煤渗透性能及煤与瓦斯突出过程模拟实验研究

论文摘要

煤作为一种复杂的多孔介质,其渗透性能的影响因素众多,而煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中发生的一种极其复杂的动力现象。本文在系统测试分析煤的基本物理力学性质的基础上,利用煤炭科学研究总院重庆研究院自制的三轴渗流仪对4种煤样在三轴应力条件下平均有效应力、温度与瓦斯压力综合作用时煤渗透性能演化规律进行了系统的研究,并利用西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室(重庆大学)研制的煤与瓦斯突出过程模拟试验台探讨了不同瓦斯压力、不同突出口径下的煤与瓦斯突出特性,取得了以下研究成果:1)在三轴应力条件下,随着温度升高及平均有效应力增大,煤层渗透率逐渐降低,同时在长期有效应力作用下,煤样渗透率会降低;相同条件下,煤样视密度越小,其渗透率越大,同时煤样表面孔隙分布的盒维数与其渗透率存在一定的相关性;不同煤样,其平均有效应力敏感系数及温度敏感系数的演化趋势相似,而平均有效应力对煤样瓦斯压力敏感系数演化的影响很小。2)不同条件下的煤与瓦斯突出过程模拟实验表明,在一定条件下,瓦斯压力与突出口径可以影响煤与瓦斯突出的发生以及突出的强度,即煤与瓦斯突出存在瓦斯压力阈值及突出口开口面积阈值,低于此阈值时不会发生突出,只有高于此阈值才会发生突出。在高于此阈值时,随着瓦斯压力或开口面积的增大,突出强度会增加。半圆形开口条件下的实验表明,开口面积对突出强度的影响较明显,同时开口形状也对突出存在重要的影响。3)在突出实验过程中,充气时,煤层温度呈波动式上升,突出发生时,煤层温度降低,降低的速度与突出强度、突出过程持续的时间等因素有关;在突出过程中,煤层“顶板”处的瓦斯压力会迅速下降,下降的速度与突出强度等因素有关;实验条件不同,突出煤样的分布区域存在一定的差异,但突出对煤样均存在粉碎作用;突出孔洞大多呈不规则的梨形等形状,拓取的孔洞模型形态差异较大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 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 煤的基本物理力学性质
• 2.1 孔隙特征分析
• 2.1.1 表面孔隙结构特征
• 2.1.2 内部孔隙结构特征
• 2.2 力学性能测试
• 2.2.1 渗透率实验煤样抗压性能
• 2.2.2 突出实验煤样剪切性能
• 2.3 等温吸附性能测试
• 2.3.1 实验原理与实验步骤
• 2.3.2 等温吸附实验结果与分析
• 2.4 小结
• 3 三轴应力条件下煤的渗透性能实验研究
• 3.1 实验装置与方法
• 3.2 三轴应力条件下煤渗透率演化特征
• 3.3 平均有效应力与温度对渗透率的综合作用
• 3.3.1 温度一定时平均有效应力对渗透率的影响
• 3.3.2 平均有效应力一定时温度对渗透率的影响
• 3.3.3 瓦斯压力一定时平均有效应力对渗透率的影响
• 3.3.4 长期有效应力作用下煤样渗透率变化规律
• 3.3.5 加载历史对煤样渗透率的影响
• 3.4 渗透率敏感系数分析
• 3.4.1 渗透率对平均有效应力敏感系数分析
• 3.4.2 渗透率对温度敏感系数分析
• 3.4.3 渗透率对瓦斯压力敏感系数分析
• 3.5 小结
• 4 煤与瓦斯突出过程模拟实验研究
• 4.1 煤与瓦斯突出过程模拟试验台介绍
• 4.1.1 模拟试验台简介
• 4.1.2 模拟试验台基本结构
• 4.1.3 模拟试验台的操作系统
• 4.2 煤与瓦斯突出模拟实验操作步骤
• 4.3 瓦斯压力对突出影响的模拟实验研究
• 4.3.1 瓦斯压力0.5MPa 下煤与瓦斯突出模拟实验
• 4.3.2 瓦斯压力1.0MPa 下煤与瓦斯突出模拟实验
• 4.3.3 瓦斯压力1.5MPa 下煤与瓦斯突出模拟实验
• 4.4 突出口径对突出影响的模拟实验研究
• 4.4.1 突出口径30mm 下煤与瓦斯突出模拟实验
• 4.4.2 突出口径60mm 下煤与瓦斯突出模拟实验
• 4.4.3 突出口径100mm 下煤与瓦斯突出模拟实验
• 4.4.4 突出口径30mm 与瓦斯压力1.25MPa 下煤与瓦斯突出模拟实验
• 4.5 半圆形突出口下瓦斯压力对突出影响的模拟实验研究
• 4.5.1 瓦斯压力0.75MPa 下煤与瓦斯突出模拟实验
• 4.5.2 瓦斯压力1.25MPa 下煤与瓦斯突出模拟实验
• 4.6 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录