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循环载荷条件下含瓦斯煤渗透率演化规律分析

煤炭科学技术 2024年

作者：王登科冯浩航魏建平陈旭蒋志刚袁修竹白云曹塘根熊文超河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室–省部共建国家重点实验室培育基地河南理工大学安全科学与工程学院煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心四川省煤炭产业集团有限责任公司

为了探究不同循环加卸载条件下含瓦斯煤的渗透演化规律，本文以原煤煤样为研究对象，利用三轴蠕变-渗流实验系统，设计开展了不同围压和不同循环载荷上限条件下的含瓦斯煤循环加卸载实验，研究了弹性循环加卸载和弹塑性循环加卸载条件... 详细信息

为了探究不同循环加卸载条件下含瓦斯煤的渗透演化规律，本文以原煤煤样为研究对象，利用三轴蠕变-渗流实验系统，设计开展了不同围压和不同循环载荷上限条件下的含瓦斯煤循环加卸载实验，研究了弹性循环加卸载和弹塑性循环加卸载条件下含瓦斯煤渗透特性。研究结果表明：对于不同循环载荷上限下的含瓦斯煤，弹性循环加卸载条件下随着循环次数的增加渗透率逐渐减小，绝对渗透率损害率逐渐增大，相对渗透率损害率逐渐减小；弹塑性循环加卸载条件下渗透特性随着循环次数的增加在不同围压下具有差异性，在高围压下含瓦斯煤渗透率依旧随循环进行逐渐减小，在低围压下含瓦斯煤渗透率随着循环进行呈减小-增大趋势。高围压条件下含瓦斯煤渗透率损害率与弹性循环加卸载条件下相似，在低围压下含瓦斯煤的绝对渗透率损害率先是迅速增大随后趋于平稳，相对渗透率损害率先是迅速下降再趋于平稳。在弹性循环加载条件下，加载阶段和卸载阶段含瓦斯煤的渗透率应力敏感性系数均随着循环次数的增加均单调减小，在弹塑性加载条件下，含瓦斯煤的渗透率应力敏感性系数在一定循环次数内仍呈减小趋势，之后随着循环的增加会产生波动和增加。在加载阶段随着循环进行逐渐减小，卸载阶段渗透率应力敏感性系数逐渐增加，但对于弹塑性循环加卸载条件，含瓦斯煤渗透率应力敏感性系数随着围压的增大而降低。

关键词：含瓦斯煤循环载荷应力敏感性渗透性渗透率损害率

循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律研究

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 90-101页

作者：王磊钟浩范浩邹鹏商瑞豪晋康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

为研究循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律,利用MTS816岩石力学试验系统和自主研制的含瓦斯煤气固耦合装置开展循环加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验,分析循环加卸载下煤样强度和变形特性,并结合数字图像相关(DIC)技术探究含... 详细信息

为研究循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律,利用MTS816岩石力学试验系统和自主研制的含瓦斯煤气固耦合装置开展循环加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验,分析循环加卸载下煤样强度和变形特性,并结合数字图像相关(DIC)技术探究含瓦斯煤应变场演化规律。结果表明:①循环加卸载作用下,加卸载曲线之间不重合,形成滞回环,且随着循环次数的增加,滞回环面积逐渐增大,并向着应变增大的方向逐渐移动;不同瓦斯压力的煤样在循环荷载作用下均呈明显的脆性破坏。②循环加卸载作用下,随瓦斯压力升高,煤样峰值强度降低,加载变形模量和卸载变形模量均增大,且卸载变形模量始终大于加载变形模量;随着循环次数的增加,变形模量差值逐渐减小并最终在0~0.1 GPa。③循环加卸载条件下煤样不可逆应变与循环次数之间呈“初始、稳定、加速扩展”的3阶段变化特征,曲线整体从L型向U型趋势发展,累计不可逆应变与循环次数之间呈快速增加、缓慢增加、快速增加的趋势,不可逆应变与累积不可逆应变均随瓦斯压力增大而增加。④在低瓦斯压力下,煤样应变集中区主要为单一竖向应变集中带,随瓦斯压力增大,局部应变集中带逐渐由竖向单一向无序复杂转变;瓦斯压力越大,应变场波动程度越剧烈且剧烈程度主要集中在中部区域;高瓦斯压力下,随瓦斯压力升高,峰值点的个数越多,应变越大。

关键词：循环加卸载含瓦斯煤力学特性数字图像相关(DIC) 应变场演化

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不同含水率条件下含瓦斯煤改进邓肯-张模型

煤矿安全 2024年第1期55卷 22-27页

作者：高霞刘洪陈港庆张保勇吴强黑龙江科技大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022

为建立能够合理反映含瓦斯煤在不同含水率和围压工况下的力学特性模型,首先基于已有的含瓦斯煤常规三轴试验,分析其在不同围压和含水率条件下应力-应变特性;其次结合邓肯-张模型与Janbu公式得到相关的邓肯-张模型参数;然后建立初始弹性... 详细信息

为建立能够合理反映含瓦斯煤在不同含水率和围压工况下的力学特性模型,首先基于已有的含瓦斯煤常规三轴试验,分析其在不同围压和含水率条件下应力-应变特性;其次结合邓肯-张模型与Janbu公式得到相关的邓肯-张模型参数;然后建立初始弹性模量、破坏应力与各影响因素的拟合公式,构建能表征不同应力水平下含瓦斯煤变形规律的改进邓肯-张模型;最后对修正后的模型进行验证,对模型精度进行评价。结果表明:含水率的增加是引起含瓦斯煤模型参数动态变化的重要原因;提出的改进模型预测曲线与实际的试验曲线具有良好的吻合度,该修正模型可以准确反应不同围压和含水率下含瓦斯煤的应力应变特性。

关键词：含瓦斯煤煤变形规律邓肯-张模型 Janbu公式修正模型煤应力应变特性

不同含水率及围压条件下含瓦斯煤能量变化规律

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黑龙江科技大学学报 2024年第2期34卷 180-187页

作者：高霞刘飞杨书朋张保勇吴强黑龙江科技大学建筑工程学院哈尔滨150022 黑龙江科技大学安全工程学院哈尔滨150022

为探究含瓦斯煤变形破坏过程中的能量耗散规律,利用自主研制的煤岩力学性质测试装置,开展含瓦斯煤在不同含水率及围压下的常规三轴试验,基于热力学第一定律,分析含瓦斯煤偏应力-应变曲线不同阶段和特征点处的能量变化规律。结果表明:不... 详细信息

为探究含瓦斯煤变形破坏过程中的能量耗散规律,利用自主研制的煤岩力学性质测试装置,开展含瓦斯煤在不同含水率及围压下的常规三轴试验,基于热力学第一定律,分析含瓦斯煤偏应力-应变曲线不同阶段和特征点处的能量变化规律。结果表明:不同含水率时,围压从12 MPa增大到20 MPa时,对应的弹性能占比增幅分别为60.33%、20.11%和3.86%,弹性能占比、破坏强度和弹性模量均增大,说明围压对含瓦斯煤体的变形破坏具有一定的抑制作用;不同围压时,含水率从1%增加到5%,对应的总能量分别下降25.38%、8.78%和6.23%,总能量、弹性能和破坏强度总体上均减小,导致含瓦斯煤更易破坏。含水率的增大使含瓦斯煤颗粒间摩擦力降低,促进煤颗粒间的相对移动。

关键词：煤与瓦斯突出含瓦斯煤常规三轴试验含水率围压能量变化规律

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含瓦斯煤循环冲击动力学特性与裂隙扩展特征

岩石力学与工程学报 2023年第11期42卷 2628-2642页

作者：王磊王安铖陈礼鹏李少波刘怀谦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 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为探究不同初始瓦斯压力下煤体循环冲击动力学特性及裂隙扩展规律,利用含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统,对煤体开展不同初始瓦斯压力下循环冲击试验,获取含瓦斯煤在循环冲击载荷下的动态应力–应变曲线,分析循环冲击作用下煤体动力学参... 详细信息

为探究不同初始瓦斯压力下煤体循环冲击动力学特性及裂隙扩展规律,利用含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统,对煤体开展不同初始瓦斯压力下循环冲击试验,获取含瓦斯煤在循环冲击载荷下的动态应力–应变曲线,分析循环冲击作用下煤体动力学参数与初始瓦斯压力的关系,并结合CT扫描技术对含瓦斯煤循环冲击前后裂隙扩展过程实现三维可视化与精细化定量表征。研究结果表明:(1)循环冲击载荷下含瓦斯煤动态应力–应变曲线基本相似,分为线弹性阶段、塑性阶段和卸载阶段3个阶段,冲击荷载下的煤体动力学参数随初始瓦斯压力增加均呈下降趋势,且初始瓦斯压力越大,瓦斯弱化侵蚀作用越强;(2)基于CT扫描提取的煤样破坏切片与重构的三维裂隙结果表明,冲击煤体中存在贯穿截面的环形平行裂纹和轴向劈裂贯通裂纹;通过含瓦斯煤二维、三维裂隙特征参数可以有效定量表征裂隙扩展过程,其表征参数均与初始瓦斯压力成正比;高瓦斯压力环境下煤体内部裂隙网络更加复杂,连通度更高,更易发生失稳破坏;(3)基于理论分析从瓦斯侵蚀作用和煤体内应力波传播角度揭示了煤体强度损伤劣化的原因,并结合瓦斯和动荷载对煤体产生的损伤效应,探讨了瓦斯作用下循环冲击煤体发生层裂破坏的原因。研究成果有助于丰富含瓦斯煤动力学理论,对矿井煤与瓦斯突出灾害的防治和预警具有一定的理论参考意义。

关键词：采矿工程含瓦斯煤循环冲击动力学特性 CT扫描裂隙扩展

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冲击荷载下含瓦斯煤能量耗散及损伤破坏规律

岩土力学 2023年第7期44卷 1901-1915页

作者：王磊张帅刘怀谦陈礼鹏朱传奇李少波王安铖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 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为探究冲击荷载下含瓦斯煤体动态响应差异,利用可视化含瓦斯煤分离式霍普金森压杆试验系统,对不同初始瓦斯压力下的煤体进行动态冲击试验,分析了不同瓦斯赋存状态下煤体能量耗散规律,并借助超高速摄像机和数字图像相关(digital image co... 详细信息

为探究冲击荷载下含瓦斯煤体动态响应差异,利用可视化含瓦斯煤分离式霍普金森压杆试验系统,对不同初始瓦斯压力下的煤体进行动态冲击试验,分析了不同瓦斯赋存状态下煤体能量耗散规律,并借助超高速摄像机和数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)技术阐述冲击过程含瓦斯煤表面裂纹演化特征,结合分形理论获得了瓦斯压力对破碎煤体分形特征的影响,揭示了瓦斯赋存状态与破碎煤体特征尺寸的内在联系。结果表明:冲击荷载下,含瓦斯煤体应力-应变曲线基于能量耗散规律大致可分为4个阶段,瓦斯对煤体劣化作用显著,破碎耗能与破碎耗能密度随初始瓦斯压力增加均呈指数函数减小;受瓦斯气楔效应影响,冲击荷载下含瓦斯煤体应变场演化更为复杂,煤体破坏逐步从横向层裂破坏演变为横向层裂-纵向劈裂的复合型破坏;瓦斯压力作用下,煤体内部损伤加剧,破坏失稳后,破碎煤体平均粒径及破碎块度尺寸随初始瓦斯压力增加而逐渐减小,但分形维数呈指数函数增加,煤体破碎程度更加剧烈;构建了基于煤体破碎过程中能量消耗守恒的多维动态含瓦斯煤破碎模型,结合试验数据验证了模型的合理性,可较好地描述受瓦斯影响下的破碎煤样特征尺寸。研究成果对矿井煤岩瓦斯动力灾害防治具有重要的理论意义和一定的应用前景。

关键词：含瓦斯煤冲击荷载能量耗散数字图像相关分形特征破碎模型

基于工业CT扫描和LBM方法的含瓦斯煤裂隙演化与渗流特性研究

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采矿与安全工程学报 2022年第2期39卷 387-395页

作者：王登科田晓瑞魏建平张宏图姚邦华付建华尚政杰吴岩河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 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 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 郑州煤炭工业(集团)有限责任公司河南郑州450000

煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素,分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义。开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验,测试结果表明:含瓦斯煤在加载条件下的变形过... 详细信息

煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素,分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义。开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验,测试结果表明:含瓦斯煤在加载条件下的变形过程大致分为初始裂隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏阶段和残余变形阶段;基于CT扫描技术的裂隙重构真实客观反映了含瓦斯煤三维裂隙场的演化过程;含瓦斯煤渗透率大小与其内部裂隙发育和扩展密切相关,并随变形表现出了先减小后增加,再减小再增加的变化特征。采用格子Boltzmann方法模拟重现了含瓦斯煤全应力-应变过程中内部渗流场的演化规律,并预测了含瓦斯煤的渗透率,预测渗透率平均误差为11.11%。与含瓦斯煤内部裂隙发育程度及演化过程高度吻合,有效揭示了裂隙控制下的含瓦斯煤渗透性演化过程和特征。研究结果可为裂隙煤体瓦斯抽采和煤矿安全生产提供理论支撑。

关键词：含瓦斯煤格子Boltzmann方法 CT扫描裂隙演化瓦斯渗流

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冲击载荷下含瓦斯煤力学特性与破坏特征

采矿与安全工程学报 2023年第6期40卷 1323-1334页

作者：王磊张帅刘怀谦陈礼鹏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 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性和破坏特征,利用含瓦斯煤SHPB试验系统,开展不同瓦斯压力下煤体动态冲击试验,分析含瓦斯煤宏观力学参量随瓦斯压力的变化规律。此外,通过数字图像相关法(DIC)实时观测煤体动态破坏过程,并剖析瓦... 详细信息

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性和破坏特征,利用含瓦斯煤SHPB试验系统,开展不同瓦斯压力下煤体动态冲击试验,分析含瓦斯煤宏观力学参量随瓦斯压力的变化规律。此外,通过数字图像相关法(DIC)实时观测煤体动态破坏过程,并剖析瓦斯气体对煤体破坏模式的影响。研究结果表明:含瓦斯煤动态冲击应力-应变曲线可分为3个阶段,且其峰值强度、峰值应变和动态弹性模量均随初始瓦斯压力增加呈劣化趋势;基于数字图像相关法,发现低瓦斯压力时,应变集中区首先在试样中部出现并沿轴向往两端扩展,逐渐演化为横向主应变集中带,随着初始瓦斯压力的增加,试样应变集中区呈多块区分布,多个应变集中区相互贯通,形成无规则演化趋势的主应变集中带;不同初始瓦斯压力下,煤体均先在中部出现横向层裂裂隙,随后萌生多条次生劈裂裂隙,但随着初始瓦斯压力的增加,次生裂隙数量快速增长,煤体破坏形式由横向层裂破坏转变为横向层裂、纵向劈裂共存的复合型破坏;基于游离态瓦斯和吸附态瓦斯,构建瓦斯压力下煤体裂隙尖端应力强度因子KI(p),并揭示煤层瓦斯压力对煤体力学特性劣化和破坏特征变化的内在机理。

关键词：含瓦斯煤冲击载荷动力学特性数字图像相关(DIC) 裂隙演化应力强度因子

用于动静载下含瓦斯煤损伤机制研究的三轴固气耦合试验仪

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采矿与安全工程学报 2022年第6期39卷 1272-1280页

作者：刘众众王汉鹏袁亮张冰中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 山东大学齐鲁交通学院山东济南250061 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232000 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

煤与瓦斯突出是动静荷载叠加作用下含瓦斯煤的损伤破裂动力效应,研究含瓦斯煤的损伤破坏机制对于深化突出机理、破解突出防治难题意义重大。然而,现有仪器只能对含瓦斯煤进行静力加载,与突出煤层的应力场有很大区别。基于此,自主研发了... 详细信息

煤与瓦斯突出是动静荷载叠加作用下含瓦斯煤的损伤破裂动力效应,研究含瓦斯煤的损伤破坏机制对于深化突出机理、破解突出防治难题意义重大。然而,现有仪器只能对含瓦斯煤进行静力加载,与突出煤层的应力场有很大区别。基于此,自主研发了可用于循环动静组合荷载下含瓦斯煤损伤破坏机制研究的三轴固气耦合试验仪。该仪器由动静加载单元、三轴围压单元、流体注入单元和信息采集单元4个关键单元构成,实现了固气耦合环境下煤样动静组合循环加载和损伤破坏过程中声发射参数的精确测试。利用该仪器开展了不同频率循环动载下煤样损伤劣化试验,试验结果表明:循环动载会对含瓦斯煤的宏观力学参数造成损伤劣化,随着循环动载频率的增大,煤样强度和弹性模量的损伤越大,最大损伤劣化率可达30%~40%;煤样三轴压缩过程中声发射与应力-应变曲线呈明显的耦合效应,对应应力-应变曲线,声发射活动可分为平静期、缓增期、动载稳增期和突增期4个阶段;在不同频率的循环动载下,声发射事件峰值的演化规律与累计事件峰值的演化规律不同,随着动载频率的增加,事件峰值减小,累计事件峰值却增大。该仪器采集的声发射参数可以很准确地表征煤样在动载作用下的损伤演化,并和弹性模量损伤量对比,进一步证明了该仪器用于研究含瓦斯煤损伤破坏机制的可靠性。

关键词：含瓦斯煤固气耦合动静叠加声发射损伤演化