试验研究力学性能和渗流定律原煤变量下装卸率

文摘

这个手稿研究变量轴向压力加载速率和变量的影响围压卸荷速率对变形行为和渗流特征的原煤交替装卸的轴向压力和围压。它认为随着轴向应力增加,轴向应变减少,径向应变增加,渗透率减少, , ,和增加当围压降低。加载的轴向压力和围压卸荷,振幅的变化 , ,和值逐渐降低。在轴向应力加载过程中,振幅的增加是比和减少的振幅 ,这表明更敏感的轴向应力比吗和。在卸围压,增加的速度是比和 ;同时,显示灵敏度高围压。在轴向应力加载和围压卸载阶段,变形的演化规律和渗透率参数基本上是符合装卸率的变化。

1。介绍

与高稳定丰富的煤炭资源开采和供应使得煤炭是中国最重要的能源之一。由于浅层煤炭资源的枯竭,煤炭开采是逐步推进到地层深处。深地层不仅有复杂的地质条件,是出了名的难以利用,但也在复杂环境与高地应力、高渗透压,地面温度高、低渗透,具有煤与瓦斯突出的风险增加,岩爆等矿山动力灾害。有效的预测和预防矿山动力灾害的技术水平已成为一个颇受关注的领域近年来国内外许多研究人员(1- - - - - -10]。

煤炭开采过程中,开挖,钻井,孔钻孔煤层和岩层导致采动应力的变化和局部应力集中,导致变形,不稳定,煤岩体的失败。煤层开挖过程中漂流,方法减少开挖速度和循环开挖镜头通常用来降低煤岩体的变形和破坏。因此,研究背后的动机是降低矿山动力灾害的风险通过改变压力装卸率,对力学性能有重要影响,煤岩体的渗流特征。目前,国内外学者进行了大量的研究在煤岩力学性能不同的装卸率。

阴et al。11]研究了装卸率对膨胀的影响特征,砂岩真三轴应力下的膨胀特性,发现砂岩的失败时明显的卸货率增加,而膨胀砂岩逐渐落后,而膨胀能力降低了,当加载速率降低。谢et al。12)与三个不同的采矿方法使用装卸率比率分析原煤的力学性能,结果表明,煤炭的开采方法对采矿行为特征有相当大的影响。陆和秦13原煤)使用了一个卸围压实验,发现增加卸围压速率将大大促进含瓦斯煤岩的变形和破坏,减少能量损失。赵et al。14]研究装卸率的影响砂岩的力学和渗流特性使用循环加载和卸载,和结果表明,越来越多的周期会增加砂岩的变形模量,和随后的渗透率的变化规律”∞。“王et al。15]研究红砂岩的变形和断裂特征在不同的应变率,发现随着应变率的增加,试样的强度先降低,然后增加,而起始应力诱导的比率和破坏应力强度当发生故障时总是显示一个下降的趋势。贾et al。16)进行煤岩渗透测试减少孔隙压力和全应力-应变渗流试验,考虑温度应力构造煤岩渗透率模型,并讨论了煤岩瓦斯渗流的进化机制作用下的温度和压力。白等。17)建立破坏煤的渗透率模型和岩石三轴应力下装卸和基于测试结果验证了渗透率模型。李等人。18]研究岩体单轴载荷作用下的声发射波形特征的基础上简要地变换。Zhang et al。19]研究了孔隙流体的力学作用机理制备的煤岩动力灾害的干扰下循环外部负载在不同支承压力面前的矿业领域。李等人。20.L]建立了改性双吸附模型和煤岩渗透率模型考虑到温度和孔隙压力的耦合效应,验证其合理性测试结果和测试比较。

上述研究是具有重要意义的准确理解装卸率的影响在煤岩体的变形和渗流特征。进一步了解装卸率的影响原煤的机械性能和渗透率演化规律,进行实验研究。变量轴向加载速率和变量的影响卸围压速率变形,断裂,原煤在交变轴和渗透率特征分析了围压加载和卸载。额外的研究的目标是对巷道支架提供可靠的建议,设计,和室的开挖,以及围岩稳定性分析。

2。样本和测试方案

2.1。制备的标本

原煤标本中使用这个测试从Shamushu四川煤矿煤炭工业集团。块煤加工成标准原煤标本的维度通过实验室流程毫米。结束不均匀控制在0.05毫米,原煤样品的基本参数如表所示1,原煤标本的密度是1.513克/厘米³。原煤标本图所示1。


不。	直径(毫米)	高度(毫米)	重量(克)

S1	49.98	99.96	296.54
S2	49.96	99.96	296.58
S3	49.94	99.96	296.86
S4	49.98	99.96	296.89
S5	49.96	99.96	296.32
S6	49.96	99.96	296.18
S7	49.96	99.96	296.58
S8	49.98	99.96	296.75

2.2。试验装置

在测试使用的仪器是thermal-fluid-solid耦合渗流装置独立开发的含瓦斯煤岩(重庆大学21),如图2。系统由一个加载控制系统,压力和应变采集和分析系统,内部密封渗流系统,声发射监测系统。测试系统可以执行实验标本的大小( 毫米)和( 毫米),可以提供1000 kN的最大轴向压力,最大60 MPa在径向方向上,围压和最大气体压力6 MPa。系统能够进行实验测试失败,渗流,和水力压裂在耦合的多个采动应力路径下,气体压力和温度。

2.3。测试程序

原煤试样放置在装运箱。轴向应力和围压加载的加载速率0.2 kN / s 7 MPa的静水压力和CH₄气体在2 MPa然后通过入口。测试后进行煤试样吸收持续2小时,和出口流动是稳定的。测试加载程序如图3。在该测试中,交替加载轴向压力(2.42 MPa)和卸载围压(0.5 MPa)采用改变轴向压力加载速率和卸围压速率,分别探讨其影响原煤的变形和渗透率特征。总结了具体的装货率测试表2。轴向压力和围压加载卸载后到达指定的目标价值,加载模式改为位移控制加载,加载速率为0.00167毫米/秒,直到原煤试样破坏。在装卸、质量流量计用于监测气体流量的出口,和达西定律是用来计算原煤样品的渗透率在不同装卸率提供如下(17,21]: 在哪里是原煤样品的渗透率,m²;原煤试样的长度,米;是在标准条件下气体流量,米³/ s;是动态粘度的气体,Pa·s;是原煤试样横截面面积,m²;环境压力,MPa;入口气体压力结束,MPa。

(一)变量轴向压力加载速率路径(标本S1-S4)


轴向压力(MPa)	轴向压力的加载速率(kN / s)				围压(MPa)	卸围压速率(kN / s)
	S1	S2	S3	S4

7	0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5	0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 0.01	0.01 0.05 0.2 0.5 0.2 0.05	0.5 0.2 0.05 0.01 0.05 0.2	7	0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
9.42					6.5
11.83					6
14.25					5.5
16.67					5
19.08					4.5
21.5					4

(b)变围压卸荷速率路径(标本S5-S8)


轴向压力(MPa)	轴向压力的加载速率(kN / s)	围压(MPa)	卸围压速率(kN / s)
			S5	S6	S7	S8

7	0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05	7	0.001 0.002 0.005 0.01 0.02 0.05	0.05 0.02 0.01 0.005 0.002 0.001	0.002 0.005 0.02 0.05 0.02 0.005	0.05 0.02 0.005 0.002 0.005 0.02
9.42		6.5
11.83		6
14.25		5.5
16.67		5
19.08		4.5
21.5		4

3所示。测试结果和分析

3.1。下的应力-应变渗透率曲线分析变量轴向压力加载速率

在交变加载和卸载条件下,原煤的stress-strain-permeability曲线样本变量轴向压力加载速率图所示4。标本在测试期间S4很小的渗透性,可以观察到,没有相当大的变化规律;因此,渗透率的演化的标本被忽略。每个轴向应力的增加2.42 MPa导致轴向应变的增加和径向应变以及渗透率的下降。这是因为增加轴向应力引起的轴向压缩变形和径向扩张原煤标本,从而增加轴向和径向压力。原料煤的孔隙裂缝压缩,渗流通道缩小,导致渗透率的下降。当围压降低了0.5 MPa, , ,和增加。这可以归因于这样一个事实:围压卸载导致原煤试样径向扩张,增加的 ,增加原煤的孔隙裂缝面积相对减少裂纹tortuousness和膨胀的气体渗流通道,从而最终显示出渗透率的增加。加载的轴向压力和围压卸荷,振幅的变化 , ,和所有逐渐减少。在轴向力加载的过程中,增加的幅度是比的下降幅度 ,这表明更敏感的轴向应力比吗和。然而,有一个小变化振幅在围压卸载,显示低围压的敏感性。同样,在围压卸载,振幅的增加是比和 ,和显示了一个高灵敏度的围压。

(一)Stress-strain-permeability原煤试样曲线S1

(b) Stress-strain-permeability原煤试样曲线S2

(c) Stress-strain-permeability原煤试样曲线S3

(d) Stress-strain-permeability原煤试样S4的曲线

轴向应变为代表 ,由径向压力 ,体积应变为代表 ,,计算公式如下:

在哪里轴向变形,mm;样品的高度,mm;径向变形,mm;样品的直径,毫米。

与轴向载荷的变化与位移加载模式,增加的幅度标本S1先增加然后减少,振幅的增加标本S2和S3逐渐增加直到标本损坏。当原煤标本损坏,峰值强度为40.39 MPa标本S1, 26.66 MPa标本2,36.25 MPa标本S3, 46.61 MPa标本S4。强度各向异性是由于初始微裂隙内原煤试样在不同方向引起的轴向加载速率的变化,以及煤样的结构的各向异性(分层和夹板结构),导致强度差异很大。

3.2。应力-应变分析渗透率曲线速度变量卸围压下

在交替加载和卸载条件下,原煤试样在变量的stress-strain-permeability曲线围压卸载率如图5。当轴向应力增加2.42 MPa和围压降低了0.5 MPa,轴向应变的变化,径向应变,渗透率如图显示了类似的模式4。加载的轴向压力和围压卸荷,振幅的变化和逐渐减少。然而,变化幅度显示了不同的趋势。在交变加载和卸载,显示了一个交替增加和减少模式,同时,它显示了一个总体下降的趋势。在相同的轴向加载过程中,增加的幅度是比的下降幅度 ,和更敏感的轴向压力和围压较不敏感。在卸围压过程中,增加的幅度是比和卸围压过程,是围压更敏感。原煤的峰值强度值标本S5-S8 56.60 MPa, 33.19 MPa, 42.09 MPa,和43.23 MPa,分别时损坏。初始裂纹的萌生和扩展煤炭样本结构的各向异性导致原煤强度的差异。

(一)Stress-strain-permeability原煤试样S5的曲线

(b) Stress-strain-permeability曲线原煤标本S6

(c)原煤标本的S7 Stress-strain-permeability曲线

(d) Stress-strain-permeability原煤试样S8的曲线

4所示。讨论

4.1。变量轴向加载速率对应变的影响和渗透

探讨轴向应变的演化规律 ,径向应变 ,和磁导率原煤的变量条件下的轴向加载速率的公式(5)- (7)是用于计算的变化率 , ,和随着时间的推移。

在哪里 , ,和是轴向应变的变化速度、径向应变,和渗透率随着时间的推移,分别在替代变量加载率下装卸阶段。计算结果如图所示6。的和原煤在提高阶段的轴向压力的变化值大于围压卸载阶段,但是小于增加围压卸载阶段的价值。在轴向应力加载阶段, , ,和k 显示相同的加载速率的变化规律。随着加载速率的增加, , ,和逐渐上升,他们总是表现的关系 ;加载速率降低, , ,和先降低,然后增加;随着加载速度先增加然后减少或先增加然后减少, , ,和显示相同的变化规律。在相同围压卸荷速率的阶段, , ,和所有显示增加的变化趋势,总是大于和。

(a)应变变化率和原煤试样渗透率S1

(b)应变变化率和原煤试样渗透率S2

(c)应变变化率和原煤试样渗透率S3

(d)的应变和渗透率变化率原煤标本S4

4.2。的影响变量围压卸载率的变化率应变和渗透率

探索应变的演化规律和渗透率变量下的原煤试件围压卸载率,公式(5)- (7)是用于计算的变化率 , ,和随着时间的推移,和计算结果如图7。 , ,和显示相同的变化规律与围压卸载率。作为卸货率与围压的增加, , ,和不断增加;作为卸货率降低, , ,和逐渐减少;作为卸货速度先增加然后减少或先增加然后减少, , ,和显示相同的变异。在卸载阶段与围压有关,总是保持最低。加载过程中总是保持相同的轴向压力加载速率,然后呢总是大于与围压卸载阶段。变化的振幅和并不重要。总是不断增加,但变化幅度也不是很大。

(a)的应变和渗透率变化率原煤标本S5

(b)应变变化率和原煤标本S6的渗透率

(c)应变变化率和原煤试样S7渗透率

(d)应变变化率和原煤试样S8的渗透性

5。结论

本文进行研究的影响变量轴向压力加载速率和变量卸围压速率应变行为和渗流特征的原煤交替下轴向压力和围压的加载和卸载。主要结论如下:

随着轴向应力增加,轴向应变减少,径向应变增加,渗透率减少。当围压降低, , ,和增加。

加载的轴向压力和围压卸荷,振幅的变化 , ,和值逐渐降低。在轴向应力加载过程中,振幅的增加是比和减少的振幅 ,这表明更敏感的轴向应力比吗和。

在卸围压,增加的速度是比和 ;同时,显示灵敏度高围压。

在轴向应力加载和围压卸载阶段,变形的演化规律和渗透率参数基本上是符合装卸率的变化。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现没有提供,因为研究项目正在进行中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家地方联合工程实验室研究基金深矿井的瓦斯抽放与地面控制(河南理工大学)(没有。SJF202004)和怀安自然科学研究项目(HAB202154)。

引用

l .元”战略思想的同时在深部开采,开采煤炭和天然气”中国煤炭学会杂志》上第41卷。。1、1 - 6,2016页。视图:谷歌学术搜索
h·谢,”国家重点研究发展计划的研究评论中国:深层岩石力学和采矿理论,“中国煤炭学会杂志》上,44卷,不。5,1283 - 1305年,2019页。视图:谷歌学术搜索
y邹和b . Cheng”试验研究加载过程的映射机制的岩石和煤与瓦斯渗透率、”煤炭科学技术卷,47号11日,第230 - 224页,2019年。视图:谷歌学术搜索
谢z孟,b . Wang x, y雪,和x Du,“煤变形的力学性能及其对渗透率的影响,“中国煤炭学会杂志》上,37卷,不。8,1342 - 1347年,2012页。视图:谷歌学术搜索
耿y”的复合机制动态灾难预防和综合技术在深矿井,”在煤矿安全卷,47号11日,第76 - 73页,2016年。视图:谷歌学术搜索
j . y . Cheng傅,余问:“天然气开采技术的发展在中国的煤矿,”《采矿与安全工程,26卷,不。2、127 - 139年,2009页。视图:谷歌学术搜索
陈c .江y高,美国,美国,”研究的分类和识别指标对气体在煤矿动力灾害,”中国煤炭学会杂志》上,32卷,不。2、159 - 162年,2007页。视图:谷歌学术搜索
h .局域网,d·陈,d .毛“深部开采现状和灾难预防在中国,“煤炭科学技术,44卷,不。1,39-46,2016页。视图:谷歌学术搜索
m .段c .江x郭,k, x,和h·马”试验研究机械和煤炭循环真三轴荷载作用下损伤特点,“中国岩石力学与工程学报,40卷,不。6,1110 - 1118年,2021页。视图:谷歌学术搜索
李x和b·林”状态对煤与瓦斯突出机理的研究和分析,“煤炭地质与勘查,38卷,不。1、7 - 13,2010页。视图:谷歌学术搜索
g .阴马b, c·刘,m·李和s .阴”装卸率对力学性能的影响和能量特征,砂岩在真三轴压力下,“中国煤炭学会杂志》上,44卷,不。2、454 - 462年,2019页。视图:谷歌学术搜索
h·谢·h·周,j . et al .,“采动煤层的力学行为在不同开采布局,“中国煤炭学会杂志》上,36卷,不。7,1067 - 1074年,2011页。视图:谷歌学术搜索
y Lu和h .秦”,调查机械响应和能量耗散监禁卸煤含有甲烷的性质,“中国煤炭学会杂志》上,37卷,不。9日,第1510 - 1505页,2012年。视图:谷歌学术搜索
h .赵张d、g .扁和w·李”变形和砂岩的渗透率在不同循环加载-卸载率,”中国工程杂志,39卷,不。1,140页,2017。视图:谷歌学术搜索
p h . Wang粉丝,m . Wang w·李和y .钱,“应变率对渐进破坏过程的影响和特点强调的红色砂岩,”岩石和土力学,32卷,不。5,1340 - 1346年,2011页。视图:谷歌学术搜索
j·l·贾b . Li Li z高,j .徐,吴x”的渗透率演化机制研究烟煤生产阶段温度的影响下,“中国岩石力学与工程学报41卷,页1 - 15,2021。视图:谷歌学术搜索
x呗,d . Wang b, d, f . Ren, h . Li“三轴应力下的渗透率模型破坏煤炭装卸,”中国岩石力学与工程学报,40卷,不。8,1536 - 1546年,2021页。视图:谷歌学术搜索
x李、陈,s . Liu和z,“AE岩体单轴载荷作用下基于波形特征简要地变换,“中南大学学报。,28卷,不。6,1843 - 1856年,2021页。视图:谷歌学术搜索
z, c中,k .雪和秦,“机械机制孔隙流体的煤矿动力灾害在循环荷载下,“中国煤炭学会杂志》上,46卷,不。2、466 - 476年,2021页。视图:谷歌学术搜索
杨z . b . Li高,k . et al .,”研究煤adsorption-permeability模型耦合下的温度和孔隙压力,”中国岩石力学与工程学报,39卷,不。4、668 - 681年,2020页。视图:谷歌学术搜索
j·g .阴w . Li徐et al .,“压裂和渗流实验系统的开发和应用为基本字段和多孔介质多相耦合,”中国岩石力学与工程学报,35卷,不。S1, 2853 - 2861年,2016页。视图:谷歌学术搜索

Geofluids

文摘