高压瓦斯吸附与快速卸气压对煤岩的劣化作用试验与分析

发布时间：2020-07-03 16:56

【摘要】：针对煤与瓦斯突出孕育、启动两个阶段中瓦斯对煤岩力学状态的影响,在前人的研究基础上,将吸附态瓦斯和游离态瓦斯对煤岩的影响分离研究。高压吸附瓦斯对煤岩力学性质的劣化作用研究采用了物理试验和理论分析相结合的方法。物理试验仪器采用自主研发的可视化恒容气固耦合试验系统,试验采用与原煤力学性质相似度较高且物理力学参数受控可调的型煤标准试件,用CO2代替瓦斯气体。理论分析从拉伸破坏条件、剪切破坏条件和变形性质三个方面总结了劣化原因,得到了吸附态瓦斯对煤岩力学性质劣化的理论公式。在此基础上,为了更加精准的描述分析高压瓦斯吸附对煤岩的劣化现象,创新性地,从颗粒离散元的角度分析了高压瓦斯吸附对煤岩的劣化作用,并通过劣化试验与PFC2D数值模拟验证了颗粒离散元分析方法的的适用性。游离瓦斯对煤岩裂隙的扩容作用研究采用物理试验的方法。物理试验仪器在劣化试验的基础上改造而成,实现了气体高速释放。试验对象仍是型煤与CO2。主要得到以下结论:(1)型煤力学性质的劣化率随气体压力的增大变化呈包含幂函数项的复合函数关系,单轴抗压强度最大约降低44%,弹性模量最大约降低42%;(2)相同气体压力下,吸附性越大的气体在相同的吸附平衡压力环境下对型煤的劣化作用越大。(3)为了降低煤岩颗粒表面自由能,瓦斯吸附于煤岩颗粒表面,将导致煤岩颗粒接触的粘结抗拉强度、粘结粘聚力与粘结有效模量降低,气体吸附平衡压力越大,粘结抗拉强度、粘结粘聚力与粘结有效模量越小,粘结越容易发生破坏,从而降低了煤岩宏观强度与弹性模量。(4)力学状态良好的煤岩在揭露瞬间不会发生突出现象,煤岩进入峰后状态是发生突出的前提;(5)揭露瞬间造成的煤层内外气体压差是诱发突出的必要条件;(6)峰后煤岩在力学状态相同、瓦斯压力相同的情况下,随着煤岩强度的减小,发生突出的可能性增大,并存在一个强度阀值,小于该阀值发生突出,同时体应变增量随型煤强度呈负幂函数关系。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712
【图文】：

标准试件,型煤,制备流程,随机检验

。逡逑如图２－１所示。试件制备过程包含较多的人工操作，系统免，每一批制备好的型煤标准试件在使用前均会随机检验结果科学合理。型煤标准试件成品如图２－２所示，每组试件

强度检验,型煤,单轴压缩试验,标准试件

图２－２型煤标准试件逡逑Ｆｉｇ邋２－２邋Ｓｔａｎｄａｒｄ邋ｓｐｅｃｉｍｅｎ邋ｏｆ邋ｂｒｉｑｕｅｔｔｅ逡逑件从中随机选取３个进行单轴压缩试验强度检验，经检验每大８．４％，可以较好的用于试验研究，如表２－２所示。逡逑表２－２型煤强度随机检验结果逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－２邋Ｒａｎｄｏｍ邋ｔｅｓｔ邋ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｏｆ邋ｂｒｉｑｕｅｔｔｅ邋ｓｔｒｅｎｇｔｈ逡逑强度／ＭＰａ逦实际强度／ＭＰａ逦离散度逡逑０．５逦０．５１２逦０．４８０逦０．５０９逦４％逡逑１．０逦０．９８６逦１．０５３逦１．０１８逦５．３％逡逑１．５逦１．５０２逦１．４５７逦１．３９０逦７．３％逡逑２．０逦２．０５１逦１．９９８逦１．９８４逦２．５％逡逑２．５逦２．５６１逦２．４８０逦２．７１０逦８．４％逡逑

【参考文献】