岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5): 1409-1418.doi: 10.16285/j.rsm.2024.0894CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.0894

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

循环载荷下破碎煤体渗透率及迂曲度演化研究

张天军1,田嘉伟1,张磊1,庞明坤1, 2,潘红宇1, 2,孟伟1,贺绥男1   

  1. 1. 西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安 710054;2. 西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054
  • 收稿日期:2024-07-18 接受日期:2024-08-13 出版日期:2025-05-06 发布日期:2025-05-06
  • 通讯作者: 田嘉伟,男,1997年生,博士研究生,主要从事矿山灾害力学、煤岩动力灾害监测方面的研究。E-mail: 23120089002@stu.xust.edu.cn
  • 作者简介:张天军,男,1971年生,博士,教授,博士生导师,主要从事矿山灾害力学方面的研究。E-mail: tianjun_zhang@xust.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No. 52374228);国家自然科学基金青年基金项目(No. 52104216,No. 52304253)。

Permeability and tortuosity evolution of crushed coal under cyclic loading

ZHANG Tian-jun1, TIAN Jia-wei1, ZHANG Lei1, PANG Ming-kun1, 2, PAN Hong-yu1, 2, MENG Wei1, HE Sui-nan1   

  1. 1. College of Safety Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an, Shaanxi 710054, China; 2. College of Energy, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an, Shaanxi 710054, China
  • Received:2024-07-18 Accepted:2024-08-13 Online:2025-05-06 Published:2025-05-06
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(52374228)and the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China(52104216,52304253)。

摘要: 循环载荷对煤体渗流影响较大,但目前对循环载荷下破碎煤体中渗流通道的量化表征不足,且缺少可以表示破碎煤体的基质结构模型。为此针对不同级配的破碎煤体开展了孔隙压力循环和围压循环渗流试验。结果表明:(1)孔隙压力循环与围压循环中,不同级配导致煤体初始渗透率有较大差异。随Talbol幂指数升高,渗透率K依次升高,且表现出明显分层现象。(2)采用有效应力变化量 Δσse值表达有效应力对循环载荷下渗透率K的敏感性,发现孔隙压力循环中随渗透率升高, Δσse值呈“L型”降低,且当K≤0.75×10−12 m2时,Talbol幂指数越小, Δσse值越低。(3)提出了一种针对级配煤体平均渗流孔道面积的计算方法,从而建立迂曲度模型描述循环载荷中破碎煤体迂曲度演化规律。研究可以为循环载荷下破碎煤体渗透率演变机制和渗流模型的建立提供理论依据。

关键词: 渗透率, 循环载荷, 有效应力, 敏感系数, 迂曲度模型

Abstract: Cyclic loading significantly affects coal seepage; however, the quantitative characterization of seepage channels in fractured coal under cyclic loading is inadequate, and a matrix structure model for the fractured coal is absent. Therefore, seepage tests involving pore pressure and confining pressure cyclic loading were conducted on fractured coal with different grading conditions. The results indicate: 1) Under both pore pressure and confining pressure cyclic loading, the initial permeability of the coal mass varies with grading. As the Talbol power exponent increases, permeability successively increases, exhibiting clear stratification. 2) The sensitivity of effective stress to permeability K under cyclic loading is represented by effective stress variation Δσse . It is observed that the value of Δσse decreases in an “L-shaped” manner as permeability K increases during pore pressure cyclic loading. When K≤0.75×10−12 m2, the smaller Talbol power exponent corresponds to a lower the value of Δσse  is. 3) A method to calculate the average seepage pore area of graded coal is proposed, and a tortuosity model is developed to describe the evolution of tortuosity in fractured coal under cyclic loading. This research provides a theoretical basis for understanding the permeability evolution mechanism of fractured coal under cyclic loading and establishing a seepage model.

Key words: permeability, cyclic loading, effective stress, sensitivity coefficient, tortuosity model

中图分类号: TD 712
[1] 李槟, 申海萌, 李琦, 李霞颖, . 不同围压条件下花岗岩剪切过程渗透率动态演化规律数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(S1): 437-453.
[2] 肖智勇, 王刚, 刘杰, 邓华锋, 郑程程, 姜枫, . 基于等效裂隙的表观渗透率模型改进及变滑脱效应研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(5): 1466-1479.
[3] 杨柳, 吉明秀, 赵艳, 耿振坤, 李思源, 马雄德, 张谦, . 致密砂岩孔隙结构对两相驱替特征及CO2封存效率的影响机制[J]. 岩土力学, 2025, 46(4): 1187-1195.
[4] 刘吉福. 排水固结堤坝稳定分析新方法[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 106-114.
[5] 李永强, 许言, 陈波, 熊健辉, 卢玢宇, . 反压诱导有效应力增生模式与土体强度关联机制研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(8): 2338-2350.
[6] 黄楠, 朱斌, 王路君, . 考虑水合物孔隙赋存模式演化的含水合物沉积物渗透率模型[J]. 岩土力学, 2024, 45(8): 2387-2396.
[7] 王威, 陈卫忠, 杨典森, 杨光华, 周小文, 袁明道, 史永胜, 刘宜杰, . 多孔介质低渗测试气体周期振荡法理论研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(7): 1939-1956.
[8] 张希栋, 董晓强, 段伟, 胡顺磊, 张豪儒, . 不排水循环荷载下纤维加固砂土的超孔压及流动液化特性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 465-476.
[9] 陈博文, 李琦, 谭永胜, 余涛, 高文彬, 李霞颖, 申筛成, . 不同有效应力下泥岩盖层二氧化碳突破压力演化特征的试验研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(12): 3681-3693.
[10] 甘磊, 刘玉, 张宗亮, 沈振中, 马洪影, . 岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响[J]. 岩土力学, 2023, 44(6): 1585-1592.
[11] 赵艳, 杨柳, 奚茹茹, 耿振坤, 张谦, 马雄德, . 基于核磁共振和磁共振成像的低渗透岩芯CO2-H2O两相驱替特征研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(6): 1636-1644.
[12] KOZHEVNIKOV V. Evgenii, TURBAKOV S. Mikhail, RIABOKON P. Evgenii, GLADKIKH A. Evgeniy, POPLYGIN V. Vladimir, GUZEV A. Mikhail, . 基于现场试井数据和岩心驱替试验的采油初期渗透率演化规律[J]. 岩土力学, 2023, 44(3): 834-842.
[13] 朱锐, 周峰, 陈廷柱, 邓亚光, . 劲性复合桩挤土效应及承载力作用机制研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(12): 3577-3586.
[14] 牛庚, 朱晓凤, 李俊星, 吕梦缘, 安荔琪, 陈子晗, . 宽广吸力范围非饱和土剪切强度试验研究及其预测[J]. 岩土力学, 2023, 44(12): 3349-3359.
[15] 黄茂松, 刘奕晖, 俞剑, 李弈杉, . 承压水地层基坑抗突涌稳定性的计算方法[J]. 岩土力学, 2023, 44(11): 3071-3081.
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