热—力耦合作用下煤体流变—渗流特性实验研究

发布时间：2020-08-23 15:31

【摘要】：煤层气资源由于其清洁、高效、储量巨大等特点,已成为当前能源开发的重要构成部分。煤层气的高效开采中,煤层渗透性是决定煤层气开采效果的关键因素。煤体内的连通孔隙、裂隙是气体扩散、渗流、运移的重要通道,该通道的演化、变形不仅与煤体周围长期存在的温度场和应力场有关,还随时间增长呈现出显著的时间依赖性。一方面高温会降低煤体强度,导致裂隙延伸、矿物脱水及气化,从而改变煤体孔隙率;另一方面,长期流变使煤体内孔隙压密、裂隙延伸,甚至造成煤体局部失稳,由此势必影响煤体的渗透性能,影响煤层气的抽采效率。因此,本文以“热-力耦合作用下煤体流变-渗流特性”为主要研究课题,开展了如下研究:1)通过YDY-100型单轴岩石蠕变试验机对煤样进行了分级加载下的单轴压缩蠕变试验,研究了煤体的蠕变特性。结果表明,煤体蠕变变形存在起始应力阈值。当轴向应力未达到蠕变起始应力阈值时,煤样变形仅为瞬时应变;当轴向应力达到或者超过蠕变起始应力阈值时,煤样变形呈现出时间相关的衰减蠕变和稳定蠕变特征。此外,煤样的轴向、径向蠕变变形并不完全协调。在较低应力水平下(煤体单轴抗压强度的24.37%~34.11%),煤样轴向、径向变形均表现为瞬时应变,变形较为一致;在中级应力水平下(煤体单轴抗压强度的34.11%~43.86%,应力达到轴向蠕变起始应力阈值但尚未达到径向蠕变起始应力阈值),煤样轴向、径向变形差异明显,轴向变形率先表现出衰减蠕变和稳定蠕变,而径向变形仍为瞬时应变;在高级应力水平下(煤体单轴抗压强度的53.60%~76.02%),煤样的轴向、径向变形均表现为衰减蠕变和稳定蠕变特征,但二者蠕变变形速率仍有差异。2)通过微型岩石单轴试验机对煤样进行了应力松弛实验,研究了煤体的应力松弛特性。煤样应力松弛过程经历快速松弛、缓慢松弛和稳定松弛三个阶段。应力松弛中,煤体的垂直层理煤样和平行层理煤样表现出明显的各向异性。破坏前应变等级下,垂直层理煤样的破坏强度、应力松弛量和瞬时应力松弛速率较大。在破坏级应变下,平行层理煤样的剩余应力比更小,松弛速率更大。3)基于煤体蠕变试验过程中的瞬时弹性模量和黏滞系数演化规律,讨论了煤体单轴压缩蠕变变形机理。瞬时弹性模量增大能直观地反映煤样硬化效应前后的强度变化,黏滞系数减小能反映煤样蠕变过程中的损伤劣化。低应力下煤样在瞬时应变阶段仅有硬化效应,当应力达到蠕变起始应力阈值时煤样逐渐出现损伤,硬化效应与损伤效应共同作用下,煤样表现出衰减蠕变和稳定蠕变变形。长期蠕变过程中煤样强度经历先强化再弱化的过程,最终因累计损伤过大而失稳破坏。4)通过显微CT扫描对比分析了微型煤样不同应变下应力松弛后各扫描层位,研究了煤样应力松弛机理。应力松弛过程中,煤样初期先压密而后随应变增加出现损伤,各扫描层面的密度损失增量先略微增加而后逐渐减小,在最大应变下煤样失稳,密度损伤增量降低显著。煤样应力松弛过程中,内部微结构不断调整并释放能量,主要表现在水平方向沿试样径向方向扩容和沿试样轴向方向的相对滑移。5)通过YDY-100型岩石蠕变试验机和高温渗流系统配合使用,分别研究了短期静载条件下煤体渗透率随温度演化规律和考虑蠕变时不同温度、应力下煤体蠕变-渗流演化规律。短期静载条件下,温度升高,煤样渗透率逐渐降低;煤样渗透率在较低温度下降低明显,随着温度升高,煤样渗透率降低趋势变缓。考虑蠕变变形时,煤样的渗流演化基本经历三个蠕变变形阶段:蠕变起始应力阈值前的压密硬化阶段、体积压缩的蠕变变形阶段和体积膨胀的蠕变变形阶段;煤样渗透率表现为先逐渐降低再增加的趋势,煤样渗透率演化与体积时效变形存在较好一致性。升高温度,有助于煤体蠕变变形的发生,煤样蠕变的起始应力阈值减小,极限破坏强度降低。蠕变过程中,煤样的弹性模量和黏滞系数逐渐降低,温度越高,煤样的弹性模量和黏滞系数越低,煤样渗透率由降低到升高的转折点应力值减小。温度较高时,蠕变对煤样渗透率降低的影响较大,煤样渗透率损失最大可达40.35%。6)在广义开尔文模型的基础上建立了精度更高的分数阶统一流变模型;结合煤体的硬化-损伤蠕变机理和应力松弛机制,引入了硬化函数和损伤函数,建立了基于煤体流变机制的损伤流变模型。热-力耦合作用下,煤体蠕变过程中,试样弹性模量与温度呈现二次非线性关系,黏滞系数与温度呈线性负相关,基于上述关系建立了温度相关的煤体流变本构模型,该模型适宜描述不同温度、应力下煤体的蠕变变形。在此基础上,基于孔隙度与渗透率之间的联系,将不同温度、应力下的煤体的温度相关性流变本构模型引入到渗透率模型中,建立了考虑不同温度、应力下煤体蠕变变形行为的煤体温度-流变-渗透率模型。该模型能很好地描述热力耦合作用下煤体蠕变过程中渗透率降低阶段的演化规律。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712.6
【图文】：

实验所用煤样Fig.2-1Experimentalsamples

岩石蠕变,单轴,试验机

YDY-100型单轴岩石蠕变试验机Fig.2-2YDY-100uniaxialrocktestingmachine

曲线,连续变形,单轴压缩,蠕变

（c）c-3# （d）c-4#图 2-3 单轴压缩多级蠕变连续变形曲线Fig. 2-3 continuous creep curves in multistage uniaxial compression轴向应变由式（2-1）计算得到，径向变形由煤样某一截面的周长变化量和式子（2-2

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