力热耦合作用下含瓦斯煤力学特性与渗流特性的实验研究

论文摘要

煤与瓦斯突出是煤矿生产中遇到的一种极其复杂的矿井动力现象,它能在极短的时间内由煤体向巷道或采场空间抛出大量的煤炭和瓦斯气体,造成人员伤亡和财产损失,然而目前对煤与瓦斯突出的产生机理并不十分明确,因此,综合开展温度、应力、瓦斯压力等因素对煤的力学特性与渗流特性等方面的研究对防治煤与瓦斯突出灾害具有十分重要的意义。本文以山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司赵庄矿和寺河矿煤样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服实验装置,进行了不同温度、不同有效应力、不同瓦斯压力条件下的渗透率测试实验以与不同温度、不同围压、不同瓦斯压力条件下的三轴压缩实验,系统地研究了温度、应力、瓦斯压力对含瓦斯煤样力学特性与渗流特性的影响规律。通过本文研究,取得了如下研究成果:1)实验研究了温度、围压、瓦斯压力对含瓦斯煤力学特性的影响规律,结果表明:当围压和瓦斯压力保持恒定时,随着温度的升高,含瓦斯煤的轴向应变、径向应变逐渐增大,体积应变逐渐减小,破坏角逐渐增大,三轴抗压强度、弹性模量、泊松比逐渐降低;当瓦斯压力和温度保持恒定时,随着围压的增大,含瓦斯煤的应变量逐渐减小,三轴抗压强度和弹性模量逐渐增大,泊松比则逐渐减小;当围压和温度保持恒定时,随着瓦斯压力的升高,煤样变形的塑性特征更突出,破坏角增大,煤样也越破碎,三轴抗压强度、弹性模量逐渐降低,泊松比逐渐增大;2)实验研究了温度、有效应力、瓦斯压力对含瓦斯煤渗透特性的影响规律,结果表明:当有效应力和瓦斯压力保持恒定时,随着温度的升高,渗透率逐渐减小;当温度和瓦斯压力保持恒定时,随着有效应力的增大,渗透率逐渐减小;当温度和有效应力保持恒定时,随着瓦斯压力的增大,渗透率逐渐增大。在对实验结果进行分析的基础之上,初步提出了温度、有效应力、瓦斯压力对含瓦斯煤渗透率的影响机理,即:温度升高,使得煤固体骨架膨胀,试件内部孔隙裂隙体积减小,瓦斯渗流通道减小,渗透率减小;有效应力增大,煤体孔隙裂隙被压缩,导致渗透率逐渐减小;瓦斯压力增大,推动瓦斯渗流的驱动力增大,渗透率增大;3)在研究温度对含瓦斯煤渗透率的影响时,定义了温度敏感性系数,通过温度敏感性系数的定义可以有效地排除因试件个体差异而产生的影响,客观地反映出温度对含瓦斯煤渗透率的影响程度,结果表明,当有效应力和瓦斯压力保持恒定时,随着温度的升高,温度敏感性系数逐渐降低,即温度对渗透率的影响程度逐渐降低;4)在对含瓦斯煤三轴压缩过程中渗流速度随试件应变的演化规律进行研究时发现,渗流速度的变化滞后于应变变化,即渗流速度存在滞后效应。于是,文章对渗流速度的滞后效应展开了定量研究,首先,分别定义了“试件体积最小时的滞后量”和“试件宏观破坏时的滞后量”作为滞后效应的客观反映,接着,计算得到不同实验条件下型煤试件和原煤试件的两个滞后量的数值,并初步分析了渗流速度滞后效应的产生机理,即滞后效应的产生不仅仅是由于瓦斯气体在试件和管道中流动需要时间所致,在试件压缩过程中,煤固体颗粒的缓慢滑移、错动也是造成滞后效应的主要原因之一;5)在对含瓦斯煤的力学特性和渗流特性进行研究时,将型煤试件和原煤试件的实验结果进行了对比,结果显示:在相同实验条件下,型煤试件的应变量要大于原煤试件,三轴抗压强度、弹性模量均要小于原煤试件,泊松比要大于原煤试件;在相同实验条件下,型煤试件的渗透率要明显大于原煤试件;原煤试件对温度的敏感性比型煤试件强;在三轴压缩过程中,型煤试件渗流速度的滞后效应比原煤明显。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 温度对煤岩力学性质的影响
• 1.2.2 温度对煤层瓦斯渗流特性的影响
• 1.2.3 应力对煤层瓦斯渗流特性的影响
• 1.2.4 瓦斯压力对煤层瓦斯渗流特性的影响
• 1.2.5 三轴压缩过程中渗流速度演化规律的研究
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 实验方法
• 2.1 煤样的采集与加工
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验方案与实验步骤
• 2.3.1 含瓦斯煤渗流特性实验方案与实验步骤
• 2.3.2 含瓦斯煤三轴压缩实验方案与实验步骤
• 3 力热耦合作用下含瓦斯煤的力学特性
• 3.1 温度对含瓦斯煤力学特性的影响
• 3.1.1 温度对含瓦斯煤变形破坏的影响
• 3.1.2 温度对含瓦斯煤力学参数的影响
• 3.2 应力对含瓦斯煤力学特性的影响
• 3.2.1 应力对含瓦斯煤变形破坏的影响
• 3.2.2 应力对含瓦斯煤力学参数的影响
• 3.3 瓦斯压力对含瓦斯煤力学特性的影响
• 3.3.1 瓦斯压力对含瓦斯煤变形破坏的影响
• 3.3.2 瓦斯压力对含瓦斯煤力学参数的影响
• 3.4 本章小结
• 4 力热耦合作用下含瓦斯煤的渗透特性
• 4.1 温度对含瓦斯煤渗透特性的影响
• 4.1.1 含瓦斯煤渗透率随温度的变化规律
• 4.1.2 温度对含瓦斯煤渗透率的影响机理
• 4.2 应力对含瓦斯煤渗透特性的影响
• 4.2.1 含瓦斯煤渗透率随应力的变化规律
• 4.2.2 应力对含瓦斯煤渗透率的影响机理
• 4.3 瓦斯压力对含瓦斯煤渗透特性的影响
• 4.3.1 含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的变化规律
• 4.3.2 瓦斯压力对含瓦斯煤渗透率的影响机理
• 4.4 三轴压缩过程中含瓦斯煤渗透特性随应变的演化规律
• 4.4.1 含瓦斯煤渗透特性随轴向应变的演化规律
• 4.4.2 含瓦斯煤渗透特性随体积应变的演化规律
• 4.5 本章小结
• 5 渗透率的温度敏感性与渗流速度滞后效应初探
• 5.1 含瓦斯煤渗透率的温度敏感性分析
• 5.1.1 温度敏感性系数的定义
• 5.1.2 含瓦斯煤渗透率的温度敏感性分析
• 5.1.3 关于含瓦斯煤渗透率温度敏感性系数适用性的讨论
• 5.1.4 型煤和原煤渗透率的温度敏感性的比较
• 5.2 三轴压缩过程中瓦斯渗流速度的滞后效应
• 5.2.1 三轴压缩过程中渗流速度滞后效应的提出
• 5.2.2 三轴压缩过程中渗流速度滞后效应的普遍性
• 5.2.3 渗流速度滞后效应的定量研究
• 5.2.4 型煤和原煤渗流速度滞后效应的比较
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在学习期间发表的论文
• B 作者在学习期间参加的科研项目