文摘

随着埋藏深度的增加,气体逐渐增加的内容。天然气在开采过程中会导致气体喷和其他动态灾难,甚至是煤与瓦斯涌出的工作面。因此,研究煤的渗透率分布和围岩的核心工作是煤炭和天然气开采在同一时间。研究煤的力学行为和渗流特征质量在卸货准备在未来煤炭和天然气开采,不仅能保证安全的运营商在最大程度上也增加了开采率尽可能多。基于应力-应变曲线和渗流曲线,煤的脆性指数和渗流特征进行了分析。脆性指数越大,煤质量是越有可能产生裂缝,然后形成大的裂缝,甚至骨折。通过研究脆性指数和渗流特征的煤炭质量,煤炭质量的机械行为可以很容易地获得,以指导煤炭的挖掘质量。

1。介绍

中国一直倡导清洁能源污染能源的转换,但作为一个大能源消费国,煤炭能源总是扮演主导的角色在未来很长一段时间(1,2]。中国的现状是,有很多煤炭资源但石油资源。中国已探明煤炭储量占世界煤炭储量的12.6%,和可收回金额排名第三的产量居世界第一3- - - - - -5]。至于煤的质量,有更少的优质煤和劣质煤炭(6),表面煤炭储量毕竟有限,以及大型煤炭能源的需求,煤炭的开采必须先进一个更深层次7- - - - - -9]。因此,更深层次的挖掘将面临更复杂的煤岩层,和采矿工作也将面临更复杂的围岩应力状态(10,11),使矿业与更大的风险,如瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、洪水、顶板事故、中毒和窒息12,13]。因此,虽然煤矿给人们带来巨大的经济效益,探索如何预防和减少危害的发生煤矿的过程中不仅可以保证煤矿的安全高效运行工作,但也提供了一个强大的科学支持矿业工作(14,15]。

研究煤炭质量真正的外力下可以揭示矿业对煤炭质量的影响,所以它是非常重要的,减少煤炭质量的压力从实验的角度16,17]。针对这一点,我们研究煤的力学特性和渗流特性质量受到真正的外部力量,进一步探索发展煤炭质量定律骨折(18- - - - - -20.]。针对机械和渗流特性影响的煤炭质量下的三轴试验,学者们做了大量研究[21- - - - - -23]。Bieniawaski [24研究煤的尺寸效应和三轴条件下的应力-应变规律。王等人。25)进行了不同围压下煤渗透率测试监测煤的变形和渗透率演化。阴et al。26]研究了原煤的机械性能和渗流特征,利用三轴测试。发现不同的装载和卸载路径(不同加载速度,卸货速度,和装卸的起点)有重要影响原煤的力学和渗流特征,并且知道原煤的失效模式是拉伸剪切复合失败。在数值模拟方面,雪et al。27- - - - - -29日)建立受损挖煤的渗透率模型进行仿真分析。研究表明,煤的力学性能将显著变化,煤的渗透率与峰值点前后将会增加,但增加的数量是不同的。刘(30.]研究了变形、失败和渗流特征,煤含有气体和得出结论,原煤的强度和刚度降低,气体的增加,和原煤逐渐从原来的脆性破坏转变为塑性剪切破坏。有许多毛孔内部的煤炭和天然气存在于自由和吸附状态。煤的损伤与断裂释放吸附气体,从而增加天然气的开采效益。元等。31日]研究了thermal-fluid-solid煤层气体轴承的耦合模型,进行了数值模拟的热量注入促进瓦斯抽放和验证的可行性将热量注入煤层瓦斯抽放。赵et al。32)数值分析了煤层的瓦斯抽放性能与不同结构变形煤层和完整的煤层。郭et al。33)集中在标准累积造成的煤层断裂爆破和总结了断裂带和裂缝延伸过程的煤炭。雪et al。34- - - - - -36)建立了煤层气压裂破坏特征的分析模型通过研究媒体压裂特征及其变形特点,分析了气体扩散和迁移规律。Anyim et al。37]研究了临界应力断层地热区域通过热机械耦合水文模型来探索其渗透率的演化规律。卡扎菲et al。38]研究了储层的渗透性岩石在高温高压。损伤与断裂的演化过程中煤炭渗流,陈(39]研究了stress-strain-permeability变化特征的煤炭质量和得出结论,软煤更有毛孔,更多的气体吸附和气体含量高于无烟煤。此外,煤的渗透率质量显示了一个“V”形变化。夏et al。40)使用耦合岩石三轴试验系统研究渗流的特点在甲流断裂阶段的岩石。煤的渗透率降低而不是增加,这表明煤骨折具有不可逆过程的变形和裂缝张开度变得越来越小。当卸载某个值时,所有级别的渗透率变小,表明煤的渗透率的恢复滞后。

基于上述研究成果,stress-axial应变曲线是通过三轴测试,和整个阶段加载失败的煤炭质量进行了分析。煤炭质量衡量的渗透性测试结合图来分析煤炭质量的渗流特征。和借鉴学者的研究脆性指数,结合所得数据,检查脆性指数模式特定的脆性指数。

2。力学行为研究煤的质量

2.1。煤炭的采购和准备

煤炭样品的测试收集我的工作面。因为有显著差异的内部结构在地质作用下,煤岩力学性能离散和异构。因此,本次测试的样本都来自岩层在相同的位置和相同的深度。此外,试图确保采样岩石块完整、统一,规模大,和足够的抽样,以减少实验的误差。煤炭样品的处理按照煤炭行业标准”进行测定煤的物理和机械性能的方法。“气缸直径50毫米是通过垂直的金刚石空心钻钻core-taking机器,然后圆柱形样本不同长度(100毫米)被自动岩石切割机切割。最后,两个最终面临地面平放于双头磨石机。有八套样品,分别标记为a - 1通过8。

为了研究煤的渗透特性质量,八组样本分别对待。样品为0 h a - 6和8湿润,和含水率为2.4%。a和4样本的加湿处理时间是17个小时,和样品的水分含量是3.4%。a - 3和5样本的加湿处理时间是33小时,和含水量是4.4%。a - 1和a - 7样本的加湿处理时间是69个小时,和含水量是5.5%。八组样本分成四组不同含水量。围压是5 MPa。

2.2。测试设备

加载系统是微机控制电液伺服试验机。在加载过程中,系统可以收集负载,位移,同时和其他数据。数据采集系统使用压力传感器、位移传感器、静态应变仪测量的负载和纵向和横向变形煤样品。如图,应变采集仪器拥有20个频道,分别和每个测点自动平衡。测量结果也可以修改根据应变仪的灵敏度系数,电阻丝,桥模式,各种桥梁传感器的灵敏度。在这个实验中,一半是用来测量桥连接。

2.3。应力-应变研究

通过实验,横向应变和体积应变数据8组的样本,然后原点软件被用来画下图。图1显示了示例a - 1样品的轴向应力-应变图8。

在整个生产过程的应力-应变曲线prepeak,轴向应变、横向应变和体积应变随着压力的增加而增加。至于postpeak曲线,压力降低,轴向应变,横向应变和体积应变都增加。它显示了峰值点后,煤炭质量的失败,不能恢复变形,与实验一致。在峰值之前,体积应变的增量小于轴向应变和横向应变的增加,和体积应变的变形小于轴向和横向应变。从视图组件被压缩,组件的轴向压缩状态,而组件的横向拉伸的状态。首先作为一个整体,体积应变是积极和消极,表明组件的体积在单向压缩的过程略有降低,然后增加略与组件的破坏,这与理论是一致的。

2.4。体积应变研究

裂缝体积应变的主要条件应符合规定的小变形条件“弹性力学”,代表产生的体积应变塑性变形和断裂41- - - - - -43]。详细的推导过程如下。

轴向力 ,轴向变形 ,和周向变形值块岩石加载和卸载失败的整个过程可以通过测试。

轴向应变是(44] 在哪里在装货前的高度是样本。

周向应变是(45] 在哪里是周向变形,之前样品的圆周周边变形。

体积应变是

裂纹的圆形试样的体积应变 在哪里的裂缝体积应变岩石样本,然后呢的抛射体应变岩石样本。

根据胡克定律: 在哪里的轴向弹性应变岩石样本,然后呢是圆周弹性应变的岩石样本。

常规三轴试验,由于

等效塑性应变 在哪里 在三个主应力方向塑性应变。

上述参数实验数据的计算,和起源软件被用来绘制等效塑性strain-axial应变曲线,如图2。

体积应变和裂缝体积应变的分析表明,尽管裂缝的体积应变曲线接近体积应变曲线,但它总是低于体积应变曲线。根据裂缝体积应变的物理意义,也就是说,在小变形条件下,裂纹的体积应变曲线类似于体积应变。通过研究裂缝体积应变、煤岩破裂的程度和规律可以进一步解释说,这对煤炭开采具有一定的指导意义。

2.5。岩石破裂过程分析样本

根据测试数据,体积strain-axial应变图是由软件绘制,分析了煤炭质量的失败结合图和测试网站的情况。

根据图3、煤炭质量经验6阶段从最初的失败然后残余变形的压力,和这六个阶段也显示岩石的非线性弹性行为。因为有很多小孔、裂缝和其他缺陷岩石,岩石的应力-应变曲线的压力并不是线性的,但非线性。具体分析如下:(1)图中的裂纹闭合阶段(a - b)。从卷strain-axial裂纹的应变曲线,可以看出,煤炭质量,有天然裂缝,由于外部压力,自然裂缝不断关闭。当他们到达点,天然裂缝是完全封闭的,裂纹体的压力往往是0(2)弹性阶段(图c)。裂缝的体积应变基本上是不变的,和没有新的骨折发生在岩石里面。如果负载移除这个时候,煤炭质量将返回到原始状态,所以这一阶段被称为弹性阶段。与此同时,这种关系是线性弹性的关系(3)图中的张力裂缝发展阶段(c - d)。新裂缝开始出现在内部的煤炭质量,损害也开始发生,裂缝的体积应变不断增加。在这个阶段,体积的斜率strain-axial裂纹的应变是低因为伤害增加率相对较小。岩石样本的故障过程是拉伸裂缝生成第一,和剪切破坏是由拉伸裂纹之间的相互作用引起的。因此,可以认为阶段(c - d部分)当裂缝体积应变开始增加,直到发生突然变化的体积应变拉伸断裂在煤炭质量(4)宏观裂缝发展阶段(图d e)。当它到达点D,煤的体积应变质量突然发生了变化,裂缝的体积应变曲线的斜率增加,损伤率的增加,轴向应力-应变曲线开始变平。因此,可以认为,在点,拉伸裂缝相互贯穿,形成宏观裂缝。舞台在点D可以被视为宏观裂纹的发展阶段,从宏观连续状态和煤炭质量变化不连续状态。然而,煤炭质量的macrofailure模式是由拉伸裂纹之间的相互作用决定的,和压力起到一定的控制作用在拉伸裂纹之间的相互作用,所以压力起着控制作用的macro-failure模式煤炭质量(5)岩石结构阶段(E-F图)。当它到达点F,煤炭质量达到最大的轴向应变。在这个时候,因为宏观裂缝的渗透率,煤炭质量不再被视为岩石材料,和煤炭质量熊加载岩石结构。postpeak应力-应变响应的煤炭质量不仅与材料特性和宏观失效模式也与试验机的刚度有关。这是因为postpeak行为之间的协调是岩石岩石结构和外部力量往往是稳定的(6)F后残余强度阶段(图)。当它到达点F,受损的煤炭质量形成一个稳定的岩石结构和岩石结构达到一种平衡的状态。因此,剩余强度显示在轴向应力-应变曲线。斜率下降点F相当于塑料strain-axial应变曲线,表明等效塑性应变的增长率降低点F,岩石结构往往是相对稳定和进入残余强度。到达点F后体积应变略有减少,表明岩石结构趋于稳定

图4显示了体积strain-axial裂纹在不同含水量下的应变图,从中可以得出结论:(1)裂缝的体积strain-axial应变图与不同的含水量变化规律基本相同。裂缝的体积应变不断增加略一开始,然后减少。这是因为初压力、煤的自然裂缝开始缩小在裂缝闭合阶段,和裂缝体积应变趋于0时。在随后的弹性阶段,裂纹的体积应变基本上是不变的。在拉伸裂缝发展阶段,出现新的裂缝,裂缝的体积应变开始增加。在宏观裂纹发展阶段,裂纹的斜率增加,开始减少(2)含水量越大,越快的曲线裂纹从开始剩余强度的变化。因为水分含量越高,煤质量的裂缝越多,抵抗变形的能力越弱,越快到达残余强度阶段

3所示。研究脆性指数的煤炭质量

脆性是煤炭质量的物理属性,与煤炭质量的矿物组成和压力作用[46- - - - - -48]。储层岩石脆性力学性能评价、井壁稳定性评价、水力压裂效果评价的重要指标。它有一个很好的参考价值的安全分析岩石工程应力和渗流的耦合效应下(49]。虽然没有统一的标准的岩石脆性的定义和测试方法,但低应变或损伤与断裂拉伸断裂破坏,高压比、高韧性,峰值应力后迅速下降被认为是表明脆性岩石的性质(50,51]。以下是几种常见的脆弱性评估方法。

3.1。曲线法

曲线法是一种脆性评价方法建立了根据每个阶段相应的轴向应力-应变曲线(52]。因此,建立脆性指数 在哪里和分别是峰值应力和残余应力。

根据实验数据和脆性指数的公式 ,脆性指数的形象在不同的含水量。如图5,的价值就越大 ,煤的脆性越强。从上面的图可以看出,从每个模式的价值5含水量为4.4%的值是最大的,而脆性强,其次是a - 1水含量为5.4%。中值的模式,这种模式与含水量最高的5.4%价值和最强的脆性,其次是4.4%的用水模式内容。

认为差异越小的应变摩擦强度达到最大值(即。的应变峰值应变)和剩余价值(即凝聚力减弱。残余应变) 在哪里和分别是峰值应变和残余应变。

根据测试数据和公式 ,的形象不同水分含量是由起源的软件。根据图6,的价值越小是,煤炭质量的脆性会越强。从每个模式的价值a - 7含水量为5.4%的值是最小的,和煤的脆性强,其次是4,含水量为3.4%。从平均价值的模式,这种模式与含水量5.4%的最小值和最强的脆性,其次是3.4%的用水模式内容。

在前人研究的基础上总结,一个脆性指数考虑同时预处理和postpeak的机械特性。 在哪里 , ,和标准化系数,的比例是postpeak曲线斜率的绝对值prepeak曲线的斜率。

根据测试数据和公式 ,的形象不同含水量下起源是由软件。根据图7,a - 3和a - 7是最小的,是1.96。的值8是最大的,2.28。它表明,脆性的a - 3和a - 7是最强的,而8是最少的。脆性指数平均含水量的3.4%是最小的,和脆性更强。2.4%的平均脆性指数是最大的和最弱。

我们研究了脆性指数 在哪里postpeak曲线的斜率。的价值就越高 ,脆性的程度就越高。

根据测试数据和公式 ,的形象软件是由起源。如图8,的价值就越大是,煤炭质量的脆性越强。从每个模式的价值a - 1水含量为5.4%的价值是最大的,而煤炭质量的脆性强,其次是4,含水量为3.4%。从平均的价值模式,模式与价值等于3.4%和5.4%的含水量,最大的脆性是最强的。

3.2。能量法

脆性指数建立了用能量关系所表达的轴向应力-应变曲线(53- - - - - -55],它对应于在压缩过程中能量变化的煤炭质量。它定义了脆性指数的比率 在哪里被定义为可恢复的能量(BCD的面积图吗9),被定义为总能量(OABD地区的面积图吗9)。的价值就越大是,恢复弹性能量和脆性越大。图9显示了一个图的脆性指数的煤炭。

根据测试数据和公式 ,的形象不同含水量下起源是由软件。分析:如图10,的价值就越大 ,恢复弹性能量越大,煤的脆性越强。从每个模式的价值,拥有最大的a - 6与水分含量2.4%价值,脆性强,其次是a - 3水含量为4.4%。从平均价值的模式,该模式以2.4%含水量最大的价值和最强的脆性,紧随其后的是模式含水量为3.4%。

Tarasov等人也被认为是postpeak过程并提出使用的能量的比值postpeak断裂能量postpeak脆性指数可恢复的弹性能量。 在哪里被定义为postpeak破裂能量(右边的灰色地带,在图11),被定义为背后的弹性能量峰值(大红色三角形的面积之间的区别在图的左边11和小红三角图的权利11)。较低的价值 ,岩石是越脆弱。图11显示了一个图的脆性指数的煤炭。

根据测试数据和公式 ,的形象不同含水量下起源是由软件。如图12,的价值越小 ,脆性越强的煤炭质量。从每个模式的价值a - 1水含量为5.4%的值是最小的,和煤的脆性强,其次是a - 7与含水量为5.4%。从平均价值的模式,这种模式与含水量5.4%的最小值和最强的脆性,其次是3.4%的用水模式内容。

峰值应力后下降率是岩石脆性特征具有重要意义,但同时不能忽视在峰值应力-应变状态岩石脆性的影响。提出了岩石和岩石破坏时释放弹性能量存储之前总能量比和峰值岩石脆性指数的共同特征 在哪里的定义是由岩石破裂释放弹性能量(图中的蓝色区域)。指数越高,越脆弱的岩石。图13显示了一个图的脆性指数的煤炭。

根据测试数据和公式 ,的形象不同含水量下起源是由软件。根据图14,的价值就越大是,煤炭质量的脆性会越强。从每个模式的价值,拥有最大的a - 6与水分含量2.4%价值,脆性强,其次是4含水量为3.4%。从平均价值的模式,这种模式与最大含水量3.4%价值和最强的脆性,其次是5.4%的用水模式内容。

表1显示了一个总结在不同含水量值。样品的分析表明,尽管脆性不同含水量从不同的脆性指数评估,结果是一致的。含水量越低,脆性越大。随着含水量的增加,脆性煤样品减少,表现出了一定的软化特性。

4所示。本构模型

煤炭质量可以分为六个阶段从加载失败56- - - - - -58):(1)裂缝闭合阶段,(2)弹性阶段,(3)拉伸裂纹的发展阶段,(4)宏观裂纹的发展阶段,(5)岩石结构阶段,(6)残余强度阶段。然而,裂缝闭合阶段的比例的轴向应变阶段不容忽视。

4.1。基于模型

基于模型描述如下(59,60]: 的系数 , ,和是 , , 。

初始弹性模量 , UCS强度(单轴抗压强度),是对应的轴向应变。

该模型描述如下(61年]:

弹性模量。

试验的应力-应变曲线转化为应力-应变曲线忽略了裂缝闭合阶段。基于韦伯分布模型计算如下(62年,63年]:

轴向应变的决心用于分化是基于实验。 在哪里 , , , ,和 。

4.2。基于模型的实践

实验数据被投入基于模型,和原点软件被用来画出相应的图形。表2显示了基于模型的参数。

可以看到从图15prepeak阶段,拟合曲线非常接近实际的曲线,这表明基于模型和基于模型的正确性有一个正确的方向研究煤炭质量。

从煤和岩石的强度,在相同含水量和相同的轴向应力、轴向应变的a - 6大于样本的样本8,表明在相同的条件下,样品的结构和纹理比样本8 a - 6是宽松的,柔和的,轴向应变是大。示例4的轴向应变大于a的样品,表明在相同的条件下,样品的结构和纹理比样品a - 4是宽松的,柔和的,轴向应变是大。图中的交点是因为a的样品通过了峰值应力开始下降。因为基于模型研究了峰值应力前阶段,a -衰落的部分可以忽略。示例5的轴向应变大于样本的a - 3,表明在相同的条件下,和样品的结构和纹理5宽松,柔软的示例a - 3,轴向应变是大。a - 1样品的轴向应变大于样本的a - 7,表明在相同的条件下,样品的结构和纹理比样品a - 7 a - 1是宽松的,柔和的,轴向应变是大。然而,样本下半年a - 7的拟合情况不是很好,因为下半年的测试数据不符合基于模型和不规则变化。

4.3。函数拟合

当基于模型被用来适应测试数据,函数是偶尔获得安装测试数据,如下所示(64年,65年]:

上半年,这个函数是一样的基于模型( ),和下半年是指一个新函数。

拟合图16如下:

轴向应力-应变图在不同的含水量由这个函数非常接近安装结果基于模型和结论都是一样的。水含量对煤和岩石软化的影响。在相同的条件下,样本8的密度和比示例a - 6。样品的结构a的密度,质地比4的样品。a - 3样品的密度的结构,质地比5的样品。示例a - 7的结构密度,结构比对样品的都是一流的。媒体裂纹的破坏机理,进一步揭示了人物16。首先,主裂缝压实,裂缝就会减少。然后,随着负载的增加,出现新的裂缝,裂缝越来越多。

此外,从图可以看出16煤炭样品的峰值应力与不同水分含量也不同。随着含水率的增加,煤样的峰值应力通常显示一个下降的趋势。煤的峰值应力和样品水分含量2.4%,是最大的,煤样的峰值应力是最小的含水率5.4%,峰值应力降低75%。

5。研究渗流特征

根据测试渗透率测量结合其他数据从测试,所绘制的图如下:

可以看到从图17,不同类型煤的渗透率变化基本上是相同的,煤的渗透率与质量降低,然后增加。在初始加载和弹性变形阶段,模式逐渐接近,裂缝和渗透率随轴向应力和应变的增加而减小。轴向载荷的增加,轴向应力和应变逐渐增加,出现新的裂缝内模式,新渠道,和模式的渗透率逐渐增加。后进入破坏阶段,宏观裂纹出现,渗透率增加迅速。

6。结论

三轴压缩试验,结合图形处理技术用于起源进行装卸测试和图像处理对煤炭质量模式,识别和获取有用的信息,然后分析煤的力学行为质量和卸货过程中渗流特征的研究。在数据处理中,多种用于数值计算和绘图软件,主要包括MATLAB、有限元分析、EXCEL和其他软件。在本文的分析和研究,得出以下结论:

根据轴向应力-应变图的分析,煤炭质量可以分为六个阶段,从最初的加载破坏阶段:裂纹闭合阶段,弹性阶段,发展阶段拉伸裂纹的宏观裂纹的发展阶段,岩石结构阶段,残余强度阶段。也是非常重要的知道煤炭质量的裂纹闭合阶段本构模型,在轴向应变和裂纹的比例不容忽视。

通过分析渗透率的轴向应变曲线,可以得出的结论是,煤岩体的渗透性的增加先增加然后减少负载。因为在开始装货,煤岩体的裂纹开始关闭,煤岩体的渠道减少,渗透率降低。随着荷载继续增加,煤岩体开始产生新的裂缝,渠道增加,通透性增加。加载失败后阶段,煤岩体完全摧毁,生成大量的宏观裂纹,渗透率增加迅速。水分含量也降低了煤和岩石的强度,和机械性能变得更糟。通过深入研究强度、机械性能,和破坏煤的渗透率特征样本,法律,而在煤矿和天然气开采中起着导向作用,并能尽可能避免煤矿灾害和事故。

数据可用性

所需的原始/处理数据复制这些发现可以要求通过与相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。