文摘

分析含水层岩石的内部孔隙演化规律在煤炭开采前压力和渗流耦合效应和影响工作面突水的性能,研究工作面进行了改善rtr - 1000高温和高压三轴岩石力学测试系统,使用空心圆柱和完整的砂岩样品和通过考虑实际开采过程中的压力变化规律作为参考加载路径。在加载的初始阶段,砂岩的渗透性演示了一个快速下降的趋势在一个小范围内的压力变化,以50%的速度下降。较低的渗透率,波动小;塑料和失败阶段瞬态,水平渗透率之间的关系曲线和砂岩分为轴向围压的压实,多个波动,投降,和失败。在几个阶段,砂岩横向渗透率实验压力和渗流耦合效应下的表明,含水层的渗透性在煤炭开采前显著降低原岩应力被开采后,表明传统流水的突水计算破碎区和屈服区含水层岩石渗透率实验是不准确的。进一步的研究可以深化压力和渗流耦合演化过程的作用下工作面突水。

1。介绍

水下煤矿等不可避免地涉及到问题在工作面涌水,突水进隧道,地下水渗流。煤地层和地下水之间的相互作用影响煤层和地下水渗流和应力之间存在耦合问题。渗流和应力的耦合主要体现为渗流发生时;渗流引起的水压力作用于岩石和改变其状态。外部影响的岩石应力的变化改变内部裂缝渗流特征,渗流和应力耦合主要通过裂缝的渗流特征(1- - - - - -6]。雪决定压力的作用下渗透系数表达式通过一组平行断裂实验(7]。Oda用统计方法来表达裂纹的张量之间的关系,得到压力和渗流(8- - - - - -10]。巴顿等人提出了渗透系数与有效应力之间的关系通过研究骨折的力学性能11]。Reichenberger顶点中心等人提出了有限体积法可用于完整的耦合多孔介质两相流动的骨折(12]。Hoteit和Firoozabadi提出了一个有效的不可压缩了媒体的两相流数值模型(13]。Helmig等人研究了多相流的模型耦合多孔介质(14]。Peratta和波波夫发达的新数值方法的三维(3 d)建模流程和瞬态了多孔介质溶质运移,从而提供准确、有效的治疗方法的三维复杂的几何形状和不均匀性(15]。赵等人提出了一种压力和渗流耦合研究方法基于数字图像技术在同等条件下(16]。获得的数字图像被分割,提取的空间分布信息。线性插值是一个3 d数字分析模型,建立了确定空间结构的应力和渗流空间划分的碎裂岩体特征。王、张提出了一种数值模拟方法对裂缝延伸和关闭下渗流应力耦合建模使用的扩展有限元法研究背景的基础上骨折和空洞17]。Gui等人报道,岩溶突水的主要原因是矿山压力和底部渗流的耦合效应(18]。咦,小,棕褐色,Ferfera,陈,盛奇杨等人进行了不同岩性的岩石和岩石损伤实验后得出结论,岩石的渗透率变化显著损害(19- - - - - -24]。山和赖,酋长和Pak,郭et al .,和张等人进行了相关的研究强调渗透耦合使用数值模拟,建立岩石stress-strain-permeability耦合数值模型,对stress-seepage耦合机制的初步研究[25- - - - - -28]。丁和徐Durucan,周,和王Yakushev。渗透率的研究进行不同方向的对流固耦合条件下(29日- - - - - -32]。结果表明,磁导率在不同的方向在同一实验条件下的差异很大。上述研究为调查在这个研究奠定了理论基础的耦合地下压力和渗透率条件下的煤炭开采造成的损害。然而,几乎没有变化规律的实验研究水平渗透率压力开采,特别是pseudotriaxial岩石力学测试系统。应用程序可以通过两种方式进行的压力。在第一种方法,垂直地应力下围压和水平地应力下轴向压力和围压的变化规律应用于测试轴向岩石渗透率与围压增加。两个方向的水平地应力是明显不同于实际的水平地应力和应用垂直地应力的大小只能小于水平地应力,明显不同于实际情况。在第二种方法中,应用垂直地应力在轴向压力下,水平地应力是应用在围压下,更好地模拟实际的压力。传统的渗透率测量只能测量轴向磁导率;因此,必须改善渗透率测量方法获取传统pseudotriaxial横向渗透率测量的仪器。

2。材料和方法

2.1。实验设计

中国矿业大学和科技(北京)rtr - 1000高温和高压三轴岩石力学测试系统可以实现程序设计通过岩石实验在不同压力条件下的加载应力路径,创造条件模拟的应力变化环境原位实验。渗透测试不包括横向渗透率的测试;因此,透气性试验测试系统的修改,以使测量横向渗透率的岩石标本。岩石标本是砂岩;其埋深270米,体积密度是20.5 kN / m³抗拉强度为0.62 MPa,弹性模量为0.62×104 MPa。修改如图1。

与原始渗透仪相比,改进的渗透仪改变了内部电导率和岩石样品规格。渗透路径添加一个指导垫片试样的一边。试样是一个圆柱形试样的长度l和半径r_e。一个洞与半径沿轴向方向钻,如图1。

2.2。设备改进后渗透率的计算方法

与气体相比,液体可压缩性较低,更高的密度,粘度,很少偏离达西定律在渗透率测量。在相同的压力梯度下,粘度的液体体积流量大大高于气体粘度,和更高的液体密度补偿对粘度的影响在某种程度上与惯性阻力(33]。因此,重力垂直流在渗透率测量不容忽视。达西表达式的渗透率测量层流流体考虑重力的影响(34] 在哪里年代沿着流动方向的距离;ʋ_年代是液体的体积流量流经单位时间单位孔隙介质;Z纵坐标,增加下行;ρ是流体密度;沿着流动方向的压力梯度的吗年代;μ流体粘度;k是介质的渗透性;问是体积速度;一个横截面积垂直于简化;和C₁,C₂,C₄是常数,以确保统一的单位。

对于横向渗透测试,没有流动方向垂直分量;因此,它被认为是= 0。流体的渗透率计算公式可以通过集成的公式(1)。 在哪里G_f长度、几何因子的计算公式(3径向流。 在哪里l是样本长度;r_e是样品半径;和内直径。

2.3。实验过程

在测试期间,不同的传感器必须安装,包括封闭压力传感器、孔隙压力传感器、轴向压力传感器和轴向位移传感器。因为试样的表面有一个钢丝网,没有应变仪直接添加到试样表面;硬度计压头的位移传感器是用来计算应变。使用水作为渗透介质会对设备的安全构成风险由于泄漏。因此,使用煤油渗透介质的实验。在实验之前,试样饱和航空煤油和包裹着一层钢丝网。钢丝网的主要功能是提供一个流道的流体扩散到试样的外表面。钢丝网的硬度不应过高,为了便于包装测试块,避免刺穿热收缩管的风险。如果钢丝网孔的直径太大,然后热收缩管变形可能会阻碍渗透介质表面上的表面均匀性。如果网的直径太小,那么线孔比例可能太大,这可能会减少石油进口外表面的横截面积,从而影响实验结果。 The size of the filter mesh was between 20 and 30, the material used was 304 stainless steel, the recommended wire diameter was 0.21 mm, and the side length of the hole was 1.10 mm. The length of the wire mesh was slightly larger than that of the test piece; the test piece was placed between the upper head and the lower head of the pressure chamber. The expanded width of the steel wire mesh was slightly larger than the circumference of the cylindrical sample. After wrapping the steel wire mesh, a heat-shrinkable tube was placed on the periphery to seal the test piece and the upper and lower heads. In the experiment, after a specific axial confining pressure was applied, a pore pressure supercharger was used to apply the osmotic pressureP₁使用航空煤油,从样品的外表面聚合水平的中心孔和流出仪器通过底盖上的洞。实验样品在实验前后见图2。

实验中粗砂岩的岩石样本被16-3的屋顶在闽东矿区煤层。样品尺寸如下:高度 ,截面半径r_e= 25毫米,内钻孔半径= 4毫米。初始围压测试p_c10 MPa,初始轴向压力p_一个是10 MPa。渗透介质是煤油,动态粘度µ= 2.5×10⁻³Pa。年代和a radial flowG_f= 342.86毫米。根据煤油流量之间的关系和时间序列,流速计算在一个稳定的时间。

3所示。结果

实验的主要有两个目的:研究横向渗透率的变化规律挖掘支承压力的作用下在标准的环境,并提供后续的本构关系方程数值建设stress-seepage耦合和灾害预测。根据原位实验,遥远的岩石的垂直应力和水平应力值在工作面推进过程中根据文献和计算公式,和横向渗透率测试的含水层采动应力下的岩石。测试过程考虑实验的基本需求。每组样本测试三次。

方便地研究横向渗透率变化的法律,保证实验效果,轴向压力增加的单位更改为0.5 MPa和0.25 MPa,和围压降低的单位改为1 MPa。原岩应力是10 MPa根据轴向压力和围压,和实验过程编程加载路径表中给出1。当流量稳定,压力改变了加载路径中的下一个应力状态;这个过程一直持续到岩石被打破了。达西流的渗透率被用最后的渗流计算结果为公式(2)。MD-1砂岩的渗透系数和应变测量数据展示在表1。

4所示。讨论

相比传统总应力-应变渗透率的变化规律,本研究着重于含水层的法治水平渗透率变化的影响下开采压力。表中的数据1考虑轴向压力作为横坐标和渗透率、围压和轴向应变为纵坐标。一块是描绘在图的关系3。

如图3根据含水层的应力变化路径的过程中煤层进步,MD-1砂岩展览水平渗透率的相关曲线,轴向压力、围压,分为压实,多个波动,产量,和失败的阶段。为了更好的解释结果,图中的重点标记。点代表了原岩应力状态;B点的终点是压实阶段;点C是最高的点在中间阶段;点D是弹塑性边界点;点E崩溃失败点。

4.1。单独的不同部分的分析

在AB节中,当压力从原岩应力增加0.5 MPa轴向压力,1.54×10的渗透率急剧降低⁻⁹毫米²6.72×10毫米²减少56%,主要是由于高孔隙岩石标本,一个富含水分含水层岩石。尽管原岩应力加载,更大的孔隙度是额外的压力下压缩,生产快速非线性下降趋势。这个阶段是第一个压实段骨折(35]。

在公元前一节,在早期阶段,在10 MPa围压保持不变。随着轴向压力继续增加每次0.5 MPa,渗透了小振幅的振动和没有显示显著增加或减少的趋势。一些大型骨折压缩时,岩石的渗透率急剧降低;然而,存在大量的平行和垂直裂缝截面的岩石轴向方向。随着轴向压力的增加,裂缝垂直于轴向压缩,和骨折平行于轴向方向打开,产生随机振动。公元前的后期部分代表了围压卸载期间,在轴向压力和围压不变是减少。立即渗透率的变化,展示了一个明显的增加,这与围压的降低法律是一致的36]。因此,围压在渗透率的变化中起着决定性的作用在此期间,包括第一休克期和第一段渗透率增长。

在CD部分,当围压维持在5 MPa和轴向压力的速度继续增加每次0.5 MPa,渗透系数展品小幅下降,然后急剧增加,达到1.28 e-9毫米²在中期的最高点,速降和波动,如AC和CD部分所示。这些部分都是围压的应力变化环境首先保持不变,然后减少轴向压力逐渐增加。曲线显示了高度的相似性。渗透先快速下降,然后范围内波动。当围压降低,渗透性增加。围压明显下降后,渗透率经历一个新的平衡的过程37]。一旦围压是松了一口气,compaction-fluctuation-axial岩石样本在轴向压力下的压失败。这一阶段包括第二压实期,第二个休克期,第二个增长段渗透率。

DE部分中,当围压维持在4 MPa和轴向压力的速度继续增加每次0.5 MPa,渗透率急剧降低连续两次,然后增加到2 e -毫米²。最后的渗透率是渗透性的218倍原岩应力状态;因此,含水层的渗透性变化岩石开采压力加载路径下完成(38]。

为了更好地理解围压和轴向压力的影响在岩层的渗透性,MD-2添加到部分nonactual改变负载面积;没有这样的变化趋势,在实际过程中,但它只延长卸货时间,没有对实验结果的影响。在加载过程中,轴向压力= 14.75 MPa,围压= 10 MPa,围压卸载在1 MPa,在0.25 MPa和轴向压力增加,这两个分别和交替发生。这压力加载路径不存在实际应力状态的样本。最后的渗透率与应力状态之间的关系在图中进行了描述4。

图中的绿色箭头表明一个实验卸1 MPa相同的轴向和围压下。结果表明,渗透率增加四倍五围压卸荷和渗透率降低。图中蓝线如图所示,水平渗透率问面积略有减少。经过五次的增加0.25 MPa在相同的轴向和围压下,渗透率降低的四倍,由图中红色线所示。显著增加横向渗透率发生在QP部分,表明轴向压力的增加会降低横向渗透率,主要是由于轴向压缩和压缩的效果。围压的下降会增加侧渗透,主要是由于围压卸载和扩张的影响。然而,当这两个因素共同行动,行动的重量的差异导致的渗透率。影响体重的围压和轴向压力横向渗透率与应力环境和破坏状态的岩石样本。裂缝方向和传播的规模内部岩石的断裂影响横向渗透率小范围之内。

两组数据反映在宏观水平上的一致性。的展品渗透系数急剧下降,然后稳定并略有波动,与应力状态的变化。这个过程中显示不同于规则的传统砂岩总应力-应变关系曲线。首先,砂岩渗透率展品快速下降趋势压力变化的小范围在加载的初始阶段。随后,渗透率低小的波动。第二,它表现出一个小波中晚时期的峰值荷载;然而,波的峰值低于原岩应力下的渗透率。第三,岩石经历了短暂的塑料阶段和破坏阶段。这三个点的主要原因有别于传统的总应力-应变曲线是煤层顶板砂岩地层在这个实验是模拟矿山压力的影响。压力和渗透率之间的关系,不同的加载路径,实验研究课题是基于横向渗透率的岩石和不同的渗流方向。 For the law of the experimental results, the pressure loading path was drawn according to the change trend of the confining pressure of No. III. In numerical simulation research, only the vertical pressure and permeability must be combined. The relationship between the horizontal permeability and the axial pressure of sandstone obtained from the experiment is divided into two sections; each section is fitted with a quadratic curve equation, which is used as the constitutive relation equation for later numerical simulation of the correlation between stress and permeability. This formula is not a theoretical derivation but has significance in practical engineering, particularly for mining areas under complex hydrogeological conditions. A more accurate constitutive equation has a better effect on the prediction of water inflow and the migration law of the groundwater flow field.

5。结论

(1)通过空心圆柱体试件的设计、原始渗透率测试实验是由一个垂直渗流模式渗透介质的渗流模式从外部到内部。此外,通过达西表达式的推导变换的渗透率测量层流流体考虑重力的影响,准确的提高渗透率计算公式可以推导出适用于类似的实验条件。水平渗透率的测量是一个科学的参考。(2)通过改进的测试方法,发现砂岩样品增加了轴向压力和降低围压的基础上,原岩应力。随着压力的变化,渗透率第一急剧下降,然后稳定,稍有波动,大幅增加。

数据可用性

在这项研究中生成的数据集是可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(没有。51774009),安徽省教育部门(没有。KJ2019A0134),安徽大学青年教师科研基金项目(没有科学和技术。QN2018123)和深部开采区域的岩石损伤的流变特性及其影响巷道稳定性(SKLMRDPC19ZZ08)。