含瓦斯煤岩卸围压实验及上解放层解放范围的研究

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在煤矿开采活动中,瓦斯治理至关重要,而含瓦斯煤岩的渗透特性又是瓦斯治理的首要及关键问题,只有了解含瓦斯煤体的渗透特性才可以有针对性的进行瓦斯抽放,才能有效解决或缓解煤与瓦斯突出的危险。本文应用“含瓦斯煤岩三轴伺服渗流装置”,通过实验模拟原始应力场,研究了原煤在地应力场中的瓦斯渗流特性,对型煤试件进行了不含瓦斯以及含瓦斯条件下的卸围压试验。采用ABAQUS数值模拟软件,研究了上解放回采后,被解放煤层的应力场大小分布规律,结合现场实测的各项根据,分析了被解放煤层的卸压效果。取得的主要研究成果如下。①通过对轴向应力和围压的加、卸载,研究了软煤在地应力场中的瓦斯渗流特性,研究结果表明,软煤在加载过程中,其渗透率与有效应力之间的关系符合负指数函数关系,在卸载过程中,煤岩渗透率与有效应力间的关系符合幂函数关系,此外,通过反复的加卸载试验,结果表明,煤岩在经过2~3次循环后,其应变在以后的循环载荷过后变化很小,从渗透率来看,煤岩在经过前2~3次循环后,再进行循环加卸载,其渗透率几乎没有变化。②以原煤为研究对象,采用“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置”对原煤渗透率的主要影响因素(轴压、围压和瓦斯压力)进行了试验研究,并拟合了煤岩渗透率与轴压(围压、瓦斯压力)的函数关系。③以型煤为研究对象,采用“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置”进行含瓦斯煤岩的卸围压试验,研究煤岩在不同围压、不同初始轴向应力和不同卸围压速率的组合条件下,煤岩力学特性和瓦斯渗流特性,在该实验中,首先实验得到煤岩在不同围压条件下轴向应力-轴向应变的控制曲线,以此为基础,确定煤岩在不同围压条件下的屈服应力,从而确立卸围压试验中的卸围压开始时的初始轴向应力,对含瓦斯煤岩进行屈服前的卸围压试验,得到含瓦斯煤岩在不同围压、不同初始轴向应力及不同卸围压速率的组合条件下的力学及瓦斯渗流特性,总结出了含瓦斯煤岩在卸围压过程中,轴向应力平台与卸围压速率或初始轴向应力的关系,获得了含瓦斯煤岩的渗透率、应变、变形模量和泊松比在卸围压过程中的变化规律并采用多项式的形式拟合了煤岩渗透率与时间的关系。④采用“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置”对型煤进行峰后卸围压的试验研究,针对不同围压条件下的型煤试件,采用位移加载方式,将试件的轴向应力加至峰值应力后,转为力控制,并保持轴向应力恒定后以一定的卸围压速率进行煤岩峰后卸围压试验,研究峰后卸围压条件下煤岩的力学和瓦斯渗流特性的规律,并与峰前卸围压试验的结果进行对比分析。⑤应用有限元软件ABAQUS,对上解放层回采后,被解放煤层应力场的大小及分布规律进行模拟分析,此外,通过对四川煤炭产业集团的白皎煤矿206区现场试验,现场观测上解放层回采过程中被解放煤层K1、K3的瓦斯压力、瓦斯含量及煤岩透气性系数,结合数值模拟的结果,分析了被解放层的卸压效果并确定了解放范围。
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