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煤渗透和吸附变形规律实验研究

孙维吉  
【摘要】:煤炭开采和瓦斯抽采过程中,煤和瓦斯存在着紧密的互动联系。瓦斯解吸、流动和煤变形、渗透过程中瓦斯和煤之间的耦合作用又使得这种互动关系异常复杂。研究煤变形破坏过程瓦斯的流动规律和考虑空间、时间因素作用下的煤渗透规律变得尤为重要。同时,人们对煤与瓦斯突出等动力灾害的发生机理的认识仍不清楚,进行煤吸附解吸气体的变形规律研究,对防治煤与瓦斯突出等动力灾害和指导瓦斯抽采具有重要的意义。基于岩石力学、渗流力学、实验力学和采矿工程等理论,开展了考虑吸附、不同加载方向、时间尺度和尺寸效应等因素作用下的煤渗透规律实验,开展了煤岩全应力应变过程及循环荷载作用下的渗透规律实验,以及煤对不同气体吸附解吸特性和不同煤对甲烷吸附解吸规律的实验,对煤渗透规律和吸附解吸规律进行了深入的研究。取得的主要结论有: (1)煤吸附不同气体最大变形量不同,ε_(CO_2) ε(CH_4) ε_(N_2)ε(Ar)。吸附二氧化碳后的变形量是吸附甲烷变形量的2倍,是吸附氮气变形量的4倍,煤不吸附氦气。 (2)不同类型煤对甲烷的吸附变形规律不同,不同煤吸附甲烷膨胀达到最大变形量所需要的时间也不同,突出煤样吸附瞬间变形量即能达到最大值,非突出煤达到最大变形量需要数小时至数十小时。 (3)考虑煤对瓦斯的吸附作用,煤渗透率降低;煤的渗透率与荷载施加方向有关,不同载荷施加方向对渗透率影响明显。 (4)煤全应力应变过程渗透率呈两种形式变化,一种渗透率先降低后升高,达到峰值后再降低;另外一种是随着应力的增加渗透率递减直至屈服渗透率突然升高。循环加载过程煤的渗透率呈规律性增加,屈服前后的循环加卸载渗透率呈现不同变化规律。轴向和径向循环荷载作用渗透率变化规律不同,轴压循环加卸载过程,渗透率表现为逆时针上升,而围压循环加卸载过程,渗透率表现为顺时针下降。通过全应力应变过程渗透率测试实验得到了煤变形破坏过程三阶段渗透率—应变关系式。 (5)煤渗透的尺度效应明显,考虑时间尺度,渗透率呈负指数衰减;研究了实验室尺度和工程尺度两种空间尺度的渗透率变化规律。对于小尺寸试件,渗透率随着煤渗透面积的增加而增加,达到一定值后趋于稳定。煤体中裂隙,尤其是有效联通裂隙对气体渗透影响显著,提出了渗透率多尺度计算方法。应用煤层气井排采数据计算了煤储层的渗透率,计算得到的渗透率高于实验室测试结果3个数量级。


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