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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

2024-06-27


创新点
含煤地层的地质环境随采深的增加日益复杂多变,煤层开采过程常常会引发各种煤岩动力灾害,严重威胁生产安全。为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律,采用含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统和工业 CT 扫描系统,实现了含瓦斯煤冲击试验、试样裂隙结构的三维重构以及原位渗流测试,得到不同条件下的含瓦斯煤动态力学特性,并对裂隙扩展程度进行量化分析,结合裂隙扩展程度对瓦斯渗流变化进行分析,总结出了含瓦斯煤渗流的3种流动形式及其控制因素,揭示了外部动态扰动载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤影响的内在本质,为矿井煤岩动力灾害防治提供了理论基础。

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冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

作者王登科1, 2, 3,张力元1, 2,魏建平1, 2, 3,都海龙4,李 振5,王志明1,董博文1, 2,张富凯1,尹彦波6,张宏图1, 2, 3,卫彦昭1, 2
单位:1.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;2.河南理工大学 安全科学与工程学院;3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心;4.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司;5.太原理工大学 安全与应急管理工程学院;6.长沙矿山研究院有限责任公司
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

煤炭生产与消费在中国国家能源资源消耗中的占比大,煤炭供应在2025年之前将进一步增加。随着开采深度不断增加,深部含煤地层地质构造交互纵横,地质赋存环境非常复杂。高地应力、高渗透压、高瓦斯压力等复杂地质情况以及钻爆法施工、深孔爆破增透技术等现场作业导致冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩瓦斯复合动力灾害的频发,对深部煤炭安全高效开采带来了巨大威胁。开展含瓦斯煤冲击试验,探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的煤岩动力学特征、裂隙动态扩展及瓦斯渗流演化规律,对煤矿瓦斯动力灾害防治具有重要指导意义。

在煤岩动力学特性研究方面,李夕兵研究了单轴条件下不同类型岩石的动力学性能、破坏特征、损伤与应力波以及能量耗散的关系。李玉涛等分析后认为混凝土动态强度随骨料率和冲击速度的增大而增大,冲击速度影响程度更大。解北京等结合灰色关联理论分析了煤样动力学参数与长径比之间的关联性。王登科等认为煤的动态抗压强度、弹性模量和分形维数随着应变率的增长呈现线性增长趋势。GONG等认为砂岩的动态抗压强度、峰值应变随应变率的增加而增加,其中三轴抗压强度随围压的增加而增加。夏开文等和樊程坤分析后一致认为随着温度的升高,岩石动态抗压强度和动态抗拉强度会普遍降低。YIN等、KONG等和王恩元等研究了含瓦斯煤动力学特性,分析了含瓦斯煤峰值强度、峰值应变与轴围压、动载荷冲击速度以及应变率之间的变化关系。LIU等、丁鑫等和李清川等研究了瓦斯压力影响的煤岩吸附、动力学性质及碎块分布规律,分析了吸附气体对煤岩体力学特性损伤劣化规律。王磊等、赵洪宝等和WANG等研究了瓦斯压力对煤体动力学特性的影响,认为瓦斯压力对煤体强度具有明显劣化作用。

煤岩裂隙扩展及瓦斯渗流演化研究方面,彭守建等[19]研究了煤岩剪切破断面裂纹的开裂扩展演化规律,分析了剪切破断面裂纹分布的分形特征以及渗流应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征。李骐等[20]基于CT扫描技术分别从原位加载、气体性质和孔隙压力方面对煤体内部的裂隙演化进行了研究。KARACAN等认为,瓦斯吸附产生的体积变形会导致煤体宏观自由分子结构发生膨胀。DING等、DUAN等、LI等、WANG等和马国良等开展了不同循环加卸载应力路径下含瓦斯煤的渗流损伤演化特征。郭萍等和赵程等发现动荷载的作用加剧了压剪裂隙的失稳与扩展,含水裂隙随水压的增大由压剪破坏向拉剪破坏转变,动荷载对拉剪破坏的影响大于压剪破坏。薛熠等和HUANG等通过分析考虑开挖损伤对煤岩体渗透率的影响,基于裂隙平板模型建立了考虑损伤效应的峰后煤岩体渗透率模型。GUO等和WU等认为当围压和轴压恒定时,煤样的渗透率随瓦斯压力的增大而逐渐降低;当瓦斯压力和轴压恒定时,随着围压的逐渐增大,煤样的渗透率先降低后升高。徐超等分析了分形维数与煤样内部裂隙结构发育程度之间的关系,并建立了煤的分形渗流模型。荣腾龙等以三向应力条件下的煤体渗透率模型为基础,建立了考虑煤体损伤破裂的指数型渗透率演化模型。NIMA等认为煤中蠕变会造成煤体微观结构的损坏和夹板的封闭从而降低渗透率。

综上所述,目前煤岩力学特性、裂纹扩展及渗流变化等方面的研究都取得了非常丰硕的研究成果,然而关于含瓦斯煤冲击方面的研究相对较少,多数都是基于单轴和三轴压缩在静力学方面的测试分析。而且,目前在煤岩瓦斯渗流研究方面,冲击载荷作用下的原位瓦斯渗流测试分析还鲜有论述。笔者在升级SHPB系统基础上开展了含瓦斯煤冲击动力学试验及原位瓦斯渗流测试,揭示了不同冲击速度和瓦斯压力下的裂隙扩展与瓦斯渗流规律,对动力扰动所引起的煤岩瓦斯复合动力灾害的防治具有重要指导意义。
摘要
 ABSTRACT
为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律,采用含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试,并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构,分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明,冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响,具体表现在:

① 受围压和轴压的影响,冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力−应变曲线无明显压密阶段;含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。

② 冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用,气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数;冲击载荷越大,瓦斯压力越高,含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分,所形成的裂隙结构愈复杂。

③ 含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展,冲击载荷耦合瓦斯压力作用下,含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动−裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式;含瓦斯煤冲击破坏后,随着气体压力增加以及气楔作用的增强,瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动−裂隙流动并存和裂隙流动;裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律,含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

部分图片







图1  含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统


图2   煤样的应力−应变曲线


图3   煤样峰值强度−冲击速度变化关系


图4    煤样峰值强度−瓦斯压力变化关系


表2 不同冲击速度下煤样冲击前后CT扫描图像对比


图 9  煤样横截面切片空间位置


表3 不同瓦斯压力下煤样冲击前后CT扫描图像对比


图10  不同条件下裂隙扩展特征量化参数的变化规律


图 12  不同情况下的莫尔应力圆变化


图15   裂隙扩展对渗流方式的影响


图17  气体压力对煤体裂隙扩展的影响


作者简介


王登科(1980—),男,湖南永州人,中共党员,教授,博士生导师,河南省特聘教授、河南省教育厅学术技术带头人、河南省高等学校青年骨干教师、绿色矿山青年科学技术奖获得者、中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会理事、中国职业安全健康协会瓦斯灾害防治与利用专业委员会青年委员、山西煤炭学会千人智库高级专家、中国有色金属学会深地矿建与资源开发专业委员会委员,《煤炭学报》《煤田地质与勘探》《工程科学学报》《中国矿业大学学报》《矿业安全与环保》(中)青年编委,国家基金评审专家,教育部学位中心评审专家,河南省教育厅评审专家,国内外权威学术期刊审稿专家。出版专著2部,发表论文100余篇,获发明专利授权30余项,获省部级奖励10余项。

研究方向

安全科学与工程、安全检测与监控、煤矿安全、煤层瓦斯(煤层气)流动理论、煤岩动力学、智能矿山

主要成果

提出了煤层瓦斯多机制传输统一模型,准确揭示了煤层孔裂隙内部瓦斯多机制流动机制和流动规律,为煤层瓦斯抽采效果评价及抽采钻孔差异化布置方案提供了依据;自主研发了受载含瓦斯煤水气两相运移规律测试的系列装备,突破了现有实验设备测试技术瓶颈,提高了测试效率,节约了测试成本,获得多项发明专利,提高了试验测试系统的安全可靠性;开发了受载煤岩裂隙扩展原位测试方法与技术,揭示了受载煤岩裂隙结构动态演化过程,构建了受载煤岩损伤本构模型,实现了对受载煤岩裂隙扩展及动态损伤演化的精细表征。相关研究成果达到了国际领先和国际先进水平,并在我国多个矿区进行了推广应用,为煤炭企业节约了成本,提供了技术保障,确保了安全高效生产,经济和社会效益显著。





来源:

王登科,张力元,魏建平,等. 冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析[J]. 煤炭学报202449(3)1432−1446.

  责任编辑:宫在芹

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