文摘

为了研究的渗流规律破碎煤层受多个采矿作业,循环加载和卸载渗流实验。为此,破碎的渗流规律不同煤和岩石样本比率进行了分析。我们的研究结果表明,破碎的渗透率样本显示一个下降的趋势。装卸循环后,渗透率明显降低。破碎的样本上的加载阶段的影响高于卸载阶段。当煤的比例混合样品的颗粒破碎的煤和岩石为50%,不可逆转的渗透率损失率和渗透率损失率的样品显示值最高。不可逆转的渗透率损失率和破碎岩体的渗透率损失率大于那些破碎的煤所显示质量。应力敏感性系数曲线的5种破碎煤岩体呈现相同的变化。应力敏感性系数曲线和一个指数显示的有效应力的关系。

1。介绍

煤炭开采逐渐表现在更深的深度,煤层组更频繁的发生(1]。在深煤层的开采,开采煤层的应力路径有经验,围岩裂隙的发展领域,气体渗流变得复杂和不稳定。这使得很难理解气体迁移和富集的特点在重复开采的煤层。原因是煤层开采产生的压力释放和增压unmin煤层。这将导致一些煤层煤层开采期间多次进行装卸过程(2]。周期性的压力的影响,工作面采空区上覆岩层的进步应力场重新分配。这导致采空区上覆岩层的总是出现在增压区或卸压区。在这个重复装卸动作下,煤层逐渐从一个完整的状态变化到破碎的状态。这个过程改变了煤层的孔隙结构,因此,气体渗流法不能准确地确定。当煤炭的身体坏了,煤层包括破碎的煤颗粒。特别重要的研究孔隙结构和破碎煤岩体的渗透性进行循环加载和卸载过程。

学者开展研究破碎煤的孔隙结构和渗流规律和岩体在压力之下。麦克科考et al。3)进行多个渗透率测试和无量纲方程获得破碎岩石的渗透系数与各种粒子大小。Pradeepkumar et al。4)确定破碎岩石的渗流遵守Forchheimer方程和Missbach方程。钱等。5总结了大量的测试结果和得出结论,在高压下,破碎岩体的渗透系数相比提高了一个数量级与完整岩体。此外,在原位开采破碎岩体的渗流一般不符合达西定律。商等。6)获得破碎的煤样在不同粒子的孔隙度大小。根据他们的研究结果,孔隙度与有效应力的增加逐渐下降。此外,这个参数是负相关与围压的变化规律。王等人。7)发现的主要原因减少孔隙空间和渗透率损失碎煤和岩石样本下装卸循环是煤和岩石的rebreaking粒子。根据朱et al .,逐渐破碎煤样的孔隙度和渗透率随压力增加而降低。在应力加载过程中,破碎的煤样的内在物理结构改变,和煤颗粒又坏了。这个过程进一步影响他们的渗透率。Yu et al。8)确定应力加载的初始阶段,孔隙度降低,渗透率降低以线性方式。后,渗透率下降较为缓慢,最后,减少孔隙度渗透率突然下降。Zhang et al。9,10)报道,较大的煤的比例混合破碎的煤和岩石的样本,渗透率越小,渗透率应力敏感性越高。随着装卸的循环次数的增加,应力敏感性逐渐降低了。王等人。11)确定,渗流速度和渗透率和孔隙度之间的关系可以安装使用权力和指数函数。当破碎的煤样的孔隙度高,渗透率与应力加载过程。当孔隙度很小,磁导率趋于稳定,不显示与应力加载过程的关系。Zhang et al。12)发现大型煤颗粒的比例越高(20 - 25毫米)的破碎煤样品,渗透率越高和稳定性。此外,更大的小煤颗粒的比例(5 - 10毫米),渗透率越大。小煤颗粒提供了一个大型煤炭颗粒填充作用。

这些研究人员还分析了渗流定律破碎煤使用压力效应和孔隙结构和数据比较和分析了不同粒径的煤样。然而,在破碎的样品实验研究,很少有研究破碎样品与煤和岩石颗粒混合,还有少研究循环加载和卸载应力路径。因此,本文结合以上两个方面,五种不同煤岩样品破碎率,和渗透率的变化研究了五种样品的作用下循环加载和卸载。测试了样品的渗透率的目的是提高煤层瓦斯抽放效率。建立的模型在文献[13,14)有效地反映了透气性变化规律在压裂。

2。实验

2.1。实验室设备

气体流量和位移检测设备包括加载系统、高压蒸汽,空气供给和减压系统,温度模拟系统,采集控制系统,如图1。加载系统能够加载煤样品,同时维护一个径向压力。气体通过煤样和进入流量计来测量磁导率。实验装置的原理图所示2。

2.2。实验样品

煤和岩石被选从淮北煤田3块₂煤层,位于安徽省。矿井地面高程是+ 24.5 ~ + 25.2米,和工作面海拔509 ~ 680−−。这些实验的煤层选择与烟煤在中等和高变质度之间。选择了岩体的屈服区工作面。煤和岩石块地面,直到粒子的直径相同。选煤和岩石颗粒的直径是5至10毫米。煤和岩石颗粒混合以获得样品直径50毫米和100毫米的高度,如表所示1和图3。

2.3。实验程序

循环加载和卸载应力路径如图2。样品放置在实验设备后,温度调整到20°C和恒定的温度进行了测试。在加载过程中,轴向压力和围压设置2 MPa,进气压力调整到0.5 MPa,氦是冲进实验装置,轴向压力和围压维持持续5分钟。轴围压加载每隔2 MPa,直到轴向压力和围压达到16 MPa。卸货过程中开始的间隔20分钟后每个加载。在卸货过程中,轴向和围压卸载在步骤2 MPa,直到最终的值是2 MPa和第一个装卸循环和渗透率测试完成后16]。之后,同样的方法被用来进行渗透试验在第二和第三阶段的轴向和密闭装卸流程。当轴向和围压在第三阶段卸载达到2 MPa,渗透率测试完成。装卸的测试路径和有效的加载和卸载应力路径图所示2。

方程(1)已被广泛用于计算圆柱形煤样品的平均有效应力: 在哪里平均有效应力(MPa),轴向压力(MPa),煤样的入口压力(MPa)。

由于煤是一种多孔介质,煤层气体流动大致可以由一个线性渗流定律描述。公式用于计算可压缩气体的轴向磁导率可以得到正常化的流量和压力达西定理渗透率公式: 在哪里是煤渗透率(md),对应于气体流速(cm³/秒),是气体粘度系数(Pa·s),指出煤炭样本长度(厘米),是煤炭样本根据地(厘米²),和对应的相对气体压力在进口和出口处标原煤样品,分别(MPa)。

为了消除潜在的孔隙结构差异引起的体积和形状变化的破碎煤和岩石颗粒,无因次渗透率的概念被引入。无因次渗透率认为初始渗透率为基准和随后的渗透率为基准,用来表达程度的渗透率变化在每一个压力点: 在哪里无因次渗透率和吗对应的渗透率在随后的压力点,排除第一个压力点(md)。

3所示。实验结果和讨论

3.1。渗透率的变化打破了样品

根据图中所示的应力路径2,装卸循环进行获得五种不同比例的破碎煤岩体渗透性的变化。如图4破碎的煤岩体的渗透率增加呈下降趋势装卸的循环次数。考虑到五种不同成分的破碎煤岩体,他们分成两组:C1 / C5和C2 / C3 / C4。在这种情况下,C1 / C5与煤和岩石样本,分别。此外,C2/3/4表示混合样品。三个装卸周期期间C2/3/4破碎的煤和岩石样本,渗透率和有效应力成反比。在加载过程中,破碎煤岩渗透率的下降,后来增加了在卸载阶段。数据表明,应力加载和卸载阶段两个最大点。此外,渗透率曲线显示三个最小点。C2/3/4渗透性降低装卸的循环次数增加。也观察到破碎煤岩体的损伤逐渐增加后三个装卸循环。 During the cyclic loading and unloading of C1 crushed coal, the overall change was the same as the one observed in C2/3/4. In addition, the change range of the extreme point inside the permeability curve was small, even smaller than the one observed in the C2/3/4 sample. The permeability of C5 broken rock mass always decreased, and no extreme point was present. These results differed from those obtained for C1 fractured coal mass. During cyclic loading and unloading processes of the broken coal and rock mass, the particles resulted from three different processes: extrusion deformation, particle crushing, and structural adjustment; the permeability changes of C1/2/3/4/5 at each stage are shown in Table2。煤和岩石混合时,例如,在C2/3/4粒子破碎和挤压变形的主要因素。另一方面,在破碎的煤和岩石样本混合物(即。,C1/5), structural adjustment and extrusion deformation represented the main processes. The specific shape is shown in Figure5。

为了进一步说明潜在的破碎煤岩体渗透性的变化受到三个装卸周期,颗粒粒子的变形计算采用赫兹接触变形原理(17]。装卸前破碎煤岩体,多个粒子呈现高孔隙度。,粒径和体积样品的内部存在的裂缝通道的大。在这一点上,渗透率最高的价值。这是观察到,在有效应力值高,颗粒发生之间没有凝聚力,多粒子孔隙结构开始分解。在这个时候,孔隙渗流通道的面积大大减少。随着压力进一步增加,最终形成一个相对稳定的孔隙结构。同时,由于低强度和破碎的煤和岩石的形状不规则,样本再次打破在装卸循环(图5)。装卸循环后破碎颗粒的直径明显小于大的粒子。同时,裂缝通道组成的微小粒子小于由大颗粒。此外,一些小型破碎颗粒能够填补大颗粒的孔隙空间,同时,粒子结构再次调整(18),如图6。岩石破碎煤的孔隙结构在卸载阶段没有恢复。这一过程产生了重大损失破碎煤岩渗透率的样本在第一次加载和卸载过程。在随后的装卸循环,煤和岩石样本再次破碎的程度比第一个更低加载过程,以及粒子之间的结构是相对稳定的19]。因此,破碎的煤和岩石样本的渗透性二级和三级装卸过程中减少影响程度很小。除了不可逆转的渗透损失导致破碎的煤样的孔隙结构的变化和recrushing,挤压变形破碎颗粒的孔隙结构的形成也减少孔隙度的原因。

为了确定连续下降的原因破碎煤岩体的渗透性在循环加载和卸载过程中(20.),介绍了立方定律的概念。不同的研究人员21]在粗糙的骨折,学习水的渗流机理提出了使用立方定律。中给出的公式 在哪里代表了流经管道(m³/秒),裂纹面(m),对应于流体粘度系数、粗糙度系数JRC是,是相邻流体域之间的压力差(MPa),和一个积极的价值表明,流速的方向发生从流体域2流体域1。

不同的研究人员22用均方根结构表面的估计粗糙度系数JRC和获得

的均方根表面轮廓的公式所示 在哪里对应于管的长度(m),如图7, 。

在实验过程中,破碎煤岩体经历了三个过程包括变形、粒子破碎,结构调整。最初的粒度比较大。装卸循环后,煤岩体又坏了,粒径降低。它们之间的裂缝的宽度减少,以及裂纹管道的长度。根据方程(4),减少和均方根表面轮廓的增加。此外,如方程所示(3),一般来说,联合研究中心的增加。此外,根据方程(2)、碎煤岩体的流量减少,和煤炭被压缩。煤岩体的渗透率相应减少。因此,破碎煤岩的渗透性总是在装卸周期呈下降趋势。

根据我们的结果,在渗透率显著变化是观察当破碎煤岩体C1/2/3/4/5通过一个装卸循环。数据8和9显示了渗透率曲线5种不同类型的破碎煤岩体有效应力为独立变量。图8显示数据获得的第一个周期。此外,图9介绍了样品的渗透率在第二个和第三个装卸循环。数据表明,在整个加载阶段,最高渗透率曲线的斜率与C3样本,其次是C4和C2。在加载的第一步的开始,小渗透率的差异观察的三个样本。然而,随着有效应力的增加,C3样品的渗透率降低,斜率增加。这发生,因为值样本C2、C3和C4为0.7,0.5,和0.3,分别。因此,煤和岩石样品中粒子的体积占70%,50%,30%。在加载过程中,内部粒子主要是由挤压地面。由于岩石的硬度高于煤炭,内部煤颗粒在加载过程中再次骨折。这些粒子填充的内部裂缝岩石。当煤颗粒的比例为30%,内部裂缝的体积存在于岩石颗粒较大,煤颗粒的填充体积较小,结构变化的毛孔是小于的观察样本中含有50%的煤比。当煤颗粒的比例为70%,煤炭颗粒接触粒子破碎岩石单位被突破。另一方面,当煤粒子没有接触岩石颗粒,碎片主要是由于挤压,变形,结构调整。此外,当粒子的比例为50%,煤和岩石完全混合并充分接触。出于这个原因,煤颗粒分散后再被挤压(23]。图10表明,三个装卸周期后,碎片在C3样本的程度大于观察C2样本。当coal-to-rock比率为0.5,显著变形破碎的煤和岩石的观察,以及孔隙结构明显受损。

3.2。渗透率损害率

为了探索循环加载和卸载过程的影响在破碎的煤和岩石的渗透率,介绍了不可逆转的渗透率损害率的概念。不可逆转的渗透率损害率代表破碎样品的渗透率的变化在循环加载和卸载过程中,考虑到这种变化是不可逆转的。不可逆转的渗透率损害率(%)表示为方程(所示7),指出煤储层的渗透率不能恢复程度(24]: 在哪里对应于应力后不可逆转的渗透率损害率回到第一个压力点,显示第一个压力点的渗透率(md)和后的渗透率压力返回第一个压力点(md)。

根据图中所示的数据11不可逆损失,五个破碎的样本的数量逐渐减少,当装卸循环增加。样品C1和C5的结果表明,在三个装卸周期,破碎的岩石样本的不可逆损伤率高于破碎的煤样。使用的煤破碎的样本来自3₂淮北煤田的煤层。此煤层对应一个突出煤层。因此,煤炭样本显示一个塑料变化相对于岩石样本在循环加载和卸载过程中。压缩变形在装卸过程中造成的破岩的比例高于煤炭。C2/3/4,对应于三种不同类型的碎混合样本,不可逆转的损坏率后三个装卸周期后订单 。coal-to-rock比为0.5时,煤岩完全混合和内部粒子的再次分裂导致大量C3碎煤和岩石的渗透性差,以及不可逆转的损坏率高。C2和C4样本,不可逆转的损坏率差异第一装卸循环很小。此外,这种差异增加装卸循环的数量增加。C4的不可逆磁导率样本比C2。在破碎的煤和岩石,岩石颗粒的比例相对较大时,损伤程度内部颗粒和孔隙结构变化的程度增加。此外,当煤和岩石的比例是一样的,变化的程度最高的价值。

为了确定的影响测试的每个部分破碎煤岩体在加载和卸载过程中,渗透率损害率(%)的概念,介绍了它所示(25] 在哪里代表了渗透率损害率在一定加载和卸载阶段,相对应的渗透率是一个压力点在给定的加载或卸载的开始阶段(md),然后呢显示相对应的渗透率压力点的一个给定的加载或卸载阶段(md)。

图12显示的渗透率损害率五种破碎煤岩体在加载阶段逐渐下降。对于C1/5,破碎岩石的渗透率损害率样本比破碎的煤样。此外,当执行的三个载荷C2/3/4破碎的混合物,它是观察到的渗透率损害率C3破碎样品大于C2/4破碎的样本。C4破碎样品的渗透率损害率与煤颗粒的比例为0.3比C2。内部粒子改变法律和协议的渗透率差异。在卸载阶段,C5破碎岩石的渗透率损害率都大于0,和含煤颗粒样品的渗透率损害率小于0。“这发生,因为逆渗透率与有效应力之间的关系。相对于C2/3/4碎混合样本,C3的渗透率损害率小于C2/4。卸货也观察到,在第三阶段,C3的渗透率损害率大于C2/4破碎的样本观察。

3.3。应力敏感性分析

为了量化渗透率应力变化的敏感性在循环加载和卸载条件下,应力敏感性系数渗透率的决心使用 在哪里代表了样本(md)和煤的渗透性有效应力(MPa)。

为了执行分析,渗透率数据样本C1 ~ 5被加载到公式,应力敏感性之间的关系和有效应力的循环加载和卸载条件下煤样渗透率的计算。结果如图13。

数据显示在图13表明破碎煤的渗透率应力敏感性和循环加载和卸载过程中岩体与有效应力的增加逐渐下降。也观察到,无论舞台,渗透率应力敏感性的破碎煤样品逐渐减少与增加装卸的循环次数。煤样渗透率的应力敏感性在加载阶段的应力敏感性大于对应的卸载步骤。从第一个装卸第三装卸周期,破碎的煤和岩石的应力敏感性系数质量逐渐下降。

图14提出了一种应力敏感性的比较五个破碎的样本。图中的纵坐标14不同于在图吗13。纵坐标对应于产生的应力敏感性真正破碎煤样的渗透率。如该图所示,应力敏感曲线的最高点逐渐增加样本从C1到C5,这是相关的初始渗透率有效应力时破碎的样品1.5 MPa。初始磁导率越高,初始应力敏感性系数增加。此外,样品的应力敏感性变异范围C1 ~ 5逐渐增加。量越高的岩石颗粒在破碎的样本,样本的高灵敏度的有效应力和改变的程度就越大。

4所示。结论

(一)内部粒子破碎的煤和岩石主要是由于挤压,变形,结构调整。在破碎的煤和岩石,主要过程是挤压,变形,粒子破碎。破碎的渗透率示例显示一个下降的趋势。此外,破碎的渗透率样本后显著降低装卸循环。加载阶段对破碎的影响更大的样本和卸载阶段(b)当煤颗粒在破碎的样本的比例为50%,不可逆的渗透率损害率和渗透率损害率的样本值最高。这个结果比获得的破碎样品含有煤颗粒的比例为0.3和0.7。不可逆转的渗透率损害率和破碎岩体的渗透率损害率大于那些破碎的煤的质量。与破碎煤岩,岩石颗粒的比例相对较大时,粒子内部的损伤程度和孔隙结构的变化程度显著提高。当煤和岩石的比例是一样的,变化的程度最高的价值(c)应力敏感性系数曲线的五种破碎煤岩体是一致的。此外,压力灵敏度系数和有效应力可达西方程拟合。数越高的岩石颗粒在破碎的样品,样品的灵敏度越高有效应力和改变的程度就越大

缩写

:	煤岩体积比
:	无因次渗透率
:	平均有效应力
:	渗透在随后的压力点
:	轴向压力
:	裂纹张开
:	空气压差
联合研究中心:	粗糙度系数
:	磁导率
:	的均方根
:	气体流速
:	不可逆转的渗透率损害率
:	流体粘度系数
:	渗透率损害率
:	煤炭样本长度
:	煤炭样本根据地。

数据可用性

本研究获得的数据可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究支持由中国国家自然科学基金(批准号51704274和51704274),项目的“青年精英科学家赞助项目,把“中国科学技术协会(批准号2017 qnrc001)和江苏省科学研究和实践创新项目(批准号KYCX21_2390)。