加卸载速度对含瓦斯煤力学及渗透特性影响实验研究

"该研究基于加卸载速度对含瓦斯煤力学及渗透特性的影响，通过自行设计的热流固耦合三轴伺服渗流实验装置，对四川白皎煤矿的原煤样本进行了实验。实验结果显示，煤样的强度与初始静水压力成对数关系，与加卸载速度成幂函数关系，且加卸载速度加快会降低其强度。煤样的破坏形式主要为剪切破坏，部分情况呈现张剪复合破坏。渗透率的变化并不总是呈现经典的‘V’型，当出现张剪复合破坏时，会形成‘W’型变化。此外，与无瓦斯条件相比，含瓦斯煤在加卸载过程中的强度更低，破坏时的轴向应变减小，变形模量变化率增大，扩容现象更显著。" 在矿井安全生产中，含瓦斯煤的力学和渗透特性是至关重要的考虑因素，因为它们直接影响到矿井的安全性和瓦斯治理效率。本研究通过自行研发的热流固耦合三轴伺服渗流实验装置，模拟了真实矿井环境下的加卸载过程，对含瓦斯煤的性能进行了深入探究。 首先，研究发现煤样的强度受初始静水压力和加卸载速度的双重影响。随着初始静水压力的增加，煤样的强度呈现出对数增长趋势，这是由于压力增加导致煤体内部结构的压缩，增强了煤体的抵抗能力。然而，当加卸载速度加快时，煤样的强度会按幂函数关系下降，这可能是因为快速的加载和卸载导致煤体内部应力分布的不均匀，增加了煤体的脆弱性。 其次，煤样的破坏形式多样，主要为剪切破坏，这通常与煤层的自然裂隙和节理发育有关。部分情况下，煤样会经历张剪复合破坏，这种现象表明煤体在受到多方向应力的作用下，不仅有剪切应力也有拉伸应力参与，从而导致更复杂的破坏模式。 此外，关于煤样的渗透特性，传统认为渗透率会随压力增加先减小后增大，形成‘V’型曲线。但本研究揭示，在张剪复合破坏条件下，渗透率在峰值点附近会出现一个下降阶段，形成‘W’型变化，这可能是由于煤体在张力作用下产生新的裂隙或原有裂隙扩展，使得气体流动路径发生改变，短暂降低了渗透性，直到煤体破坏后，裂隙网络的开放性增强，渗透率迅速上升。 最后，与无瓦斯条件相比，含瓦斯煤在加卸载过程中表现出更低的强度，这意味着瓦斯的存在可能削弱了煤体的稳定性。同时，破坏时的轴向应变减小，说明瓦斯可能会改变煤体的应变模式。变形模量变化率的增大意味着瓦斯加载可能导致煤体快速变形，这对矿井安全预警具有重要意义。扩容现象的加剧则暗示瓦斯的存在会促进煤体的体积扩张，增加了瓦斯突出的风险。 这项研究揭示了加卸载速度对含瓦斯煤力学及渗透特性的重要影响，为矿井瓦斯防治和安全管理提供了新的理论依据，有助于优化矿井的通风系统设计和瓦斯抽采策略。未来的研究可以进一步探讨不同煤种、不同瓦斯含量以及不同地质条件下的具体差异，以提高预测和控制矿井瓦斯灾害的能力。