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采动裂隙岩体压剪渗透规律试验研究

岩土力学 2017年第9期38卷 2473-2479页

作者：张文泉袁久党王忠昶朱纪明山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590 大连交通大学土木与安全工程学院辽宁大连116028

根据采动过程中裂隙岩体的应力变化,用法向载荷、剪切载荷和渗透水压分别模拟开采过程中采场的水平应力、垂向应力和水头压力,应用JAM-600型剪切-渗流耦合试验系统对裂隙岩体进行压剪-渗流藕合试验,探讨在恒定法向荷载(CNL)和法向刚度(C... 详细信息

根据采动过程中裂隙岩体的应力变化,用法向载荷、剪切载荷和渗透水压分别模拟开采过程中采场的水平应力、垂向应力和水头压力,应用JAM-600型剪切-渗流耦合试验系统对裂隙岩体进行压剪-渗流藕合试验,探讨在恒定法向荷载(CNL)和法向刚度(CNS)条件下,裂隙岩体的法向载荷、裂隙粗糙度与渗透水压对试样的位移、应力和渗流性的影响规律,分析剪切位移大小和岩体裂隙的剪胀特性对裂隙岩体的剪切应力、法向位移、节理水力开度及渗透率影响规律。研究表明:剪切应力和水头压力对裂隙水力开度起促进作用,水平地应力对水力开度变化起抑制作用。随着剪切位移变化,水力开度可分为变小或持平、增大、稳定3个阶段。裂隙表面粗糙度越大,裂隙岩体的刚度越小,则水力开度最终稳定值越大。由于裂隙岩体的剪胀作用渗透率先变小后增大,剪切位移增大,渗透率增大;法向荷载增大,试件的渗透率越小;裂隙表面越粗糙,其渗透率越大,其研究结果可为岩体透水通道形成时的孕育、萌生和爆发的导渗灾变演化过程提供理论基础。

关键词：采动裂隙压剪-渗流耦合剪胀水力开度粗糙度

采动裂隙缩径后端抽采气流中煤岩颗粒沉积规律研究

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煤矿安全 2024年第4期55卷 66-71页

作者：王光雄杨英兵戴宇航马灵军问小江刘应科国能神东煤炭集团有限责任公司通风研究中心内蒙古鄂尔多斯017209 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

井孔瓦斯抽采过程中抽采气流所携带的煤岩颗粒易在采动裂隙内沉积,严重降低了井孔瓦斯抽采流量,掌握裂隙内颗粒沉积特性是提高井孔瓦斯抽采流量的重要基础。开展了含缩径的裂隙内颗粒运移沉积实验,研究了抽采气流影响下颗粒在越过缩径... 详细信息

井孔瓦斯抽采过程中抽采气流所携带的煤岩颗粒易在采动裂隙内沉积,严重降低了井孔瓦斯抽采流量,掌握裂隙内颗粒沉积特性是提高井孔瓦斯抽采流量的重要基础。开展了含缩径的裂隙内颗粒运移沉积实验,研究了抽采气流影响下颗粒在越过缩径后的颗粒沉积床演化规律,分析了抽采气速和缩径特征参数对采动裂隙缩径后端颗粒沉积规律和抽采局部阻力的影响。结果表明:裂隙缩径后端颗粒沉积床呈现2种演化规律;当颗粒沉积床沿气流方向呈“V”形分布时,颗粒沉积床沉积高度呈现先快速增大后缓慢减小的演化规律;当颗粒沉积床沿气流方向呈“?”形的颗粒沉积床时,沉积高度呈现先缓慢增大后缓慢减小的演化规律;此外,随着裂隙内颗粒床的发展,裂隙缩径后端的局部阻力变化可分为初期稳定阶段、快速发展阶段和最终稳定阶段;初期稳定阶段演化时间随抽采气速的增大或缩径比减小而缩短;快速发展阶段演化时间随抽采气速的增大或缩径比增大而缩短。

关键词：瓦斯抽采采动裂隙裂隙缩径颗粒沉积气固两相流

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采动裂隙扩展规律及渗透特性分形研究

煤炭学报 2019年第12期44卷 3729-3739页

作者：梁涛刘晓丽王思敬航天建筑设计研究院有限公司北京100162 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点试验室北京100084 中科院地质与地球物理研究所北京100029

采用水岩相似材料模拟试验研究了不同荷载、岩层性质及开采速度等因素影响下煤层开采后覆岩垮落及裂隙演化特征。基于分形理论,得到了采动裂隙随开采进程在采煤工作面不同分区内的分形演化规律,并根据采动裂隙分布推导了裂隙岩体分形渗... 详细信息

采用水岩相似材料模拟试验研究了不同荷载、岩层性质及开采速度等因素影响下煤层开采后覆岩垮落及裂隙演化特征。基于分形理论,得到了采动裂隙随开采进程在采煤工作面不同分区内的分形演化规律,并根据采动裂隙分布推导了裂隙岩体分形渗流公式,得到了渗透系数随开采进程及裂隙扩展的关联性演化规律及其相应的理论公式。在此基础上,利用大型相似材料物理模型试验,通过对采动影响下上覆岩层垮落后的裂隙网络物理模型进行钻孔电视成像,得到采动裂隙分布,并应用推导的渗透系数关联演化理论公式计算出含裂隙网络的模型试验介质的渗透系数,同时,利用钻孔注水试验验证了渗透系数理论模型的正确性。研究表明,采动裂隙在水平方向分布类似“W”形;而在垂直方向,总体上分形维数随高度增加而减小,减小幅度为4.32%~11.40%。然而在裂隙带与弯曲带交接部位,由于离层裂隙的存在,使分形维数较垮落带增大约3.47%。采动裂隙渗透系数与采动裂隙分布相关,在水平向上大体呈“V”形分布,总体上中间分区渗透系数相对较低,两端分区渗透系数相对较高。随着竖向分区增高,渗透系数逐渐减小,在裂隙带和弯曲带交接部位离层裂隙发育,使该区域渗透系数显著增大。本文推导的采动裂隙渗透系数关联演化理论公式,是定量研究采动影响下上覆岩层的渗透特性变化有益尝试。

关键词：采动裂隙裂隙演化分形维数物理模型试验渗透特性

覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

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煤炭学报 2023年第2期48卷 750-762页

作者：胡国忠李康许家林贾丽明王晓振秦伟谢建林中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦... 详细信息

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术,使工作面采空区瓦斯抽采率平均提高了57.5%,有效保障了工作面的安全开采。

关键词：采动裂隙空间形态覆岩运动监测精准抽采煤与瓦斯共采关键层

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采动裂隙形态响应及覆岩渗透性演变试验研究

煤炭科学技术 2020年第11期48卷 135-140页

作者：孔胜利贾音程远平宋雨晴杨洋上海应用技术大学城市建设与安全工程学院上海201418 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

采场覆岩岩层移动和裂隙发育产生的卸压增透作用是实现瓦斯高效抽采的保障,为了探究回采中采动裂隙的分布和覆岩渗透性的演变,基于相似模拟技术,分析了裂隙的形态响应过程,并利用瞬态流量法以空气为介质对覆岩渗透性进行了测试,研究结... 详细信息

采场覆岩岩层移动和裂隙发育产生的卸压增透作用是实现瓦斯高效抽采的保障,为了探究回采中采动裂隙的分布和覆岩渗透性的演变,基于相似模拟技术,分析了裂隙的形态响应过程,并利用瞬态流量法以空气为介质对覆岩渗透性进行了测试,研究结果表明:裂隙布展在频数上,近开切眼区域高于采场内部;在形态上,裂隙角度多集中在水平夹角0°~10°、90°~110°和170°~180°三个区域,近开切眼区域裂隙角度与岩层卸压角表现出一致性,而在采场内部裂隙角度多以正交方向为主。回采过程中,测点流量数据与采动影响密切相关,水平方向上各测点流量均经历了波动—激增—稳定3个阶段,而垂向上流量激增阶段较不明显,最终稳定流量与测点与回采层位层间距呈负相关。利用数据拟合,获得了描述覆岩渗透性与层间距关系的三参数对数式,并对各参数的物理意义进行了解释。研究成果可对瓦斯抽采的工程参数布置提供一定的指导。

关键词：采动裂隙渗透性层间距瓦斯抽采

基于采动裂隙区域分布特征的定向钻孔空间位置研究

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采矿与安全工程学报 2022年第4期39卷 817-826页

作者：郭明杰郭文兵袁瑞甫赵高博白二虎李国富河南理工大学能源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 煤与煤层气共采国家重点实验室山西晋城048000

采用定向钻孔抽采采空区卸压瓦斯是矿井工作面瓦斯治理的一种重要方法,其在覆岩布置层位区域的准确确定是实现稳定高效抽采的关键。以焦煤古汉山矿16031工作面为工程背景,采用物理相似模拟、理论分析和现场试验的方法分析了覆岩采动裂... 详细信息

采用定向钻孔抽采采空区卸压瓦斯是矿井工作面瓦斯治理的一种重要方法,其在覆岩布置层位区域的准确确定是实现稳定高效抽采的关键。以焦煤古汉山矿16031工作面为工程背景,采用物理相似模拟、理论分析和现场试验的方法分析了覆岩采动裂隙分区演化特征及不同层位定向钻孔的稳定性,在对覆岩裂隙分布进行区域划分的基础上,确定了结构裂隙区(上山侧)为布置瓦斯抽采定向钻孔的最佳区域,进而给出了区域内的核心布置范围,并推导了结构裂隙区空间位置边界理论计算公式。通过现场工程试验测试,结果表明:从各定向钻孔抽采数据判定的相应区域边界与理论计算公式相符,布置于结构裂隙区核心位置范围内的定向钻孔对采空区卸压瓦斯进行了有效抽采,其单孔瓦斯抽采纯量最高可达5.5 m~3/min,验证了理论界定结构裂隙区空间位置边界及确定定向钻孔布置核心范围的实用性与合理性。研究成果对矿井预防瓦斯灾害事故、实现瓦斯高效抽采具有重要实际意义。

关键词：采动裂隙区域分布瓦斯抽采定向钻孔空间位置

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采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理

煤炭学报 2015年第4期40卷 774-780页

作者：张东明齐消寒宋润权尹光志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 川煤集团芙蓉公司白皎煤矿四川珙县644501

采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明:采动影响下裂隙煤岩... 详细信息

采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明:采动影响下裂隙煤岩体的渗透率与裂隙宽度、裂隙贯通情况、裂隙不平整度、裂隙间距裂隙法向刚度和采动应力等有关,裂隙煤岩体瓦斯流动与其裂隙发育情况有着极其密切的关系,瓦斯渗透率与裂隙宽度呈正相关,与裂隙间距呈负相关。基于工作面煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动耦合作用,依据裂隙煤岩体瓦斯渗流定律,构建了裂隙煤岩体采动应力-瓦斯渗透的力学模型,揭示了裂隙煤岩体的采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合机理。

关键词：采动裂隙采动应力瓦斯流动裂隙煤体滲透率

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采动裂隙缩径下风区颗粒沉积行为研究

采动裂隙缩径下风区颗粒沉积行为研究

作者：戴宇航中国矿业大学

学位级别：硕士

采动裂隙带瓦斯抽采是一种高效的瓦斯治理方法。然而抽采过程中,受重力和阻力影响,抽采气流所携带的煤岩颗粒会在采动裂隙内沉积,特别是在裂隙缩径等变形区域,颗粒物更容易沉积,从而降低裂隙透气性,严重影响瓦斯抽采工作。因此,为防治... 详细信息

采动裂隙带瓦斯抽采是一种高效的瓦斯治理方法。然而抽采过程中,受重力和阻力影响,抽采气流所携带的煤岩颗粒会在采动裂隙内沉积,特别是在裂隙缩径等变形区域,颗粒物更容易沉积,从而降低裂隙透气性,严重影响瓦斯抽采工作。因此,为防治煤岩颗粒堵塞裂隙,提高瓦斯抽采效果,本文通过物理实验和数值模拟研究了采动裂隙缩径下风区的颗粒沉积行为,取得的主要研究成果如下:(1)搭建了采动裂隙内颗粒沉积实验系统,研究了颗粒在缩径下风侧裂隙中的运移、沉积特性,分析了颗粒沉积带在裂隙内的时空演化规律,研究发现沉积带形态主要为边界向缩径方向凸起的“?”字形沉积或边界向气流方向凹陷的“V”字形沉积。在沿风流方向上,沉积带高度具有区域分布的特征:当沉积带边界向缩径方向凸起时,靠近裂隙中线区域的沉积高度变化为“先快速增大后缓慢减小”,靠近裂隙侧边区域的沉积高度变化为“先缓慢增大后缓慢减小”;而当沉积带边界转变为向气流方向凹陷时,靠近裂隙中线区域和侧边区域的沉积高度变化会相互转换。(2)研究了气体流速、固气比、缩径比和缩径角度对缩径下风侧裂隙内气流局部阻力增量的影响,研究表明:局部阻力增量与颗粒沉积规模和气体流速正相关。当气速变化时,气速越大,沉积规模反而越小,在二者的共同作用下,气速由0.90 m/s增至1.05 m/s时,气速增大的影响更深,局部阻力增量上升,气速由1.05 m/s增至更大时,沉积规模缩小的影响更深,局部阻力增量下降;当气速不变时,局部阻力增量只和沉积规模有关,增大固气比或减小缩径比、缩径角度都会扩大沉积规模,从而使局部阻力增量上升。此外,气体流速对裂隙气流局部阻力增量的影响远大于其他因素。(3)研究了缩径下风侧裂隙内气流局部阻力的变化情况,将沉积带的发展过程分为初期稳定阶段、快速发展阶段和最终稳定阶段。分析了不同因素对各阶段时长的影响,发现当固气比不变时,初期稳定阶段时长和快速发展阶段时长分别与缩径上风区最终沉积规模和缩径下风区最终沉积规模正相关:减小气速或增大缩径比、缩径角度,缩径上风区沉积规模扩大,初期稳定阶段时长加长;减小气速、缩径比或缩径角度,缩径下风区沉积规模扩大,快速发展阶段时长加长。而当固气比变化时,颗粒自身沉降速度会随之变化,在沉积规模和颗粒沉降速度二者的共同作用下,固气比越大,初期稳定阶段时长越短,快速发展阶段时长则越长。(4)研究了采动裂隙内的流场特性和颗粒在裂隙内的运动特性,发现裂隙气流阻力和缩径处射流速度都与气体流速、缩径比和缩径角度成正相关。揭示了不同因素对裂隙内颗粒运动的影响规律:气体流速越大,颗粒在与缩径碰撞后的运动方向越偏向竖直方向;缩径角度越大,碰撞后的运动方向就越偏向来风方向,颗粒也越难通过缩径;缩径比越大,颗粒群受到缩径的碰撞作用越强。本论文共有图72幅,表6个,参考文献76篇。

关键词：瓦斯抽采采动裂隙颗粒沉积缩径气固两相流

工作面覆岩采动裂隙演化规律物理及数值模拟研究

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采矿与岩层控制工程学报 2023年第2期5卷 13-22页

作者：王婉洁高富强煤炭科学研究总院有限公司出版传媒集团北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院) 北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013

了解工作面推进过程中采动裂隙的演化规律对于煤层气抽采及瓦斯控制至关重要。采用相似模拟和数值模拟的方法研究了工作面推进过程中采空区覆岩采动裂隙的演化规律,研究结果表明:采空区中部和采空区边界处靠近巷道的区域上覆岩层的采动... 详细信息

了解工作面推进过程中采动裂隙的演化规律对于煤层气抽采及瓦斯控制至关重要。采用相似模拟和数值模拟的方法研究了工作面推进过程中采空区覆岩采动裂隙的演化规律,研究结果表明:采空区中部和采空区边界处靠近巷道的区域上覆岩层的采动裂隙存在截然不同的变化规律。采空区中部区域,上覆岩层的采动裂隙随着工作面的移进及越过呈现“迅速增加—逐步减低—稳定”的变化规律;采空区边界靠近巷道的区域,呈现“迅速增加—稳定”的变化规律。远离开切眼、靠近巷道的采空区上覆岩层采动裂隙发育最为充分;工作面走向平行于最大水平主应力时的各区域采动裂隙发育,显著高于工作面走向垂直于最大水平主应力时的;较硬直接顶对于提高采动裂隙渗透率有积极作用。

关键词：采动裂隙瓦斯抽采相似模拟数值模拟