煤與瓦斯開采中固-液-氣耦合作用機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在煤與瓦斯開采中,首先是進(jìn)行瓦斯的開采,煤層的滲透性是關(guān)鍵,特別是煤層的瓦斯有效滲透率的研究就顯得尤為重要。瓦斯開采后進(jìn)行煤炭開采,防治煤與瓦斯突出是煤炭開采工作安全開展的重要保障。本文圍繞這兩個(gè)方面開展系列研究工作。應(yīng)用VEGAⅡ LMU可變真空掃描電鏡,對無煙煤孔隙一裂隙表面形態(tài)與發(fā)育程度進(jìn)行分析。應(yīng)用ASAP2020系列全自動比表面及孔隙度分析儀,對無煙煤孔隙孔徑分布進(jìn)行分析。對無煙煤的真密度、干塊體密度和孔隙率進(jìn)行測定,結(jié)合5E

2、-MACⅢ紅外快速煤質(zhì)分析儀對煤樣工業(yè)分析的結(jié)果,應(yīng)用重慶大學(xué)自行研制的“煤層氣高壓吸附解吸裝置”,開展了不同含水率無煙煤等溫吸附甲烷試驗(yàn)。自主研制了“含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流實(shí)驗(yàn)裝置”,對沁水盤地二迭系下統(tǒng)山西組下部3＃煤層和重慶松藻煤電有限責(zé)任公司打通一礦7＃煤層制備的煤樣進(jìn)行了力學(xué)和甲烷滲流試驗(yàn)研究。利用“含瓦斯煤體力學(xué)試驗(yàn)可視裝置”和聲發(fā)射儀進(jìn)行了煤巖破裂過程裂紋演化及聲發(fā)射試驗(yàn)研究。主要研究成果如下:
　　 ①自

3、主研制了“含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流實(shí)驗(yàn)裝置”,該裝置彌補(bǔ)了國內(nèi)現(xiàn)有滲流實(shí)驗(yàn)裝置存在的不足,并利用該裝置對含瓦斯煤巖(成型煤樣和天然煤樣)的瓦斯?jié)B流特性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。
　　 ②無煙煤孔隙一裂隙的分布呈現(xiàn)明顯的層理相關(guān)性。無煙煤的總孔體積與比表面積呈正相關(guān)線性關(guān)系。無煙煤的吸附能力與其比表面積(總孔體積)成正相關(guān)關(guān)系。無煙煤各種孔徑的孔隙對其表面積增量和孔體積增量貢獻(xiàn)不同。
　　 ③隨著煤樣含水率增大,無煙煤吸

4、附甲烷量減小,且無煙煤吸附甲烷量的降低量也在減小。無煙煤吸附平衡時(shí)的瓦斯吸附量在充氣壓力較小時(shí)增加較快,上升的幅度較大;當(dāng)充氣壓力超過3MPa以后,瓦斯吸附量增加幅度變小、趨平。給出了水分影響無煙煤的吸附校正系數(shù)。
　　 ④提出了滲流孑L隙。探討了煤層的含水率和有效應(yīng)力對煤層瓦斯有效滲透率影響的機(jī)理。隨著煤層含水率的提高,煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性呈減小趨勢。在恒定溫度和有效應(yīng)力條件下,隨著煤樣含水率的減小,甲烷有效滲透率增大;在恒定溫

5、度和含水率條件下,隨著煤樣所受有效應(yīng)力的增大,甲烷有效滲透率減小。煤體的含水率和所受有效應(yīng)力與甲烷有效滲透率關(guān)系可用線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)組成的復(fù)合函數(shù)表述。建立了考慮煤基質(zhì)收縮效應(yīng)和滑脫效應(yīng)的氣、水相相對滲透率一般表達(dá)式。
　　 ⑤煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度與堅(jiān)固性系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。煤巖在瓦斯環(huán)境中的強(qiáng)度比無瓦斯時(shí)小,瓦斯對煤巖的強(qiáng)度有蝕損作用。煤巖破壞形式為脆性破壞。
　　 ⑥研究了煤巖單軸全應(yīng)力一應(yīng)變曲線和煤巖裂紋演化圖像。煤

6、樣的破壞形式與原始裂紋的分布情況具有較大關(guān)系,主裂紋的形成往往是按原始裂紋的方向,沿軸向加載方向擴(kuò)展。采用斷裂力學(xué)的相關(guān)理論對典型裂隙的開裂、擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　 ⑦研究了煤巖單軸全應(yīng)力—應(yīng)變曲線和煤巖聲發(fā)射的變化規(guī)律。理論分析了含瓦斯煤巖破裂過程聲發(fā)射率同損傷擴(kuò)展速率的關(guān)系,建立了含瓦斯煤巖聲發(fā)射率同損傷擴(kuò)展速率之間的定量關(guān)系式;理論分析了含瓦斯煤巖破裂過程聲發(fā)射與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系,建立了含瓦斯煤巖破裂過程聲發(fā)射與應(yīng)力、

7、應(yīng)變的關(guān)系式。
　　 ⑧首次開展含瓦斯煤巖卸圍壓滲流全程測試實(shí)驗(yàn),煤巖滲透率的變化與煤巖的變形損傷密切相關(guān)。分析了(卸圍壓路徑1)卸圍壓開始后煤巖應(yīng)力—應(yīng)變—滲透率變化規(guī)律。得到了卸圍壓開始后煤巖應(yīng)力平臺階段的時(shí)間與卸圍壓速度呈冪函數(shù)關(guān)系。卸圍壓速度越大,煤巖維持在應(yīng)力平臺階段的時(shí)間越短,越容易失穩(wěn)破壞。卸圍壓開始后煤巖在應(yīng)力平臺階段的滲透率與卸圍壓時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。卸圍壓速度越大,煤巖的滲透率增大的越快。對比了卸圍壓路徑2和