渐减小,且减小的越来越平缓。(2)煤岩处于采动应力场中,随含水率增加,加卸载煤样的承载强度、残余强度、变形模量都呈现降低趋势,而轴向应变、侧向应变、体积应变及侧向膨胀系数呈增加趋势。煤样破坏前含水率越高甲烷有效渗透率越小,破坏后含水率越高甲烷有效渗透率反而越大。随含水率增加,加卸载煤样破坏程度增大,裂隙增多,形变量增大,煤样加卸载过程中的总能量和耗散能也增加,而弹性能却减小。(3)煤岩处于循环应力作用下,随分级循环加卸载进行,煤样的累积残余变形逐渐增加,相对残余变形先降低、后出现残余变形稳定区、临近煤样破坏时又上升。随分级加卸载的进行,渗透率总体趋势为先螺旋降低,后螺旋上升,破坏瞬间急剧增大。(4)新定义渗透率绝对恢复率ηj和渗透率相对恢复率 ηx定量分析了加卸载渗透率的变化情况,发现ηj先减小,临近破坏又增大,取逐渐增大,其中弹性段ηx保持在85%～95%,临近煤样破坏时超过100%。随循环荷载的进行,煤体的累积耗散能成指数函数增加,结合耗散能建立损伤变量方程:D =2/π arctan {αβexp[β(σ1—σ3)]}(5)煤岩处于剪切应力场中,煤样含水率越高,首次萌生微裂纹的时间越短,形成的主裂纹越多,煤样表面越易产生破碎带,剪切裂纹形态越复杂。

关键词：采动应力场固-液-气耦合含水率含瓦斯煤渗透率

中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性影响的试验研究

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岩石力学与工程学报 2017年第7期36卷 1570-1578页

作者：蒋长宝陈昱霏尹光志刘超段敏克重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030

为探讨中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性的影响,运用自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,以含气页岩为研究对象,进行真三轴应力条件下不同中间主应力加卸载试验。研究结果表明:中间主应力对页岩渗透率的影响在中间主应力... 详细信息

为探讨中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性的影响,运用自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,以含气页岩为研究对象,进行真三轴应力条件下不同中间主应力加卸载试验。研究结果表明:中间主应力对页岩渗透率的影响在中间主应力垂直于层理面时最大,最小主应力垂直于层理面时次之,最大主应力垂直于层理面时最小;当中间主应力垂直于层理面或平行于层理面时,中间主应力与渗透率呈负相关。中间主应力垂直于层理面时渗透率对中间主应力的敏感性明显大于中间主应力平行于层理面时的敏感性,二者相差1~2个数量级;此外,定义损伤变量D表达式,发现加载过程中损伤变量–中间主应力曲线斜率变化不大,而在卸载过程中斜率变化明显,中间主应力垂直于层理面时损伤变量全程大于中间主应力平行于层理面时的损伤变量。

关键词：岩石力学真三轴中间主应力渗透率

温度对采动作用下含瓦斯原煤力学和变形的影响

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东北大学学报（自然科学版） 2017年第9期38卷 1347-1352页

作者：廖雪娇蒋长宝段敏克田维军重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆市交通规划勘察设计院重庆401121 重庆市綦江区国土资源和房屋管理局重庆401420

以原煤为研究对象,利用"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",开展温度对采动作用下含瓦斯煤力学特性的影响研究.研究表明:1)在相同初始围压、气压和温度下,与恒定围压相比,卸围压煤样屈服段缩短,峰值应力和对应的轴向应变降低,横... 详细信息

以原煤为研究对象,利用"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",开展温度对采动作用下含瓦斯煤力学特性的影响研究.研究表明:1)在相同初始围压、气压和温度下,与恒定围压相比,卸围压煤样屈服段缩短,峰值应力和对应的轴向应变降低,横向应变速率增大,侧向膨胀系数和变形模量的演化进程加速;2)在相同初始围压和气压下,随温度升高,卸围压煤样强度降低,峰值应力处各应变均减小,侧向膨胀系数和变形模量均增大;3)高温环境下,煤岩发生失稳破坏和瓦斯突出的危险性变大,对采煤工作面巷道支护和瓦斯突出防治提出了更高的要求.

关键词：采动力学卸围压全应力-应变温度原煤

采空区破碎岩体负压注浆加固试验研究与机制分析

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岩石力学与工程学报 2023年第S02期42卷 4174-4188页

作者：吕鑫杨科方珏静段敏克王于张寨男安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽合肥230031

注浆充填不仅是应对深部开采围岩高应力大变形行之有效的方法,也是实现绿色低碳开采的关键技术。因此针对注浆加固工艺,设计不同负压压力注浆加固单轴压缩试验,探究负压注浆加固效果,结合多孔介质浆液流动效应,确定负压注浆浆液扩散模式... 详细信息

注浆充填不仅是应对深部开采围岩高应力大变形行之有效的方法,也是实现绿色低碳开采的关键技术。因此针对注浆加固工艺,设计不同负压压力注浆加固单轴压缩试验,探究负压注浆加固效果,结合多孔介质浆液流动效应,确定负压注浆浆液扩散模式,归纳出注浆加固体力学特性影响因素,研究不同负压压力引起的试件物理参数变化,探讨负压注浆加固试件应力-应变曲线的4个阶段,分析注浆加固体的强度特征及变形趋势,总结负压注浆加固后的3种破坏形态,阐明负压注浆过程中的多方面作用机制。结果表明:破碎岩体实际情况与理论相左,负压注浆需考虑4个方面作用力,其加固力学特性受4个因素影响;随负压压力的增加,试件发生水灰比、孔隙率和掺入量的三重改变,试件密度整体呈先上升后下降趋势,表现出3个阶段特征,且试件孔隙率持续下降;负压注浆加固试件应力-应变曲线呈现出4个阶段变化,试件强度均值曲线与弹性模量均值曲线表现为先上升后下降趋势,而轴向应变均值曲线则先下降后上升,确定负压压力60 kPa为负压注浆加固压力阈值;负压注浆压力的不同,使得试件内部结构产生差异,最终表现为三类破坏形态;负压注浆过程受4个方面因素共同作用,既要考虑浆液水化反应,又要思考固液交界面液桥特性,同时还要兼顾注浆过程中的孔隙变化及真空脱水效应。研究成果对于注浆加固工艺改进有较大的参考价值,为煤炭清洁高效稳定开采提供理论及试验依据。

关键词：采矿工程注浆加固负压注浆破碎岩体水化反应真空脱水

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不同含水状态下含瓦斯原煤加卸载试验研究

煤炭学报 2016年第9期41卷 2230-2237页

作者：蒋长宝段敏克尹光志吴贵平俞欢重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 成都地奥矿业能源有限公司四川成都610041

以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼K1煤层为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了不同含水状态下的含瓦斯煤加卸载试验研究。研究结果表明:(1)随含水率增加,加卸载煤样的承载强度、残余强度、变形模... 详细信息

以南川宏能煤业(原半溪矿)矿井西翼K1煤层为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了不同含水状态下的含瓦斯煤加卸载试验研究。研究结果表明:(1)随含水率增加,加卸载煤样的承载强度、残余强度、变形模量都呈现降低趋势,而轴向应变、径向应变、体积应变及侧向膨胀率均呈增加趋势。(2)加卸载过程中煤样甲烷有效渗透率变化与煤样损伤变形演化相对应,但存在明显的滞后现象;煤样破坏前,含水率越高,甲烷有效渗透率越小;煤样破坏后,含水率越高,甲烷有效渗透率反而越大。(3)随含水率增加,加卸载煤样破坏程度增大,裂隙发育增多,形变量增大,煤样加卸载过程中的总能量和耗散能也增加,而弹性能却减小。

关键词：含瓦斯煤含水率加卸载甲烷有效渗透率耗散能

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加卸载应力作用下煤岩渗透率演化模型研究

岩土力学 2022年第S01期43卷 13-22页

作者：蒋长宝余塘魏文辉段敏克杨阳魏财重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 鄂尔多斯市营盘壕煤炭有限公司内蒙古乌审旗017300 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

为研究开采过程中煤岩力学行为及渗透率演化规律,运用含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,进行了不同加卸载条件下原煤力学及渗流试验,分析了加卸载应力作用对煤岩变形及渗流规律的影响,得到了剪胀角随塑性剪切应变的变化关系,发现... 详细信息

为研究开采过程中煤岩力学行为及渗透率演化规律,运用含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,进行了不同加卸载条件下原煤力学及渗流试验,分析了加卸载应力作用对煤岩变形及渗流规律的影响,得到了剪胀角随塑性剪切应变的变化关系,发现了塑性剪切应变在1.6%左右会出现剪胀角急剧变化的现象。根据试验现象和结果,考虑煤岩结构对渗透率的影响,对煤岩在弹性阶段和屈服损伤后的结构进行简化,基于火柴棍模型及渗流理论分析,从应变的角度出发,探讨了加卸载应力对煤岩渗透率的影响,建立了两个不同阶段的渗透率模型(即弹性阶段和损伤阶段),基于不同阶段的渗透率模型和剪胀角规律,构建了煤岩全过程渗透率模型。所构建的渗透率模型与试验结果对比吻合效果较好,验证了该模型的适用性,可以为实现煤与瓦斯共采提供一定的理论依据。

关键词：原煤剪胀角加卸载渗透率模型

饱水和天然状态下页岩滞后效应及阻尼特性研究

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岩土力学 2020年第6期41卷 1799-1808页

作者：蒋长宝魏财段敏克陈昱霏余塘李政科重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

运用RLW-2000型微机伺服岩石三轴试验机,对饱水状态和天然状态页岩在不同围压下进行三轴循环加卸载试验,分析了两种含水状态页岩的力学特性和滞后效应,并基于能量原理讨论了阻尼比演化规律。试验结果表明:随循环次数增加,累积残余应变... 详细信息

运用RLW-2000型微机伺服岩石三轴试验机,对饱水状态和天然状态页岩在不同围压下进行三轴循环加卸载试验,分析了两种含水状态页岩的力学特性和滞后效应,并基于能量原理讨论了阻尼比演化规律。试验结果表明:随循环次数增加,累积残余应变逐渐增加,相对残余应变先降低,后趋于稳定区域,直至破坏前急剧增加;饱水页岩的加卸载变形模量均比天然页岩小,加载变形模量整体比卸载变形模量小;在加载和卸载阶段,均出现应变始终滞后于应力的现象;饱水页岩的滞后效应比天然页岩更明显。提出了考虑滞后效应的能量计算方法,较以往能量计算的误差更小。最后基于能量原理对阻尼比的计算公式进行修正,发现饱水页岩的阻尼比比天然页岩大。阻尼比的变化较好地反映了页岩损伤机制,可作为预判页岩失稳破坏的重要指标。

关键词：页岩力学特性滞后效应能量阻尼比

真三轴循环载荷作用下煤岩力学及损伤特征试验研究

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岩石力学与工程学报 2021年第6期40卷 1110-1118页

作者：段敏克蒋长宝郭现伟杨科张向阳马海峰安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿山东济宁272169

为了研究煤矿采掘过程中真三轴循环扰动应力对煤岩力学特征的影响,利用GCTS真三轴力学试验系统,开展分级循环中间主应力σ2下的煤岩力学试验研究,分析分级循环σ2对煤岩变形、能耗及损伤特征的影响,揭示真三轴循环过程中的中间主应力效... 详细信息

为了研究煤矿采掘过程中真三轴循环扰动应力对煤岩力学特征的影响,利用GCTS真三轴力学试验系统,开展分级循环中间主应力σ2下的煤岩力学试验研究,分析分级循环σ2对煤岩变形、能耗及损伤特征的影响,揭示真三轴循环过程中的中间主应力效应。研究结果表明:分级循环σ2对中间主应变ε2和最小主应变ε3的影响明显大于最大主应变ε1。随着最小主应力σ3值增加,分级循环σ2引起地ε1和ε3都明显降低。循环加或卸载σ2都可引起煤岩的失稳破坏,且当σ3较小时,煤岩倾向于在σ2卸载至靠近σ3的过程中发生破坏,而当σ3较大时,煤岩倾向于在σ2加载至靠近最大主应力σ1的过程中发生破坏,但破坏时对应的σ2逼近率相近都在70%左右。σ2的加载和卸载作用对煤岩的残余变形甚至破坏具有等效性。随着分级循环σ2幅度的增加,煤岩的总耗散能呈"指数型"增加,煤岩的损伤变量呈现明显的"减速→加速→再减速"的S型变化趋势。分级循环σ2过程中的煤岩平均安全损伤变量阈值为Dc=0.9。

关键词：岩石力学原煤循环中间主应力残余应变能量耗散损伤变量