不同加卸载条件下含瓦斯煤渗流特性及声发射特性的实验研究

摘要

由于原煤一直是我国能源构成中占比最大的一部分，造成当前我国煤矿开采已进入深部开采阶段，其开采环境表现出“地应力高、瓦斯压力高、瓦斯含量多、渗透性低”的特点，时刻诱发着矿井煤岩动力灾害的发生；同时瓦斯也是一种非常规天然气资源；因此，如何安全、高效、绿色地进行深部开采与瓦斯利用显得尤为重要。实际开采过程中含瓦斯煤受力主要表现为加载和卸载的复合作用。基于学者们的研究，本文以屯兰矿22301工作面2号煤为研究对象，利用自主研发的含瓦斯煤渗流实验系统，进行不同加卸载条件下的含瓦斯煤声发射实验，模拟实际开采的复杂情况，研究含瓦斯煤的渗流特性与声发射特性，为防治煤岩动力灾害与瓦斯抽采提供更科学的理论依据，具体研究内容如下： （1）常规三轴压缩：①、其偏应力-应变曲线可分为：压密阶段、弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段；②、其渗透率整体变化规律为：先不断持续减小→急剧增大→缓慢增大→稳定不变；③、由于 Klinkenberg 效应，随瓦斯压力的增大，其最大轴向应力减小，渗透率相应时段大致呈现先减小后增大的“U”型趋势，由于围压效应，随围压的增大，其最大偏应力变大、渗透率相应时段减小；④、其声发射特征参数的变化趋势分别与应力、渗透率变化相对应。 （2）不同加载速度的单轴压缩：①、随应力不断增大，声发射活动逐渐活跃，失稳破坏时，声发射活动最强烈，脆性破坏阶段的声发射活动持续剧烈状态，计数和幅值的值均处在极高的阶段，后破坏阶段的煤体声发射信号开始急剧减弱；②、随着加载速度的增大，其峰值轴向应力与峰值应变呈下降趋势、破坏形式越严重。 （3）轴向加载速度V 加载固定、卸围压速度V 卸载变化的加卸载压缩：其渗透率整体变化规律为：先减小→急剧增大→缓慢变化并趋于稳定，呈“V”型的变化趋势；随卸围压速度V 卸载的增大：①、峰值轴向应力减小、破坏后的径向应变与体积应变增大，②、渗透率到达最小值的时间增快、峰值区增大，③、其声发射活动越活跃，声发射特征参数出现双峰现象。 （4）卸围压速度V 卸载固定、轴向加载速度V 加载变化的加卸载压缩：其渗透率整体变化规律也为：先减小→急剧增大→缓慢变化并趋于稳定，呈“V”型的变化趋势；其声发射特征参数均出现双峰现象；随轴向加载速度 V 加载的增大：①、峰值轴向应力减小，破坏后的径向应变、体积应变越大，②、渗透率到达最小值的时间越慢、峰值区越大，③、煤声发射活动越活跃。 （5）不同加卸载压缩实验中，声发射特性的变化规律均与含瓦斯煤应力-应变变化规律、渗透率变化规律基本相对应，故声发射可用来预测煤岩动力灾害的发生。

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