破裂破碎岩样流固耦合渗透试验研究

摘要

在煤层掘进或回采过程中，采动岩体会发生破裂或破碎现象，诱发井巷突水或煤与瓦斯突出等多种动力灾害。根据研究方法和渗流特性，采动岩体渗流分为破裂岩样渗流和破碎岩样渗流两部分。研究采动岩体流固耦合渗透规律，对减少矿山灾害，保障矿山安全生产具有重要的工程意义。
　　在破裂岩样渗流研究方面，本文利用控制砂粒粗细的方法，通过自主研发的高度可调式煤岩试样制备装置（ZL：201420165076.5）制备不同孔隙度的圆形薄板试样，使用RSM-SY7超声波循测仪测其孔隙度。在DDL600电子万能试验机上进行了中心受压圆形薄板试样弯曲变形过程中的渗透特性试验；研究了孔隙度对圆形薄板试样轴向抗压强度、初始渗透率的影响和对圆形薄板试样弯曲变形过程中轴向载荷与渗流量出现峰值的时间差的影响；研究了圆形薄板试样弯曲变形过程中渗透率的变化规律。结果表明：中心受压圆形薄板试样孔隙度较大时，其弯曲变形过程中轴向载荷 F峰值先于流量 Q峰值出现，反之，其流量Q峰值先于轴向载荷F峰值出现。
　　在破碎岩样渗流研究方面，本文通过对多种矿物成分破碎岩样和混合破碎岩样的渗流特性进行试验研究：采用稳态渗透法对破碎砂岩、破碎泥岩、破碎煤矸石及三种岩样的混合样进行渗透试验，分析粒径、有效应力和孔隙度对破碎岩石渗透性参量的影响。结果表明：破碎岩样随孔隙度增加，其渗透率增大，非Darcy流β因子减小；孔隙度大于0.4左右时，渗透率增加幅度变大，而当孔隙度小于0.35左右时，非Darcy流β因子变化较大；随孔隙度变大，单种岩样比混合岩样渗透率的变化幅度大，而因粒径不同非Darcy流β因子不同。
　　采掘过程中，破碎煤岩体孔隙度受矿山压力持续影响，若其连续减小将会使周围流体压力持续增加，成为诱发突水、煤与瓦斯突出等煤矿灾害的重要诱因。本文提出通过连续加载轴向位移的方式，研究孔隙度连续变化的破碎砂岩渗透特性。结果表明：孔隙度持续减小时，加速度系数和非Darcy流β因子与渗透压差的变化曲线呈现先上升后下降的趋势。
　　针对因试验仪器的限制，导致破裂岩样渗流试验的承压水作用不可考虑和破碎岩样渗流试验的围压不可调控两个问题，提出相应的装置设计方案和解决方法。

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1 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2本课题国内外研究的动态及发展趋势

1.3论文的主要内容及技术路线

2破裂岩样渗透特性试验研究

2.1引言

2.2试验原理

2.3圆形薄板制备及试验方法

2.4试验结果与数据处理

2.5试验现象与分析

2.6本章小结

3 破碎岩样渗透特性试验研究

3.1多种矿物成分破碎岩石渗透试验研究

3.2混合破碎岩样渗透特性试验研究

3.3本章小结

4孔隙度连续变化的破碎砂岩渗透特性研究

4.1引言

4.2积分式模型的建立

4.3孔隙度连续变化渗流试验方法及测试结果

4.4试验现象与结果分析

4.5本章小结

5试验所遇问题及解决方法

5.1引言

5.2圆形薄板渗透特性试验不可考虑承压水的作用问题

5.3破碎岩样渗流试验的围压不可调控问题

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录