冷热冲击条件下饱水煤样渗流及力学特性研究.pdf
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1、扫码阅读下载王珂,戎彦龙,郭志.冷热冲击条件下饱水煤样渗流及力学特性研究J.矿业安全与环保,2023,50(4):42-46.WANG Ke,RONG Yanlong,GUO Zhi.Study on seepage and mechanical properties of water-saturated coal sample under the condition of cold and thermal shockJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(4):42-46.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2
2、023.04.008冷热冲击条件下饱水煤样渗流及力学特性研究王 珂1,戎彦龙2,郭 志2(1.山西煤矿安全监察局安全技术中心,山西 太原 030031;2.太原理工大学 安全与应急管理工程学院,山西 太原 030024)摘要:为探究煤体在冷热冲击影响下的渗流规律及力学损伤机制,利用高低温系统、三轴渗流系统,对饱水煤样进行不同温度条件下冲击试验,基于声发射、金相显微图像技术分别对饱水煤样经冷热冲击处理后结构损伤演化进行定位、定量分析。研究结果表明:经不同冷热温度冲击,煤样渗透率均有增加,增幅为 20.59%253.26%,但不同孔隙压力下煤体的渗透率增幅随温度梯度并非正相关,而是呈现低高低的趋势
3、;在温度冲击下饱水煤体在热应力及水冰相变产生冻胀力作用下内部结构损伤显著;冷热冲击过程中,温度梯度越大,孔裂隙扩展量越大,煤体结构劣化更为显著;冷热冲击对煤体细观损伤较为复杂,新生成主裂隙呈“S”形分布,对煤层致裂效果显著。关键词:煤;冷热冲击;饱水;渗流特性;结构损伤;显微细观中图分类号:TD712 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0042-05收稿日期:2022-04-17;2022-07-02 修订作者简介:王 珂(1975),女,山西阳泉人,本科,高级工程 师,主 要 从 事 矿 山 安 全 技 术 管 理 工 作。E-mail:WangKe2015 。S
4、tudy on seepage and mechanical properties of water-saturated coal sample under the condition of cold and thermal shockWANG Ke1,RONG Yanlong2,GUO Zhi2(1.Safety Technology Center of Shanxi Coal Mine Safety Supervision Bureau,Taiyuan 030031,China;2.School of Safety and Emergency Management Engineering,
5、Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:In order to explore the coal seepage law and damage mechanism under the influence of cold and thermal shock,high and low temperature system and triaxial seepage system were used to conduct impact tests on water-saturated coal samples und
6、er different temperature conditions.The structural damage evolution of water-saturated coal samples after cold and thermal shock treatment was located and quantitatively analyzed.The results show that the permeability of coal samples increased by different cold and thermal shock temperatures,and the
7、 increase range is 20.59%to 253.26%.However,the permeability increase of coal body under different pore pressures is not positively correlated with temperature gradient,but shows a low-high-low trend.Under temperature shock,the thermal stress and water-ice phase transition of water-saturated coal bo
8、dy produce frost heaving force.The damage to the lower internal structure is significant.In the process of cold and thermal shock,the greater the temperature gradient,the greater the expansion of pores and fractures,and the more significant deterioration of coal structure.The mesoscopic damage to co
9、al body caused by cold and thermal shock is relatively complex,and the newly formed main fractures are distributed in an“S”shape,which has a significant effect on coal seam cracking.Keywords:coal;cold and thermal shock;saturated water;seepage characteristic;structural damage;microscopic 煤层气是成煤过程中形成的
10、伴生气体,是一种高效、洁净的非常规能源。据初步估算,我国浅表煤层气资源量高达 35 万亿 m3,分布于常规能源短缺的中东部地区及洁净能源短缺的南方地区1。我国煤层气具有储量高、分布广的特点,为煤层气开发提供了有利条件。但我国多数地区储煤层兼具“高储低渗”的特点,限制了煤层气产业的发展。注入高低温流体介质是煤层增透的重要手段之24Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月一。张春会等2-3利用低温液氮对干燥和饱水煤样进行冷冲击试验,得出冷冲击前后煤样波速变化率和表
11、面裂隙演化规律;王登科等4利用 CT 扫描研究了温度冲击条件下煤层微观裂隙发育,得出煤样表面切线方向产生的热应力最大,且超过了煤体抗拉强度;FANG 等5建立了 CO2-ECBM 过程中热水力耦合场的数值模型,揭示了 CO2-ECBM 机理;魏建平6、张路路7、王登科8、孙刘涛9等研究了温度冲击下煤样的渗透率变化及增透机制。近年来,低渗煤层注入低温液氮、液态 CO2及热蒸汽改善增透煤层技术,以提高煤层气的产出量,是众多学者研究的热点10-15,但对含水煤及冷热冲击煤体损伤的研究甚少。因此,研究温度冲击条件下饱水煤样结构损伤规律对煤层气抽采具有现实意义。1 试验设备及方案1.1 试验设备试验煤样
12、采用负压真空饱水装置进行饱水,冷热冲击试验设备采用高低温冲击试验系统。其中,高低温试验箱如图1(a)所示。温度控制范围为-45190,温度控制精度0.5,升降温速率0.71.0 /min。图 1 高低温冲击试验及三轴渗流系统三轴瓦斯渗流系统见图 1(b),渗流装置由主机、液压系统、气路控制系统、计算机自动加载控制系统等部分组成,试验力范围 10800 kN,轴向力控制精度优于示值的0.5%。轴向载荷由压杆通过煤样压板施加到煤样,液压系统可给三轴室试验产生围压;气体主要由氮气气瓶供给,利用调压阀调节进口气压,通过排水法测出口流量。细观损伤观测试验采用 CX40m 型金相显微设备,在图形分析软件中
13、可实时成像。1.2 煤样制备试验所用煤样为取自阳泉新景矿煤化度较高的无烟煤,外观呈灰黑色,带金属光泽。选取大块煤样,按岩样制备标准,使用砂线切割机制备成 50 mm100 mm的圆柱,并利用端面磨平机保持端面平整。煤样工业分析结果如表 1 所示。利用超声检测仪对煤样进行超声检测,选取纵波波速相近的煤样,排除特异性明显的煤样,以保证试验的准确性。表 1 煤样的工业分析结果单位:%取样点MadAadVdafFCad新景矿2.2619.6010.6467.89金相观测试验所需煤样尺寸为 20 mm10 mm的圆形薄片,需经过粗加工、粗抛光、精细抛光,直至将观测面打磨为镜面,薄片编号为 N-1、N-2
14、。试验所需煤样及金相显微镜如图 2 所示。(a)煤样(b)金相显微镜图 2 煤样及金相显微镜照片1.3 试验方案将制备好的煤样以不同温度梯度为划分依据,对煤样进行分组。其中,试验组的温度梯度为冷冲击与热冲击温度绝对值之和;对照组的温度梯度为冷冲击温度与常温(20)绝对值之和。将煤样放入真空负压饱水装置中,每隔 12 h 对煤样称重,直至煤样质量不再变化,得到最大含水煤样,抽样检测得出煤样含水率为 4%左右。运行温度冲击试验系统,设定低温试验箱和电热风试验箱内温度恒定在试验所需值。1.3.1 煤样的处理1)煤样处理方式为冷热冲击,试验温度梯度及煤样编号如表 2 所示。表 2 冷热冲击试验方案试验
15、组别煤样编号冲击温度/温度梯度/LR-40-404080LR-80-4080120试验组(冷热冲击)LR-120-40120160LR-160-40160200N-1-40160200对照组(冷冲击)L-40-4060N-2-40602)将 LR-40 饱水煤样置入预设温度为-40 的低温箱中,冷冲击持续 2 h,此时煤样表面与内部34第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023不存在温度差,煤样完全冷却。3)将冷却处理完成的煤样迅速放入预设温度为40 的高温试验
16、箱中,热冲击持续 2 h 后取出煤样,此时煤样表面与内部温度相同。自然恢复至室温,以备后续试验使用。4)其他煤样处理。冷冲击重复上述步骤,按表 2改变热冲击温度,依次完成煤样冷热冲击处理(冷冲击对照组只进行步骤 2)。1.3.2 不同孔隙压条件下三轴渗流及力学损伤试验1)利用三轴瓦斯渗流系统,在围压为 3 MPa、轴压为 3 MPa、加载速率为 0.02 kN/s、孔隙压力为0.25 MPa 的条件下,测试冷热冲击煤样的初始渗透率;改变孔隙压力,分别在 0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 MPa 的孔隙压力下测定处理煤样的渗透率,每组压力下测定 3 次渗透率,做好详细记录,取平均
17、值作为处理煤样渗透率,对比分析不同孔隙压力条件下渗透率增幅变化规律。本次试验选用稳态法测试煤样的渗透率。煤体轴向渗透率计算公式如下:k=2Qp0L(p21-p22)S(1)式中:k 为渗透率,10-15 m2;Q 为流量,cm3/s;p0为标准大气压,MPa;为动力黏度系数,MPa s;L 为试样长度,cm;p1为进气口压力,MPa;p2为出气口压力,MPa;S 为试样渗流断面面积,cm2。2)在孔隙压力为 0.50 MPa、其他参数不变的条件下,对不同温度冲击处理后的煤样进行三轴压缩加载试验,利用声发射实时监测定位煤体内部损伤,直至煤样破碎,分析煤体抗压强度与温度梯度的关系。2 试验结果及分
18、析2.1 冷热冲击煤样在不同孔隙压力下渗透率特征低渗煤层渗透率较低,以微孔裂隙通道为主,气体在煤体低速渗流时,随平均孔隙压力的增大,渗透率减小,具有典型的滑脱效应16。煤体在温度冲击的影响下,煤体内部的微孔裂隙重构,滑脱效应的改变可以在一定程度上反映煤体的损伤演化规律。试验煤样经过负压饱水处理后,水分充满煤体内部孔裂隙,在冷热冲击过程中,特别是热冲击开始阶段,煤体发出清脆的破裂声。试验所测渗透率结果如图 3 所示,相对于 LR-40 煤样,其他 3 组煤样经不同冷热温度冲击后煤样渗透率均有增大。从图 3 可以看出,随热冲击处理温度梯度的增加,微孔裂隙增多,滑脱效应越显著,煤体损伤越大。图 3
19、不同孔隙压力下处理煤体的渗透率各孔隙压力下煤体渗透率增幅随温度梯度上下波动,增幅呈现低高低的趋势。在不同孔隙压力下,可通过式(2)计算煤体的渗透率增幅:w=kj-kiki100(2)式中:w 为渗透率增幅,%;ki、kj分别为改变冷热冲击温度前后的渗透率,10-15 m2。不同孔隙压力下处理煤体的渗透率增幅如图 4所示。可以看出,与 LR-40 煤样相比,LR-80 煤样冷热冲击后渗透率平均增幅为 30%,LR-120 煤样冷热冲击后渗透率平均增幅为 206.42%、最大增幅为253.26%,LR-160 煤样冷热冲击后渗透率平均增幅为20.59%。3 种冷热冲击温度相比,热冲击温度为 120
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