破碎煤样渗透特性研究：嵌挤骨架影响分析

"该研究基于轴向压缩位移控制法，使用破碎岩体渗透试验系统，探讨了破碎煤样在单级嵌挤骨架和级配嵌挤骨架两种不同配比下的渗透特性。研究发现，级配嵌挤骨架的煤样在压力作用下，随着20至25mm颗粒含量增加，渗透率呈现稳定变化，表明大颗粒对骨架有良好的支撑效果，维持了煤样内部的有效孔隙通道；相比之下，以5至10mm为主的单级配嵌挤骨架渗透率较低，显示小颗粒对大颗粒间空隙的填充效果显著。此外，两种配比方式下，煤样的孔压梯度与渗流速度的二次拟合系数均超过0.94，符合Forchheimer方程，证明在压实渗流过程中，煤样的行为符合物理规律。同时，通过构建的物理模型揭示了煤样压缩过程中存在侧向约束阻力，该阻力随轴向压缩位移和渗透压的增大而增大。" 本文是关于煤炭地质和采矿工程领域的行业研究，具体涉及煤样的渗透特性和骨架结构对其性能的影响。实验设计采用了轴向压缩位移控制法，这是一种常用于研究岩石或类似材料力学性质的方法，通过控制样品的轴向位移来研究其在压力下的行为。破碎煤样被分为两类：单级嵌挤骨架和级配嵌挤骨架，分别对应不同粒径分布的煤样。渗透特性是评价煤层透气性的重要指标，它直接影响瓦斯排放、矿井安全和煤炭开采效率。 实验结果显示，级配嵌挤骨架的煤样在受到压力时，由于大颗粒的存在，能够形成相对稳定的孔隙结构，导致渗透率保持在一个较为平稳的状态。这说明不同粒径的煤样颗粒组合有助于维持煤体的结构完整性，减少孔隙通道的破坏。相反，以小颗粒为主的单级配嵌挤骨架，其渗透率较低，这可能是因为小颗粒更易填充大颗粒间的空隙，减少了孔隙空间，从而降低了渗透能力。 Forchheimer方程是描述非达西流（即流体在多孔介质中流动时，流速与压力梯度的关系不遵循线性关系）的理论基础，研究中发现，不论哪种骨架配比，煤样的孔压梯度与渗流速度之间的关系都符合这一方程，这意味着在实际的矿井环境中，煤样的渗流行为可以被科学地预测和分析。 进一步的，研究人员还通过物理模型分析了煤样压缩过程中的侧向约束阻力，这是一个重要的力学参数，它揭示了在煤样受压时，除了轴向的压力，还有来自侧面的阻力。这种阻力会随着轴向压缩位移和渗透压的增加而增大，这对于理解和预测煤层在开采过程中的稳定性、瓦斯排放以及潜在的安全风险具有重要意义。 这项研究为理解不同骨架配比对破碎煤样渗透特性的影响提供了实验依据，对于优化煤层的开采策略、提高瓦斯抽采效率以及保障煤矿安全生产具有重要的理论指导价值。