采动影响下含瓦斯煤力学渗流特性及声发射特征试验研究

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煤炭一直是我国能源生产中占比最大的一部分,近几年来,随着国家经济建设对煤炭资源需求的增加,加之我国煤炭资源储量分布特点为西多东少,西北地区必将是以后我国煤矿开采的重地,特别的新疆地区的煤炭储量尤为丰富。近年来,随着新疆地区的煤矿开采力度和深度都在逐年增大,工作面发生瓦斯煤岩动力灾害的现象日益突出。由于工作面前方煤岩体受采动的影响,应力发生重新分布,煤岩体的力学特性和瓦斯渗透特性都随之发生改变。为此,本文采用实验研究的方法首先对煤样的微观结构进行了研究,掌握了实验煤样的孔隙连通性,为后续研究提供基础微观支撑;其次利用煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸实验装置和声发射监测装置组成含瓦斯煤渗流及声发射实验系统,根据采动应力影响下煤岩的应力路径,开展了不同初始轴压围压条件下先加轴压后卸围压、不同初始轴压围压条件下同时加轴压卸围压、不同瓦斯压力条件下同时加轴压卸围压条件下含瓦斯煤力学特性、渗流特性及声发射特征试验研究,本文主要研究成果如下:(1)通过扫描电镜观察可知,新疆艾维尔沟矿区煤样表面有少量的矿物质填充,部分孔裂隙之间相互贯通;通过核磁共振实验得知,三个试验煤样的平均孔隙度为1.41%,平均可动流体饱和度为56.65%,孔隙之间的连通性较好,易于瓦斯在煤体内部流动运移,煤样整体渗透性较好。(2)含瓦斯煤的抗压强度和变形与加卸载条件有如下关系:不同初始围压条件下,煤样的抗压强度随着初始围压的增大而增大;不同瓦斯压力条件下,煤样的抗压强度随着瓦斯压力的升高而降低,瓦斯压力由1MPa增加到2MPa、4MPa时,煤样抗压强度由46.15MPa降低到45.87MPa、44.62MPa,表明了吸附瓦斯压力越大,煤样在经吸附饱和之后膨胀变形越严重,致使煤样脆性增大,抗压强度降低;同时加轴压卸围压条件下试验煤样失稳破坏时刻径向应变更大,表明该路径下煤样破坏更剧烈,内部损伤更严重。(3)在一定瓦斯压力条件下,煤样渗透率随初始轴压和围压的增加呈指数函数关系减小;煤样在失稳破坏过程中的渗透率最低值随初始轴压和围压的增加呈指数关系减小;恒定轴压卸围压煤样渗透率最低值发生在卸荷点处;同时加轴压卸围压煤样渗透率最低值发生在应力-应变曲线的屈服阶段,且初始轴压围压越大,煤样破坏时渗透率的最低值越小;在初始轴压围压均为16MPa、瓦斯压力分别为1MPa、2MPa、4MPa条件下,无明显克林伯格效应作用,同时加轴压卸围压煤样的渗透率与失稳破坏过程中的渗透率最低值均随着瓦斯压力的增大呈二次多项式函数关系增大。(4)综合分析不同加卸载实验路径下含瓦斯煤破坏过程中声发射的特征表明,煤样破坏前兆信息点大致处于抗压强度的85.5%~92.6%之间,可将该突变点值作为提前预测煤样失稳破坏的前兆信息。
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