文摘

探讨机械故障和三轴应力下的多孔含煤的渗透率特征,进行了三轴压缩实验对多孔和传统的含煤样品基于三轴creep-seepage实验系统、声发射信号采集系统。声发射检测的同时进行了加载失败。实验结果表明,(1)在固定的气体压力但是改变围压下,多孔含煤样品有更高的峰值强度和弹性模量,但降低峰值应变;改变气体压力但固定围压下,多孔含煤样峰值强度、峰值应变较低但更高的弹性模量。当围压或气体压力变化,机械性能的两种含煤样品显示出良好的一致性,但力学参数大大不同,峰值强度、峰值应变、弹性模量和多孔煤样品减少了1/4,2/3,分别又3/4。(2)当围压或气体压力变化,多孔含煤样的渗透率大于传统的含煤样品。然而,渗透率的变化规律特征的两个基本相同,除了在渗透率值有很大差异,多孔含煤样增加近两倍,传统的含煤样品。(3)在全应力-应变过程中,多孔含煤样的声发射特征显著不同的传统的含煤样品。的最大铃流计算多孔含煤样品最多可以减少三分之一,最大能量最多可以减少近一半,和最大振幅变化小,只有1 - 3 dB的减少。研究结果为失败的预测具有重要的指导意义和不稳定的煤隧道和相关的防护技术的发展。

1。介绍

近年来,中国的煤炭需求高,和煤炭开采的深度增加,汽车的速度米/最大挖掘深度超过1500米(1]。深部煤炭低渗和高气体含量,这是很难提取(2- - - - - -4]。天然气开采过程中,有必要钻缝和缝,特别是突出煤层开挖的需要大量的钻探。这对煤炭的稳定性有一定影响身体。机械故障和渗透特性的研究多孔煤是对煤隧道稳定性的研究具有重要意义和保护技术(5]。国内外许多学者进行了大量的理论、实验和数值模拟研究多孔岩石样本(6- - - - - -8]。唐et al。9)进行了测试和数值研究脆性材料预制孔的轴断裂失效特征压缩载荷作用下,,发现裂纹的萌生和扩展开始拉伸应力集中区域的洞。盛奇et al。10,11]研究了裂缝倾角的影响砂岩单轴压缩下的力学性能用砂岩孔隙裂缝为研究对象,研究了裂纹扩展特性和对砂岩的应力-应变曲线的影响结合缺陷的单一骨折,双骨折,使用声发射和数码摄影和圆形洞。Zhaowei和Yuanhai12)使用数码摄影分析应变场和位移场多孔表面的大理石。长等。13]研究了样本异质性对裂纹扩展的影响方向和速度与pore-fracture砂岩标本结合缺陷在单轴压缩下,并指出岩石非均质性对次生裂缝和有重大影响当地经济增长速度主要裂缝。Diyuan et al。7)与两国推出餐盘状试样预制方形孔通过处理iddefjord花岗岩样品来自挪威,进行单轴压缩试验,并通过FLAC数值模拟进行3 d。发现洞周围的分裂拉伸裂纹总是显得样本,和剪切破坏区域逐渐形成的样本随着负载的增加。Diyuan et al。14]研究了大理石的动态抗压强度与单洞在冲击载荷和记录了大理石的动态裂纹扩展过程使用高速摄像机,指出冲击载荷的作用下,裂纹的萌生和扩展从拉应力的集中结束,与次生裂缝和远场裂缝,导致最终的宏观标本的失败。Saopeng et al。15)观察到的破坏过程和变形场演化特征圆孔结构的大理石广场和中心圆孔板在单轴压缩下的位移加载速度0.02毫米/分钟。阳升等(16]研究钻孔变形法的花岗岩体内在恒定的温度和压力下,进行实验研究和理论分析对其临界不稳定条件,建立了钻孔变形的理论模型和粘弹性和塑性理论模型使用粘弹性和塑性力学的理论。Zehong et al。17包含水井)模拟岩石的力学行为,初步掌握了井眼不稳定的机械性能弱深煤结构在复杂条件下,和建立相关的数值模型。

它可以看到从上面的研究,(1)大多数学者使用单轴试验研究中,大多数学者仅在多孔岩石样本进行实验,和一些学者进行比较完整的实验和多孔岩石三轴应力下。(2)在这项研究中,各种影响因素的变化对多孔岩石是不考虑。为此,本文研究了围压的影响或气体压力变化对力学、渗透率、多孔含煤的声发射特征,以及不同的力学、渗透率及声发射特性之间的多孔和常规三轴压力下含煤样品使用三轴creep-seepage-adsorption和解吸实验装置。

2。样品制备和实验方案

2.1。样品制备

煤炭块从15 - 21030年矿业面临Pingmei 8号我选择河南省和制成几组原煤样品在实验室。然后,钻孔直径10毫米和50毫米的长度沿轴向方向钻在原煤多孔煤样品,样品编号,如图1。之后,进行了三轴creep-seepage实验。


图1
传统的煤样和多孔煤炭样本。
2.2。试验装置

研究力学性能和流变过程的渗流法含煤、三轴creep-seepage-adsorption和解吸实验装置是独立开发的由河南科技大学(18,19]。该设备主要由八部分,包括主机、伺服加载系统,三轴压力室,孔隙压力控制系统,吸附和解吸系统,温度控制系统,变形测量系统和安全保护系统。最大轴向压力是500 kN,最大围压是50 MPa,热震稳定性和最大温度为900°c .标本的大小是50毫米×100毫米。该设备具有强大的功能,在测试中性能稳定,精度高。采用滚珠丝杆加载方法,满足长期creep-seepage实验的加载要求,和最大加载时间可达2个多月。

声发射信号采集系统(20.使用全波形声发射仪器,可以自动计算和存储声发射标本,记录多通道声发射信号,并同步提取声发射信号参数。声发射(AE)方法可以揭示岩石微裂隙的形成和传播。

2.3。实验方案

(1)填煤样三轴压力室,应用704硅胶上下压头和煤样品墙,将煤炭样本双层热收缩管,和干了10多个小时。准备样品加载到渗流装置,关闭进气口阀门,打开排气阀,并去除杂质气体在真空提取的标本。(2)负载8 MPa的围压和轴向12 MPa的压力,并调整测试温度到25°C。温度达到预定值后,保存温度至少2个小时。填满管道气体压力为1.4 MPa和记录煤炭样本被吸收后的压力超过12小时,参考圆柱上的压力表读不会改变。随后,打开出口阀,后每分钟记录气体渗流的气体流量是稳定的。(3)逐步改变轴向压力,直到样品失败,同时实现声发射实验。(4)解决气体压力为1.4 MPa,调整围压到6,分别为10和12 MPa,。重复步骤(1)∼(3)。(5)在8 MPa修复围压,调节气压至1.0,1.8,和2.2 MPa,分别。重复步骤(1)∼(3)。

3所示。试验研究力学性能的多孔和传统的含煤样品

3.1。围压和瓦斯压力的影响在峰值强度的多孔和常规三轴压缩下含煤样品

岩石的物理力学性质之一,峰值强度是指岩石标本的最大轴向应力可以抵抗三轴压应力的作用下。岩石的峰值强度的研究对解决实际问题有实际的意义在我的工程。图2显示了多孔的峰值强度的变化和传统的含煤样品与围压或气体压力。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
多孔的峰值强度的变化和传统的含煤样品与围压或气体压力:(a)与围压变化;(b)变化与气体压力变化。

从图可以看出2,当气体压力是固定的,两种含煤样品的抗压强度随着围压的增加增加;固定围压时,抗压强度的两个气体压力的增加而下降。当气体压力为1.4 MPa和围压梯度是6、8、10和12 MPa,峰值强度的多孔和传统的含煤样品逐渐增加。这主要是由于围压的作用下,煤样的断口表面之间的摩擦是加强,这抑制了煤样的变形和破坏在加载过程中,从而提高自己的抗压能力。围压时8 MPa和气体压力梯度为1.0,1.4,1.8,和2.2 MPa,多孔和传统的含煤样品的峰强度逐渐降低。这是由于自由状态和吸附状态天然气的联合行动,造成煤样品进行扩张变形,裂纹扩张,和其他微观损伤,导致强度的降低。当围压和瓦斯压力是恒定的,多孔含煤样的峰值强度相对较小,这是1/4不到传统的含煤样品。

测量数据进行线性拟合,拟合结果表明,R2大于0.9,这表明,峰值强度之间有良好的线性关系的两种类型的含煤样品和围压或气体的压力。只有改变围压,多孔的斜率和传统的含煤样品是4.425和4.563,分别;只有改变气体压力,两种煤样的斜率是−−10.139和13.601,分别。这表明只有一个变量时,峰值强度的两种煤样品显示一致的变化趋势,但斜率的峰值强度两个非常不同的气体压力的影响下。

3.2。围压和瓦斯压力峰值应变的影响多孔和常规三轴压缩下含煤样品

压力当煤样达到峰值强度称为峰值应变。图3显示了多孔的峰值应变的变化和传统的含煤样品与围压或气体压力。从图可以看出,当围压是固定的,峰值应变的两种含煤样品与气体压力的增加逐渐增加;气体压力时固定的,两种含煤样品的峰值应变随围压的增加增加;当围压和瓦斯压力都是固定的,多孔含煤样的峰值应变是相对较小的,最多减少了三分之二。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
多孔峰值应变的变化和传统的含煤样品与围压或气体压力:(a)与围压变化;(b)变化与气体压力变化。

测量数据进行线性拟合,拟合结果表明,R2大于0.9,这表明,峰值应变两种含煤样品显示出良好的线性关系与围压或气体压力。当只有围压改变,多孔的斜率和传统的含煤样品是0.000295和0.00028,分别;只有气体压力改变时,两种煤样的斜率为0.00074和0.00154,分别。这表明两种含煤样品的峰值应变显示了一个一致的变化趋势,当只有一个变量,但两个峰值应变的斜率是大大不同的气体压力的影响下。

3.3。围压和瓦斯压力对弹性模量的影响多孔和常规三轴压缩下含煤样品

在弹性变形阶段,应力和应变的比例关系;即应力-应变关系符合胡克定律,其比例系数称为弹性模量。岩石的弹性模量与围压的变化或气体压力是岩石内部缺陷和密度程度密切相关。图4显示了多孔的峰值应变的变化和传统的含煤样品与围压或气体压力。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
多孔弹性模量的变化和传统的含煤样品与围压或气体压力:(a)与围压变化;(b)变化与气体压力变化。

从图可以看出4,当气体压力是固定的,传统或多孔含煤样品的弹性模量与围压的增加逐渐增加,这是由于围压的增加使岩石样品中的裂缝和孔隙压缩和关闭,增加岩石的刚度。围压时固定的,传统或多孔含煤的弹性模量随着气压的增加减少。这是由于这样的事实:气体压力的增加使气体与一定的动能不断进入煤样的孔隙和裂隙渗流,并遵守煤炭颗粒表面的吸附,降低煤的表面能量矩阵和煤炭矩阵之间的结合力,从而扩大煤颗粒之间的间距(21]。当围压和瓦斯压力都是固定的,多孔含煤样品的弹性模量相对较大,增加了3/4最多。

实验中测量的数据拟合指数,拟合结果表明,R2大于0.9,表明有一个良好的指数关系两种煤样品的弹性模量与围压或气体的压力。只有围压变化时,多孔的索引和传统的含煤样品分别为0.0689和0.2483,分别;只有气体压力变化时,多孔的索引和传统含煤样本−−0.5381和1.3206,分别。这表明两种弹性模量的含煤样品显示一致的变化趋势,当只有一个变量,但弹性模量的两种含煤样品大大不同围压的影响下。

4所示。试验研究多孔渗透性特征和传统的含煤样品

含煤、渗流实验的温度被忽视的影响,气体渗流在煤炭样本被认为是符合达西定律(22]。根据实验结果的含煤,煤样的渗透率可以由以下公式计算23- - - - - -25]: 在哪里k渗透,医学博士;问e在标准条件下,气体渗流厘米吗3/ s;l样品的长度,cm;μ= 1.08×10−5Pa·s是气体的动态粘度;年代sp是样品的横截面积,厘米2;pe气体出口压力,Pa;和p我气体进口压力,Pa。

含煤条件下的渗流实验修正气体压力而改变围压或固定围压而改变气体压力。根据上面的公式,含煤在不同压力条件下的渗流实验结果,如表所示1。

表1
实验结果的渗透多孔和传统的含煤样品。
4.1。试验研究多孔的围压对渗透率的影响特点和传统的含煤样品

根据实验数据,多孔渗透性的变化和传统的含煤样品与围压时可以获得固定的气体压力为1.4 MPa,如图5。


图5
多孔渗透性变化和传统的含煤样品与封闭。

从图可以看出5,当气体压力是固定的,两种含煤样品的渗透率随围压的增加减少,这符合采矿工程的渗透率变化规律。这是因为煤体内载荷时,煤的孔隙和裂缝被关闭,所以磁导率降低了26]。固定围压下,多孔含煤样的渗透率相对较高,这主要是由于孔隙的存在,直接增加了煤岩体的孔隙度,导致气体流速加快和通透性增加。

采矿工程、矿山压力的影响煤层的渗透率是如下:煤层的渗透性增加煤层卸压区和减少应力集中区域。因此,地壳压力和煤渗透率之间的关系时应考虑瓦斯抽放和采取相关措施,避免灾害与甲烷和煤炭,来达到更好的结果。同时,钻探钻孔煤渗透率的影响不容忽视。由于钻井的施工钻孔,钻孔周围的应力状态变化,应力场重新分配,将会生成一个新的平衡。在这个过程中,弹性模量等力学参数井眼周围的煤会相应地改变,煤的强度会减弱,孔隙和裂隙的数量将增加,并最终钻孔周围的煤的渗透性将会增加。不难看到从图5,钻井井眼附近的煤的渗透率,产生了极大的影响和多孔含煤样品增加近两倍,传统的含煤样品。

根据曲线的形状图5,进行了非线性回归和渗透率之间的关系的两种含煤样品和围压可以通过指数函数拟合, ,在哪里 和b2是回归系数。

传统含煤样本的拟合方程 ,的相关系数R2= 0.9957;

多孔含煤样本的拟合方程 ,的相关系数R2= 0.9582;

可以看出,拟合结果与实验结果有很好的一致性,在文献[研究结果是一致的27]。

4.2。试验研究多孔的气体压力对渗透率的影响特点和传统的含煤样品

根据实验数据,多孔的渗透性和传统的含煤样改变了气体压力固定围压时8 MPa,如图6。


图6
传统的渗透率变化和多孔含煤样品。

从图可以看出6固定围压下,两种含煤样的渗透率表现出递减的变化趋势,然后气体压力的增加而增加。当气体压力增加到1.4 MPa时,两种含煤样的渗透率达到最小值。在气体压力上升到临界值之前,克林肯伯格效应(28)占主导地位。随着气压的增加,吸附量的增加,气体在煤样品和克林肯伯格效应逐渐增强,影响气体的有效渗透率煤样品,从而导致渗透率的降低。与气体压力的增加,内部裂缝的发生和发展煤体内得到提升,和气体渗透的动力煤样品也增加(29日]。因此,磁导率开始上升并保持增长的趋势。同时,多孔含煤样的渗透率高于传统含煤样品,这是由于现有的毛孔煤岩体的孔隙度增加,钻井作业也增加了煤岩体的裂纹数量。

5。试验研究声发射特征的多孔和传统的含煤样品全应力-应变过程中

在煤炭开采过程中,煤体在三轴应力状态,和煤的变形和破坏样品将显示负载下。这些变形是调整造成的毛孔和骨折在煤样例中,粒子位置的调整,粒子的变形和破坏。因此,声发射特征可以用来判断煤的变形和破坏样品(30.),然后预测煤与瓦斯突出事故的发生基于煤的变形和破坏样品。

这个实验进行了使用振铃计数方法,和负载和声发射信号的同步测量是保证。根据测试,测试结果总结如表所示2。数据7和8显示声发射特性图表的多孔和传统的含煤样品8 MPa的围压和瓦斯压力为1.4 MPa,分别。

表2
声发射参数的多孔和传统含煤样品在不同围压和瓦斯压力。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图7
声发射特征的地图传统含煤样品:(a) stress-ringdown count-cumulative记录时间;(b) stress-energy-cumulative energy-time;(c) stress-amplitude-time。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图8
声发射特征的地图多孔含煤样品:(a) stress-ringdown count-cumulative记录时间;(b) stress-energy-cumulative energy-time;(c) stress-amplitude-time。

根据应力-应变曲线的变化规律和煤样的声发射参数随着时间的推移,声发射特性的煤样在加载失败的过程可以分为四个阶段(31日),即初始阶段,静止阶段,声发射的活跃阶段,剩余阶段。

有一些相似点和不同点的声发射特性之间的传统和多孔含煤样品。铃流计数的相似性在撒谎,能量,和振幅的声发射事件初期很低,和铃流数量的急剧上升,能源和振幅偶尔发生。在稳定阶段声发射的声发射的趋势是相对稳定的,和铃流计数,声发射事件的能量和振幅也相应增加。在声发射的活跃阶段,声发射振铃通知数急剧上升的早期阶段,能量和振幅也相应增加。煤的失败发生时,变形增加,裂缝越来越传播和连接,然后是声发射振铃通知数量很大,能量和振幅是非常高的。最大铃流计数、能量和振幅强度峰值附近的煤样出现在这个阶段。在声发射的剩余阶段,仍有几声发射活动,但铃流计数和能量较低和振幅急剧下降。的最大铃流计算多孔含煤样品最多可以减少三分之一,最大能量最多可以减少近一半,和最大振幅变化小,只有1 - 3 dB的减少。主要原因是多孔含煤样品有弱变形阻力和低伤害扩张困难,使多孔含煤样变形速度和积累少变形能在失败面前。

6。结论

(1)解决气体压力而改变围压时,多孔含煤样品具有较高的峰值强度和弹性模量,但更低的峰值应变。时固定围压变化的气体压力,多孔含煤样本有较低的峰值强度、峰值应变,但较高的弹性模量。峰值强度和应变两种含煤样本有很好的线性关系与围压或气体压力、峰值强度和应变的山坡上和下两种煤样的气体压力的影响明显不同。两种含煤样品的弹性模量与围压或良好的指数关系气体压力,以及弹性模量的指数两种煤样的影响下围压是明显不同的。毛孔有重要影响煤岩体和机械故障特征的研究具有重要的指导意义煤巷道稳定和保护技术的发展。(2)当气体压力是固定在1.4 MPa,两种含煤样品的渗透率随围压的增加而减小;当围压固定在8 MPa,首先两种煤样的渗透率降低,然后增加与气体压力的增加,表明1.4 MPa的气体压力是克林肯伯格效应的关键时刻失去了主导地位。当围压和瓦斯压力都是固定的,多孔含煤样的渗透率高于传统的含煤样品。毛孔有重要影响煤和岩石的渗透率,这有助于提高深层煤层气的开发和利用煤矿区。(3)全应力-应变过程,与传统的含煤样相比,多孔含煤样的最大铃流计数最多可以减少三分之一的最大能源可以减少将近一半最多和最大振幅变化小,只有1 - 3 dB减少,表明之间的声发射特征有很大区别两种含煤样品。声发射特征可以用来预测煤与瓦斯突出事故的发生在煤层钻井作业。

数据可用性

所有的数据用于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

这项研究得到了国家重点研究和发展计划(批准号2018 yfc0808103),中国国家自然科学基金(批准号。51734007,51734007,52074106),项目创新研究团队在中国教育部大学(批准号IRT_16R22),河南高校重点科研项目(批准号19 a440003),河南理工大学博士基金(批准号B2019-56),河南大学的基础研究基金(批准号NSFRF180338)。