样瓦斯抽放试验研究及尺寸效应现象_图文

1、第23卷增2岩石力学与工程学报23(增2:49124915 2004年7月Chinese Journal ofRock Mechanics and Engineering Jury,2004大煤样瓦斯抽放试验研究及尺寸效应现象木杨栋冯增超赵阳升(太原理工大学采矿工艺研究所太原030024摘要煤矿瓦斯灾害是世界煤炭行业公认的重大灾害之一。在进行低渗透煤储层渗透特性改造试验时,采用了大尺寸的煤体试件(500mmx500mmx500ram进行试验,在该煤体试件中不仅包含了较多孔隙,而且还包含了几条较大的裂缝。在对试件进行钻孔瓦斯抽放和割缝瓦斯抽放试验过程中,均首次观测到大规模的瓦斯突出现象,而在以往

2、小尺寸煤样瓦斯渗流试验中则从未发现过类似现象。这种现象充分说明,对于煤体这样孔隙、裂隙发育的岩体,标准尺寸的试件往往难以包含足够多的岩体信息,采用大尺寸岩石试件后,所观察到的试验现象将更加接近于工程岩体实际,所测得的试验数据会更真实。关键词岩石力学,瓦斯,尺寸效应,试验研究分类号Tu45文献标识码A文章编号1000.6915(2004增2-4912-04TESTING STUDY oF GAS oUTBURST IN BIG CoAL SAMPLE ANDPHENoMENoN oF DIMENSIoNAL EFFECTYang Dong,Feng Zengchao,Zhao Yangsheng

3、(Institute oflimning Technology,Taiyuan University ofTechnology,Taiyuan030024Ch/naAbstract Gas of coaI mine iS one of the most hazardous problems in coal industry of the world.In China,the lower permeability of coal is the main character which limits the development of gas extraction industry.In thi

4、stesting study of gas extraction from low permeability coal,the big coal samples(500mm x500mm×500ramare used.There are many pores and fractures in these samples.While the coal mass is under fracturing,the gas outbursts intermittently.This phenomenon is never reposed in articles before while sma

5、ll samples had been used. So we can conclude that when big samples are used,each sample Can contain more information which leads to the experiment result closer the in-situ rock test.The experiment results also reveal that to release the initial earth stress is a better way to improve the permeabili

6、ty of coal.Water fracturing method is one of the efficient methods to release the initial earth stress.Key words rock mechanics,gas,dimensional effect,testing study1前言煤矿瓦斯灾害一直是世界采矿业中的重大灾害之一,尽管各国相继投入了相当大的人力物力,使煤矿瓦斯灾害的控制有了一定的改观,但其问题仍然相当严重。我国自20世纪50年代以来,进行了大量的试验研究,尤其是工业性试验研究,几乎穷尽了所有可能的技术措施,但仍未能有一个较好的进展

7、。煤矿瓦斯治理采用较多的方法之一是瓦斯抽放。针对我国的低渗透性煤层瓦斯抽放,国内先后进行了密集钻孔预抽放、加砂致裂预抽放、水力冲孔、2004年2月25日收到初稿,2004年4月17目收到修改稿。+国家杰出青年科学基金(59625409、国家自然科学基金青年基金(10102013和山西省青年基金(20001012联合资助项目。作者杨栋简介:男,1970年生,1993年毕业于太原理工大学采矿工程专业,现为太原理工大学采矿工艺研究所博士研究生、讲师,主要从事岩石力学和渗流方面的研究工作。第23卷增2杨栋等.大煤样瓦斯抽放试验研究及尺寸效应现象4913水力割缝抽放试验等,但由于种种原因,有的收效甚微,

8、有的难以推广实施,致使低渗透煤层瓦斯抽放这一重大技术难题,一直未能得到较好的解决【l】,而对低渗透煤层渗透特性的研究在逐年增多【271。1996年至今,太原理工大学采矿工艺研究所赵阳升教授领导的课题组,在国家杰出青年科学基金资助下,深入、系统地研究了低渗透煤层瓦斯抽放这一难题8-10】,通过大量理论分析和试验研究,基本确认水力压裂技术不适用于低渗透煤储层的渗透特性改造,而卸压是改造低渗透煤储层的唯一有效的技术途径【111,进而提出了水力割缝改造低渗透煤储层的技术方案。1999年在太原理工大学“211工程”建设研制的l000t大型多功能试验机上,进行了大煤样钻孔瓦斯抽放试验研究和割缝瓦斯抽放试验

9、研究。试验中观测到了在以往小尺寸试件渗透试验中从未观测到的新现象瓦斯与水混合着煤间歇性地从抽放孔突出。这与工程实际中钻孔瓦斯抽放时遇到的瓦斯突出现象极为相似。因此,这个试验不仅对瓦斯抽放理论得出了有益的结论,而且从另一角度上揭示了对孔隙、裂隙发育的煤岩体,大尺寸试件的试验结果往往比小尺寸试件的试验结果更接近工程实际。2试验方案2.1试验目的及方案本试验的目的是为了揭示潞安矿务局常村矿3”煤层在不同埋藏深度下割缝卸压对煤体渗透率的影响。从安全角度考虑,试验气体采用了C02气体。试验煤样采自常村矿34煤层,试样采集和运输过程中均采取了特殊的保护措施,以尽量减少对试件内原生孔隙、裂隙的后期人工扰动。

10、煤样在室内加工成500mmx500mm×500mm的立方体试件,并使其层理面平行于顶面和底面。根据潞安矿区的实际情况,试验模拟的煤层埋深分别为400和800m。对1勺噪样主要进行了800m 埋深下的钻孔瓦斯抽放试验及水力割缝后瓦斯抽放试验。对24煤样主要进行了400m埋深下的钻孑L瓦斯抽放试验及水力割缝后瓦斯抽放试验。2.2试验方法试验在太原理工大学“211工程”建设研制的1000t大型多功能试验机上进行。(1试件装入自行设计研制的刚性三轴压力室进行试验。(2将煤样放入压力室之前,在试件与压力室之间垫2mm厚的橡胶板,用水泥砂浆浇注,填实橡胶板与试件之间的缝隙,使橡胶板与压力室的内壁

11、紧密接触,以防止气体沿试件表面与压力室侧壁串通,影响试验结果。(3待水泥砂浆凝固24h后,盖上压力室盖并用螺栓拧紧。给试件施加很小的力(约O.125MPa,相当于埋深50m时的地层垂向应力,使试件与压力室侧壁及压头紧密接触,并压实试件。(4用煤电钻在试件上钻400mm深的注气孔。利用高压气罐将C02气体注入试件中。以1.5UPa 的压力注气24h后,关闭减压阀,让试件进行自由吸附直至达到1.0MPa饱和状态。(5一般在35d后,煤体吸附达到饱和。将垂向压力由O.125MPa加到预定压力(相当于试验所模拟的地层应力,并稳定一定时间后,打开排气孔,采用排水取气法,测量瓦斯排放量与时间的关系。(6割

12、缝抽放试验中,利用自行研制的高压水力割缝设备,在钻孔两侧迅速割出高约1cm、宽约10em的裂缝,测量割缝时及割缝后的瓦斯排放规律。3试验结果3.1试验现象以上l:1的大煤样室内钻孑L瓦斯抽放试验研究及割缝瓦斯抽放试验研究,在国内外都属首次,试验中遇到了许多常规小试件从未遇到的麻烦和困难,经过努力,都得到了很好的解决。但也确实发现了许多小试件试验所从未发现的物理现象与工程现象,这些宝贵的资料对深入研究瓦斯抽放,提出革命性的设想和指导工程实际具有极其重要的参考价值。根据煤层瓦斯运移理论,煤层瓦斯以吸附和游离2种状态赋存在煤体孔隙中,在地应力作用下,这些气体获得了大量的势能。一旦煤体获得自由,则在煤

13、体应力、瓦斯压力及解吸释放的膨胀能的共同作用下,煤体将向自由面剧烈破坏,这也是煤层瓦斯突出的主要原因。在割缝瓦斯试验中,首次在室内观察到了煤体和瓦斯气体间歇地喷射现象,如图1和2所示。图1为初始瓦斯和水均匀排出时的现象,图2为瓦斯和水混和着煤一起喷射的现象。4914岩石力学与工程学报2004笠图l瓦斯和水均匀排出时的现象Fig.1Steady discharging ofgas and water from coal mass图2瓦斯和水混合着煤一齐喷射Fig.2Outburst ofgas and water from coal mass试验中发现,地层应力越高,这种现象越明显。在埋深800

14、m地压作用下,割缝排出的煤体量占试件体积的10%,煤体卸压彻底,抽放效果较好。而在埋深400m地压作用下,尽管割缝过程中有气体和煤块一起喷出的现象发生,但其剧烈程度与埋深800m时相比,则弱了许多。割缝完成后,排出的煤体量仅占总体积的2%左右。煤层割缝过程中伴随着气体和煤一起喷出的现象,与现场瓦斯突出的现象完全类似,但在实验室内再现这一现象是第一次。这也说明了小尺寸试件的测试结果往往与工程现场的实际情况存在较大的差距,而大尺寸试件往往更接近于工程的实际情况。3.2结果分析(1瓦斯抽放量与时间的关系将2个试件钻孔抽放瓦斯量及割缝以后的瓦斯抽放量结果分别整理,其结果如图3和4所示。05001000

15、l500200025003000,/min图314试件埋深800m下瓦斯抽放曲线Fig.3Gas extraction volume VS time of Sample l under800mdepth图42。试件埋深400m下瓦斯抽放曲线Fig.4Gas extraction volume VS time ofSample2under 400mdepth把2个试件钻孔抽放瓦斯量以及割缝以后的瓦斯抽放量与时间的关系用最dx-乘法进行数学回归,通过误差分析,可知拟合结果是比较满意的。因此,可以认为煤体瓦斯排放量与时间关系遵循如下对数方程:Q=aInt+b(1式中:Q为气体排放量(L;t为排气时间

16、(min;a, b均为拟合常数,其量纲为体积量纲。18,24试件为回归公式及其相关系数分别为14试件:Q=56.32Int一99.819=0.7785(不割缝Q=80.665Int-141.85=0.9655(割缝28试件:Q=81.005Int-161.92=0.9570(不割缝443322ll一 一、i,第23卷增2杨栋等.大煤样瓦斯抽放试验研究及尺寸效应现象4915Q296.897int-148.38R2=0.9952(割缝(2瓦斯抽放速度与割缝的关系对瓦斯排放量关于时间t求导数,即可以获得瓦斯抽放速度为dQQ:旦(2dt t由此可见,其抽放速度与时间的倒数呈一双曲线变化。分别研究14和

17、24煤样割缝与不割缝2种情况下煤体的瓦斯抽放速度变化,计算在相同埋深下,割缝与不割缝煤体瓦斯排放速度之比如下:14试件:y晶制t/圪硼鼍=80.665/56.32=1.43224试件:蛳/硎麓=96.897/81.005=1.214试件在相当于埋深800m地层应力下割缝以后,抽放速度提高1.432倍。24试件在相当于埋深400m地层应力下割缝以后,抽放速度提高1.2倍。显然,煤层进行割缝卸压以后,煤体的渗透率有了很大的提高;而且煤层埋藏愈深,渗透率提高越明显。4结论(1煤层瓦斯抽放量与时间的关系近似为对数关系,即Q=aInt+b。(2煤层采用割缝技术卸压后,可以显著提高煤体的瓦斯抽放速度,提高

18、煤体渗透率,并且随着深度的增加,这种提高越明显。(3采用大尺寸试件进行试验,难度较大,但可以观测到小尺寸试件试验中无法观测到的试验现象。这从另一方面说明,进行岩体工程设计时采用的任何参数,如果是从小尺寸试件上测得的,就应充分考虑到尺寸效应的影响,才能更加符合工程实际。参考文献1于不凡.煤和瓦斯的突出机理【M】.北京:煤炭工业出版社,1985 2周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论【M】.北京:煤炭士业出版社,19993罗志明.煤比表面积和煤与瓦斯突出关系的研究【J】.煤炭学报。198914(1:25284叶建平.中国煤储层渗透性及其主要影响因素们.煤炭学报.199924(2:1231275蔚

19、江远.我国煤层气储层研究现状及发展趋势阴.地质科技情报, 2001.20(1:36396孙茂远.煤层气开发利用手册M】.北京:煤炭工业出版社,1998 7Zhao Yh擎h朋g,Kang Tianhe.Hu Yaoqing.Permeability classification ofcoal蝴in Chinap.Int.J.Rock Mcch.&Min.Sci.&Geomeeh.Abstr.-199532(2:3283338赵阳升.矿山岩石流体力学【M】.北京:煤炭工业出版社,19949赵阳升.胡耀青.孔隙瓦斯作用下煤体有效应力规律的试验研究们岩土工程学报.1995。17(5:

20、263110赵阳升,胡耀青.杨栋等.三维应力下吸附作用对岩体气体渗流规律影响的实验研究【J】.岩石力学与工程学报,1999,18(6: 65l653ll赵阳升,胡耀青,杨栋.我国煤矿瓦斯灾害现状及其对策A】.见:瓦斯灾害防治讨论会论文集【C】.北京:中国矿业大学出版社,2001 大煤样瓦斯抽放试验研究及尺寸效应现象作者:杨栋, 冯增超, 赵阳升, Yang Dong, Feng Zengchao, Zhao Yangsheng作者单位:太原理工大学采矿工艺研究所,太原,030024刊名: 岩石力学与工程学报英文刊名:CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND E

21、NGINEERING年,卷(期:2004,23(z2引用次数:3次参考文献(11条1.于不凡煤和瓦斯的突出机理 19852.周世宁.林柏泉煤层瓦斯赋存与流动理论 19993.罗志明煤比表面积和煤与瓦斯突出关系的研究 1989(14.叶建平.史保生.张春才中国煤储层渗透性及其主要影响因素期刊论文-煤炭学报 1999(25.蔚远江.杨起.刘大锰.黄文辉我国煤层气储层研究现状及发展趋势期刊论文-地质科技情报 2001(16.孙茂远煤层气开发利用手册 19987.Zhao Yangsheng.Kang Tianhe.Hu Yaoqing Permeability classification ofco

22、al seamin China 1995(28.赵阳升矿山岩石流体力学 19949.赵阳升.胡耀青孔隙瓦斯作用下煤体有效应力规律的试验研究 1995(510.赵阳升.胡耀青.杨栋三维应力下吸附作用对岩体气体渗流规律影响的实验研究 1999(611.赵阳升.胡耀青.杨栋我国煤矿瓦斯灾害现状及其对策 2001相似文献(10条1.期刊论文曹树刚.刘延保.李勇.张立强.王军.CAO Shugang.LIU Yanbao.LI Yong.ZHANG Liqiang.WANG Jun煤岩固-气耦合细观力学试验装置的研制-岩石力学与工程学报2009,28(8为从细观力学的角度出发研究含瓦斯煤岩变形破坏规律,

23、研制一种煤岩固-气耦合细观力学试验装置,并对装置密封、透明视镜等关键技术难点进行深入分析.该试验装置主要由加载系统、充瓦斯系统、细观观测系统和声发射监测系统4个部分组成.与现有的细观试验装置相比,该装置具有以下特点:可提供单轴、平面应变、三轴2 =3三种受力状态;试验测试方法多样化,可进行试验过程中的实时显微图像观测和应力-应变、声发射信号的采集;具有良好的气密性和耐爆性,创造具有瓦斯的试验环境,使煤与瓦斯突出机制的试验研究更加接近矿山实际;装置的结构简单,成本低,系统可靠性高.利用该装置进行瓦斯压力为1.0 MPa、围压为1.0 MPa(2 = 3下的煤岩细观力学试验,得到煤样受力破坏全过程

24、的表观图像和声发射特征,以此分析试件破坏前后局部区域张拉裂纹的形成和扩展情况.初步的试验结果表明,该试验装置为固-气耦合条件下的相关试验研究提供新的测试手段,具有较大实用价值.2.会议论文杨栋.冯增超.赵阳升大煤样瓦斯抽放试验研究及尺寸效应现象2004煤矿瓦斯灾害是世界煤炭行业公认的重大灾害之一.在进行低渗透煤储层渗透特性改造试验时,采用了大尺寸的煤体试件(500mm×500mm×500mm进行试验,在该煤体试件中不仅包含了较多孔隙,而且还包含了几条较大的裂缝.在对试件进行钻孔瓦斯抽放和割缝瓦斯抽放试验过程中,均首次观测到大规模的瓦斯突出现象,而在以往小尺寸煤样瓦斯渗流试验

25、中则从示发现过类似现象.这种现象充分说明,对于煤体这样孔隙、裂隙发育的岩体,标准尺寸的试件往往难以包含足够多的岩体信息,采用大尺寸岩石试件后,所观察到的试验现象将更加接近于工程岩体实际,所测得的试验数据会更真实.3.会议论文南存全.冯夏庭凹形圆弧断裂构造的简化力学模型及其解析分析2004从分析潘一矿的煤与瓦斯突出分布规律及其附近控制性断裂构造特点出发,建立了求解竖向凹形圆弧断开裂周围构造应力的简化的二维力学模型.导出了断层上盘中水平应力和垂直附加构造应力的解析解,由此推得在断层的上盘中存在一个范围较大的垂直应力升高区,升高后的垂直应力自重应力的23倍,且垂直应力升高区的峰值距断层很近,这与数值

26、模拟的结果完全一致.4.会议论文徐涛.唐春安.杨天鸿.梁正召.段东煤层上山掘进诱发煤与瓦斯突出数值模拟2006本文根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点、煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性以及煤岩体变形破裂过程中瓦斯渗流与煤岩体变形间的耦合作用,在岩石破裂过程分析系统(RFPA2D的基础上,建立了含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合作用的RFPA2D-GasFlow模型.应用该模型对上山掘进诱发煤与瓦斯突出进行了数值模拟,模拟结果再现了含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下煤岩损伤破裂并诱致突出的全过程,模拟结果表明上山突出是地应力、瓦斯

27、压力和煤体物理力学性质三个因素综合作用的结果,这为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据.5.会议论文刘保县.鲜学福.姜德义煤与瓦斯延期突出机理及其预测预报的研究2002利用非线性理论突变理论,对煤与瓦斯延期突出机理进行了研究,认为延期突出的滞后时间是由地应力、煤体中的瓦斯、煤的物理力学特性及外力作用(爆破等的共同作用所产生的,并依此提出延期突出的预测预报方法.6.会议论文章梦涛.梁冰.梁栋采动影响下煤层内瓦斯流动状况的数学模型及数学分析19907.会议论文袁亮低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究2008针对低透高瓦斯煤层群安全高效开采技术难题,以淮南矿区为主

28、要试验研究基地,研究应用岩石力学、岩层移动理论和"O"形圈理论,针对不同煤层和瓦斯地质条件,探索出一整套"开采煤层顶底板卸压瓦斯抽采工程技术方法",建立卸压开采"抽采"瓦斯和煤与瓦斯共采工程技术体系.研究"采场岩层移动压层瓦斯以及地面钻孔卸压瓦斯"理论与技术,形成系统、成熟的瓦斯抽采理论与技术.创新卸压开采抽采瓦斯理论和技术,解决了煤与瓦斯共采重大工程 技术难题. 8.期刊论文 韩军.张宏伟.宋卫华.王震.HAN Jun.ZHANG Hongwei.SONG Weihua.WANG Zhen 煤与瓦斯突出矿区地应 力场研究 -岩石力学与工程学报2008,27(z2 利用空芯包体地应力测量方法对分布于我国东北、华北、华中和华南的阜新、平顶山、鹤壁和淮南等7个煤与瓦斯突出矿区的地应力进行了测量.对 测量结果的分析表明,煤与瓦斯突出矿区的地应力场作用特征表现为以下几点:(1最大、最小主应力为水平主应力,中间主应力为垂直主应力,即应力场类 型全部为大地动力场;(2突出矿区的水平主应力远高于其他区域,突出矿区煤(岩体承受更高的构造应力;(3最大主应