文摘
煤渗透率扮演着一个重要的角色在同时开采煤炭和煤层气(CBM)。mining-disturbed煤的应力变化明显在煤炭开采活动,造成损害和破坏煤的质量,最终导致渗透率急剧增加。进行了常规三轴压缩和渗透率测试在三轴creep-seepage-adsorption和解吸实验设备调查mining-disturbed煤的渗透率演化。渗透率演化模型考虑应力状态和应力路径的影响在断裂传播特点的基础上,建立了渗透率不同变形阶段的煤炭质量。煤的应力-应变曲线分为弹性阶段、屈服阶段,塑性流动阶段。随着轴向应力的增加,渗透率降低,然后增加,曲线的拐点对应于屈服点。渗透率模型表现出良好的协议与实验数据和准确地反映测试结果的总体趋势。这项研究的结果提供了一个理论依据煤矿防灾同时开采煤炭和煤层气。
1。介绍
煤层气,也被称为气是一种非常规天然气生成在煤化作用和在煤层积累。尽管煤层气是一种清洁、高效的能源,也是煤矿灾害因素和温室气体。煤层气的开发可以减少煤矿事故的发生和温室气体排放,减少能源短缺。煤层的渗透率是影响煤层气开发的决定性的参数。在中国,煤层的特点是高地应力、强烈的吸附特性,和低渗透,使提取煤层气相对困难的1,2]。因此,提高煤层的渗透率对煤层气的有效提取是至关重要的。煤层开采时,压力mining-disturbed煤发生复杂的变化,导致变形、破坏,煤的渗透性增强。因此,同时开采煤炭和煤层气在中国得到了广泛的推广和应用。
煤的渗透率模型的基础规划瓦斯抽放钻孔、提高瓦斯抽放效率。学者进行了大量研究煤层渗透率模型。史和Durucan3)提出了一个渗透率模型,考虑气体解吸在线性弹性单轴应变条件下煤层。刘等人。4)建立了一个双孔隙度模型考虑煤变形引起的气体吸附。Connel et al。5)建立了煤的渗透率模型对三轴压力和气体吸附条件基于多孔弹性理论。佩雷拉et al。(6派生一个三轴应力煤渗透率模型基于弹性理论与注气压力、围压应力,轴向载荷和气体吸附作为控制变量。陆et al。7)计算孔隙度变化从煤炭matrix-fracture交互的角度,建立了渗透率模型和不同的机械边界下有效应力和吸附变形的联合行动。上面的渗透率模型没有考虑煤炭损失和破坏对渗透率的影响。在煤炭开采活动,mining-disturbed煤的应力变化明显,造成损害和破坏煤的质量,最终导致渗透率急剧增加。因此,迫切需要研究mining-disturbed煤的渗透率演化模型。
学者们关注的影响近年来煤渗透率损害和破坏。谢et al。8)被认为是造成的损害后的煤基质收缩瓦斯抽放和建立了煤渗透率模型来描述煤渗透率的空间和时间分布的有效影响区内钻孔。Zhang et al。9)建立了损伤变量直接相关的有效应变和发展的动态模型渗透率演化使用标量损伤变量。雪et al。10)考虑开挖破坏煤渗透率的影响,建立了postpeak渗透率模型基于平行板模型。经历的应力路径煤炭质量决定了骨折的传播特点,确定渗透率的变化规律。另一方面,初始应力状态也明显影响裂缝延伸和渗透。然而,很少有研究调查的影响,初始应力状态和应力路径的传播特性骨折和渗透率的变化。
在这项研究中,进行了力学和渗流实验煤来获取与应变渗透率的演化规律。渗透率模型考虑初始应力状态和应力路径的影响建立了断裂传播特性并通过实验数据验证。这项研究的结果提供了一个理论依据煤矿防灾同时开采煤炭和煤层气。
2。试验研究渗透率演化Mining-Disturbed煤
2.1。标本
煤炭用于测试收集从2号中兴煤矿的煤层。煤矿被打破和低强度由于构造应力,使得它难以获得原煤试样。研究表明,尽管重组煤炭标本变形和渗透率比原煤标本,其变形特征和渗透率演化是相似的11]。因此,重组煤炭样本用于测试。
煤颗粒筛分奖金的网格是混有少量的水,挤进一个模子。200 kN的压力应用到模具1 h,标本,直径50毫米和100毫米的高度。标本被置于60°C真空烘箱冷却后48 h和包装与新鲜电影的后续分析。
2.2。实验方法
进行了常规三轴压缩和渗透率测试三轴creep-seepage-adsorption和解吸实验装置。设备由一个伺服加载系统,adsorption-desorption-seepage系统,气体压力控制系统、温度控制系统和变形测量系统。
采用稳态法测量渗透率的标本。渗透率的计算如下: 在哪里渗透率(m2),气体运动粘度,是出口的气体压力的标本(0.1 MPa),标本的长度(米),是气体渗透速率(m3/秒),标本的横截面积(m2),的气压在进口标本(MPa)。
三个标本被选中,和轴向压力和围压应力以相同速度的静水压力状态2,4,8 MPa,分别。随后,围压应力保持不变,轴向应力应用100 N / s的速度,直到标本失败了。在测试期间,变形和天然气渗流特征都被记录下来。为方便分析,渗透率(m的单位2)被转换为毫达西;他们的关系是 。
2.3。结果和分析
图1给出了应力-应变曲线和permeability-strain曲线之间的关系。应力-应变曲线可分为弹性阶段、屈服阶段,塑性流动阶段。在屈服阶段后,应变表现出塑性流动的特点,和失败的标本没有明显迹象表明。试验停止后标本显示塑料流动特性,以防止压力超过测量范围和破坏应变传感器。在图1,# 1煤炭样本作为一个例子,和点 , , ,和代表加载的起点,扩大一点,屈服点,分别和结束测试。在最初阶段,试样的体积不断被压缩,和体积应变逐渐增加。从点 ,标本膨胀,体积应变下降。随着轴向应力的增加,渗透率降低,然后增加,曲线的拐点对应点 。
(一)# 1煤试样
(b) # 2煤试样
(c) # 3煤试样
在变形过程中,渗透率取决于有效孔隙度。有一些新的骨折 - - - - - - 阶段,主要的骨折是弹性压实下轴向应力增加。在这个阶段,试件处于弹性变形状态,和渗透率随体积压缩。从点 ,体积膨胀,磁导率继续下降。拉伸裂隙煤中逐渐形成平行于轴向应力的方向,导致体积膨胀。然而,这些裂隙不连接,有效孔隙度不增加。同时,轴向应力的增加会导致关闭主骨折。因此,即使体积膨胀,磁导率继续下降。从点 ,新裂缝的连通性增加,渗透率增加体积膨胀。
图2后显示的故障特征煤炭标本实验。三个标本都遭受了剪切破坏,失效裂纹和轴向方向的夹角随围压的增加。标本# 2和# 3还显示拉伸断裂,这可能是由于样品的力学性能和设备性能的限制。
(一)# 1煤试样
(b) # 2煤试样
(c) # 3煤试样
3所示。Mining-Disturbed煤渗透率模型
3.1。渗透率模型处于弹性阶段
的毛孔液流被称为有效毛孔,而其他毛孔被称为无效的毛孔。有效和无效的毛孔中存在原煤和重组煤在一定压力条件下,只有有效的毛孔影响渗透率。
煤的渗透率可以使用Kozeny-Carman方程表示如下: 在哪里渗透率(m2),有效孔隙度,单位体积的表面积是毛孔的煤炭,然后呢煤的曲折系数相关骨折。
当煤经历弹性变形由于外部压力,只有开放和骨折的形状改变。因此,参数可以被看作是一个常数。方程(1)可以改写如下: 在哪里 , ,和和 , ,和是系数、渗透率和有效孔隙度煤炭质量变形前后分别( )。
煤的总孔隙度可以通过下列方程表示: 在哪里和分别变形前后的总孔隙度; , ,和初始孔隙体积,煤炭质量体积,和固体骨架的体积煤,分别; , ,和孔隙体积的增加,煤炭质量体积,和固体骨架体积,分别;和是体积应变。
如果 ,即。,regardless of changes in the volume of the skeleton, then
的体积应变方程(5)是煤中孔隙单方面造成的。
只有有效孔隙的变化会影响渗透率的煤炭质量变形。在这里,一个系数介绍了代表的比例造成的体积应变有效孔隙在这个阶段总的体积应变( , )。根据方程(5),变形后煤的有效孔隙度 在哪里是造成的体积应变有效的毛孔。
因为初始应力状态和应力路径影响骨折的传播特性,方程(7)反映了初始应力状态和应力路径的影响断裂传播特性和渗透性的煤炭质量。
3.2。在破坏阶段渗透率模型
煤炭质量受损时,主裂缝扩大,并创建新的骨折。因此,参数在方程(1不再是一个常数,方程可以改写如下: 在哪里是总表面积毛孔的煤炭质量,然后呢煤炭质量体积。
然后,初始渗透率
煤炭质量受损时,孔隙的表面积的变化:
渗透率变得
我们获得
我们假设孔隙表面积的变化可以忽略;因此,方程(12)可以简化为
如图1,点的起点是扩张和伤害。为 - - - - - - 阶段,方程(13应该写成) 在哪里 , ,和的渗透率、有效孔隙度和体积应变的起点扩张,分别和 , ,和的渗透率、有效孔隙度和体积应变的吗 - - - - - - 阶段,分别。
从点煤样品被损坏 ,和体积继续扩大。然而,有效孔隙度并没有增加,因为这个阶段的拉伸裂隙生成不连接。此外,随着轴向应力的增加,主裂缝继续关闭,导致渗透率下降。的系数介绍表达造成的体积应变的比值有效孔隙体积应变总在这个阶段,也就是说, 。的趋势造成的体积应变有效的毛孔是相反的总体积应变;因此, 。
根据方程(5),有效孔隙度 - - - - - - 阶段可以获得
根据方程(6),我们得到
方程(17)是渗透率的理论模型 - - - - - - 阶段。
如果初始条件屈服点,方程(13应该写成) 在哪里 , ,和和 , ,和的渗透率、有效孔隙度和体积应变屈服点和煤的 - - - - - - 阶段,分别。
的渗透率增加点因为有效孔隙度的增加。的系数介绍表达造成的体积应变的比值有效孔隙体积应变总在这个阶段( , )。
根据方程(5),有效孔隙度 - - - - - - 阶段可以获得:
根据方程(15),我们得到
方程(21)是渗透率的理论模型 - - - - - - 阶段。方程(17)和(21)也反映了初始应力和应力路径的影响断裂传播特性和渗透性的煤炭质量。
3.3。渗透率模型的验证
在前面的小节中,不同变形阶段的渗透率演化模型是通过理论推导获得的。随后,常规三轴压缩和渗透测试的结果被用来验证渗透率模型。初始样本的有效孔隙度确定。根据测试协议(12,13),标本的有效孔隙度与不同围压应力值测量使用三轴creep-seepage-adsorption和解吸实验装置。有效的疏密度是0.08,0.06和0.043,当围压应力值2 MPa, 4 MPa,分别和8 MPa。随着围压应力的增加,有效孔隙度减少。在渗透率实验中,这是规定是一个积极的价值当试样压缩和负价值扩展,这是相反的规定渗透率模型。因此,负面迹象被添加到体积菌株的渗透率模型。我们使用方程(7适合的测试数据) - - - - - - 阶段,方程(17适合的测试数据) - - - - - - 阶段,方程(21适合的测试数据) - - - - - - 阶段。当测试数据与拟合方程(17)的价值方程的拟合结果(7)。同样的,当方程(21)用于适应测试数据,的值和方程的拟合结果(7)和(17),分别。
数据3- - - - - -5显示渗透率的拟合结果和表1列表的结果参数。可以看出的渗透率模型 - - - - - - 阶段和 - - - - - - 阶段的渗透率数据吻合。的参数和减少与围压应力的增加,表明体积应变的比值有效毛孔造成的总的体积应变随围压应力的增加而减小,和渗透率的敏感性体积应变下降。的拟合结果 - - - - - - 阶段稍差,的变化规律与围压应力是不明显的。然而,渗透率模型和测试数据的总体趋势是相同的。
4所示。讨论
mining-disturbed煤的应力状态改变了采矿活动,导致弹性变形甚至破坏,改变煤渗透率(14- - - - - -16]。实验结果表明,煤的有效孔隙度随轴向应力增加在弹性变形阶段,导致渗透率下降。拉伸裂隙煤从点开始形成 ,和煤开始扩大。然而,拉伸裂隙不连接,有效孔隙度不增加。同时,原始孔隙减少轴向应力增加。因此,虽然煤炭继续扩张,但渗透率仍然是减少的 - - - - - - 阶段。从点 ,拉伸裂隙连接,有效孔隙度增加。扩大煤的渗透率增加体积。因此,渗透率的演化规律密切相关的传播特征煤炭骨折。
建立一个合适的mining-disturbed煤的渗透率模型理解煤中的流体渗流机制的关键(17,18]。大多数现有的渗透率模型是基于煤层气开发而忽略损伤对渗透率的影响。谢et al。19)被认为是破坏煤的体积变化引起的裂缝耦合的支承压力在不同开采条件下,孔隙压力,扩张引起的气体吸附和提出了一种新的mining-enhanced渗透率的话意思渗透率的变化,煤的体积变化。程等。20.)提出一种新的模型与应变作为卸货破碎煤的变量通过考虑有效应力和气体吸附/解吸变形的影响。尽管这些研究奠定了基础,描述mining-disturbed煤的渗透率演化规律,他们都忽视了孔隙类型对渗透率的影响。本文建立渗透率模型考虑的影响渗透率的有效和无效的毛孔。初始应力状态和应力路径影响煤炭骨折的传播特性(21,22]。因此,该模型能准确反映初始应力状态和应力路径的影响渗透。
mining-disturbed煤的渗透率分布规律的基础上实现同时开采煤炭和煤层气。初始应力影响煤炭骨折的演化特征,进而影响渗透率。实验结果表明,初始围压应力越高,灵敏度越低渗透率的体积应变,解释穷人长途保护煤层的渗透性增强。渗透率分布规律可以获得使用拟议中的渗透率模型的体积应变保护煤层,使同时开采煤炭和煤层气。
5。结论
(我)煤的应力-应变曲线分为弹性阶段、屈服阶段,塑性流动阶段。随着轴向应力的增加,渗透率降低,然后增加,曲线的拐点对应的屈服点(2)煤炭质量是应力状态的改变在采矿活动,导致弹性变形,甚至损坏。有效和无效的毛孔中存在原煤和重组煤在一定压力条件下,只有有效的毛孔影响渗透率(3)随着围压应力的增加,造成的体积应变的比值有效孔隙体积应变总量减少,和体积应变的渗透率的敏感性降低。初始应力状态和应力路径影响的传播特征煤炭骨折,影响渗透率的演化规律
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号51704164)。