循环载荷作用下含瓦斯煤变形与渗流特性的试验研究

摘要

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中发生的一种极其复杂的动力灾害现象，它能在极短的时间内由煤体向巷道或采场空间抛出大量的煤和瓦斯气体，造成人员伤亡和财产损失。其发生发展的各个阶段均与瓦斯在煤层中的运移规律有关。煤层瓦斯的渗透性表征了瓦斯气体在煤层中运移的难易程度，因而研究煤的力学与渗流特性有重要的意义。
　　本文以型煤煤样为研究对象，利用试验室自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置，进行了不同煤体温度和不同煤粉粒径条件下的三轴压缩试验以及不同煤体温度、不同煤粉粒径和不同稳定时间条件下的循环载荷试验，研究了煤体温度、煤粉粒径和稳定时间对含瓦斯煤力学与渗流特性的影响规律，并取得了以下主要研究成果：
　　1）研究了三轴压缩条件下含瓦斯煤的力学特性，并分析了煤体温度和煤粉粒径对含瓦斯煤力学特性的影响规律，结果表明：当试验条件保持一致时，随着煤体温度的升高，含瓦斯煤的轴向应变有逐渐增大的趋势，径向应变、体积应变有逐渐减小的趋势，三轴抗压强度和弹性模量减小，低温对含瓦斯煤的力学特性的影响较高温对其的影响要小；当瓦斯压力、煤体温度和围压保持恒定时，煤粉粒径较大的型煤轴向应变较大，煤粉粒径减小，弹性模量减小；其中煤粉粒径的为60~80目所制的标准型煤试件三轴抗压强度最高；
　　2）研究了三轴压缩条件下含瓦斯煤的渗流规律，并分析了煤体温度和煤粉粒径对含瓦斯煤渗流特性的影响规律，结果表明：相同试验条件下，随着煤体温度的升高，含瓦斯煤渗流速度减小，煤体温度一是使得煤体固体骨架膨胀发生改变，二是产生热应力，两者挤压试件内的孔隙裂隙，孔隙裂隙张开程度减小使瓦斯渗流通道减小，瓦斯渗流阻力增加，渗流速度减小；当瓦斯压力、煤体温度和围压保持恒定时，煤粉粒径越大，瓦斯渗流速度越大；
　　3）研究了循环荷载条件下含瓦斯煤的变形特性，并分析了煤体温度、煤粉粒径和稳定时间对含瓦斯煤变形特性的影响规律，结果表明：当煤粉粒径和稳定时间保持恒定时，随着煤体温度的升高，体积应变逐渐增大；当煤体温度和稳定时间保持恒定时，煤粉粒径的为60~80目所制的标准型煤试件，各向应变均最大；当煤体温度和煤粉粒径保持恒定时，加卸载波形的稳定时间越久，体积应变越小，含瓦斯煤的变形程度越大；不同试验条件下，含瓦斯煤的变形均与循环加卸载的次数密切相关，随着循环次数的增加，应变变化趋于稳定变形阶段；
　　4）研究了循环荷载条件下含瓦斯煤的渗流特性，并分析了煤体温度、煤粉粒径和稳定时间对含瓦斯煤渗流特性的影响规律，结果表明：当煤粉粒径和稳定时间保持恒定时，煤体温度最高时，含瓦斯煤的循环上限和循环下限应力的渗流速度都最高；当煤体温度和稳定时间恒定时，煤粉粒径越大，瓦斯渗流速度越大；当煤体温度和煤粉粒径保持恒定时，加卸载波形的稳定时间越久，含瓦斯煤的瓦斯渗流速度的下降幅度越小；含瓦斯煤的体积变形和渗流速度随循环次数的变化具有相同的变化趋势，说明瓦斯在含瓦斯煤内的渗流特性与其变形密切相关。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 问题的提出与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与技术路线

2 试验方法

2.1 煤样的采集与加工

2.2 试验设备

2.3 试验方案与试验步骤

3 含瓦斯煤的基础物理力学特性测试

3.1 煤工业分析与孔隙特征

3.2 力学特性

3.3 渗流特性

3.4 本章小结

4 不同煤体温度下含瓦斯煤变形与渗流特性

4.1 循环荷载作用下含瓦斯煤变形特性

4.2 循环荷载作用下含瓦斯煤渗流特性

4.3 循环荷载作用下含瓦斯煤变形特性与渗流特性关系探讨

4.4 本章小结

5 不同煤粉粒径下含瓦斯煤变形与渗流特性

5.1 循环载荷作用下含瓦斯煤变形特性

5.2 循环载荷作用下含瓦斯煤的渗流特性

5.3 循环荷载作用下下含瓦斯煤渗流与应变的关系

5.4 本章小结

6 不同稳定时间下含瓦斯煤变形与渗流特性

6.1 循环载荷下含瓦斯煤的变形特性

6.2 循环载荷作用下含瓦斯煤的渗流特性

6.3 循环荷载作用下含瓦斯煤变形特性与渗流特性关系探讨

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录