不同液氮注射参量对煤体致裂效果影响规律的研究
发布时间：2021-02-24 16:19
安全高效地提高煤层渗透性一直是矿井瓦斯开采研究的重点和难点,煤层注液氮提高煤层增透性作为一种无水化致裂增透措施,其特点是在煤层增透过程中摆脱对水资源的依赖,由液氮的低温特性使煤层孔裂隙发育,改变煤体内部结构,从而达到对煤层高效增透致裂的目的。目前,国内外在对液氮致裂增透煤体实验中,对液氮注射参量与煤体致裂效果的耦合关系研究不足,同时缺乏围压环境下对煤样的液氮注射研究,而且关于液氮注射对煤层吸附解吸特性的影响也缺少研究。针对上述问题,本文以理论与实验室实验相结合的分析方法,建立了模拟围压环境液氮注射实验系统,该系统可模拟不同赋存环境的煤体受力状态,并在该受力状态下对煤样进行不同注射参量的液氮实验,探究了围压下不同液氮注射参量对煤体致裂增透影响的实验规律以及液氮作用过后的煤体对矿井瓦斯的吸附和解吸扩散特性。液氮循环作用煤体,在煤体内部产生水冰相变产生的冻胀力、循环变化的热应力和液氮汽化的气体膨胀力综合作用力,这些应力不断地对煤体孔隙裂隙结构进行破坏,不断产生新的孔隙裂隙并扩展原有的孔隙裂隙。液氮注射循环过程使煤体内部逐渐形成多孔隙结构,多孔隙之间相互贯通形成裂隙网络并最终改变煤体内部结构,...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文技术路线图
土介质中小孔扩张或收缩是一维边值问题，基于煤体、岩土体材料复杂的本构模型已经有了大量的解析分析，并且也已经广泛应用到了涉及岩土工程、煤岩开挖等实际工程当中，因此针对煤的力学特性，可以通过构建弹塑性模型对冻胀力进行解析。根据煤体固有的孔隙裂隙结构属性，当有一定含水率的煤体在低温冻结过程中，由于水冰介质相面膨胀作用使得裂隙中的水会产生一定的冻胀力，并作用于形成于煤体裂隙表面，因此会在煤的孔裂隙表面与水冰介质之间形成相互作用力[75]。对于这种界面冻胀力，可以根据小孔扩张理论对其进行分析，如图2-1所示为该理论的力学模型，在此为了简化研究，提出以下四个模型假设条件[76]:1)煤体裂隙为圆形的平面力学模型。2)裂隙为含水饱和状态，煤体渗透性忽略不计，且不向外发生水分迁移。3)小孔周围煤体及水冰介质具有均质性和各向同性。4)在含有裂隙的煤体液氮冻结过程中，煤体与水冰介质间处于接触状态，即裂隙表面正应力相等和法向位移相等，始终满足变形协调条件。图2-1煤体裂隙冻胀力模型Figure2-1Frostheavemodelofcoalfracture根据假设条件，可以将煤体裂隙冻胀力的孔扩张力学模型看作是煤体和裂隙两个部分。根据该力学模型，可以将复杂的裂隙煤体冻胀力问题简化为中心为圆形的水冰介质与煤体裂隙表面的相互作用力问题，且煤体边界取无穷远，即煤体的半径r趋近于无穷大。在该模型中，水冰介质产生的冻胀力P0作用在煤体表面，在孔外侧煤体受到的恒定压力为P，因此可以对液氮冻结裂隙煤体过程中小孔周围的应力、位移进行定量分析。在裂隙煤体中，其应力和位移公式可由孔扩张理论[74]得到:=+(0)()2（2-1）
2液氮致裂机理有煤体结构特征11图2-2液氮汽化膨胀力学模型Figure2-2Mechanicalmodelofvaporizationandexpansionofliquidnitrogen如图所示，汽化后的高压氮气直接作用在煤体原始裂隙空间中或者以射流的形式冲击孔壁形成初始裂纹，并在煤体空间内部对煤体产生应力作用。借助断裂力学和文献[79-83]可以得到，煤体裂隙尖端的应力强度因子为：=√[(12/)](2-12)式中：Kr为裂隙尖端应力强度因子，N/m3/2；l为裂隙扩展长度，m；Pm为孔隙壁面压力，MPa；σ为地应力，MPa。从上式可以看出，当地应力一定时，孔隙壁面压力越大，即氮气膨胀力越大，也相应的线性增大，而裂隙失稳扩展的条件为：≥(2-13)式中：为该煤炭材料的断裂韧性，N/3/2。在同一煤层中，煤炭材料的断裂韧性相对固定，因此只要高压氮气产生的应力作用满足煤体裂隙尖端的应力强度因子大于断裂韧性的条件，就会对煤体裂隙进行进一步的扩展，促进裂隙的发育。但是，在距离液氮注射孔较远的位置，液氮渗流量降低，氮气汽化减少，产生的压力降低，应力强度因子相应衰减，汽化作用将不再扩展裂隙。上述各方面的综合作用下液氮注射致裂煤体的破坏过程可以具体归纳为：当煤体温度受液氮注射影响降低到冰点以下时，由于煤体材料的非均质性会使煤体内部产生非均匀热应力，同时煤体材料导热性能低，当煤体内部温度下降不均衡时，相邻温度区的煤体颗粒会发生不同程度的收缩变形；另外，赋存在煤体孔隙内部的液态水开始物理凝结，水冰相变过程中的体积膨胀会对煤体产生剪切应力；同时，在煤体内部赋存矿井瓦斯的孔隙空间和裂缝内，液氮汽化产生的高压氮气驱替矿井瓦斯挤占空间，进一步对煤体产生应力作用，在裂缝尖端产生应力集中，扩展裂缝。在热应力、
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于表面活性剂解除水锁效应的压裂液性能研究[J]. 郑仰峰,翟成,倪冠华. 煤矿安全. 2019(11)
[2]瓦斯压力对煤体吸附特性及结构影响实验研究[J]. 徐佑林,吴旭坤. 煤矿安全. 2019(08)
[3]煤体结构与甲烷吸附/解吸规律相关性实验研究及启示[J]. 康志勤,李翔,李伟,赵静. 煤炭学报. 2018(05)
[4]页岩超临界CO2压裂起裂压力与裂缝形态试验研究[J]. 卢义玉,廖引,汤积仁,张欣玮,韩帅彬,凌远非. 煤炭学报. 2018(01)
[5]基于孔扩张理论的裂隙岩体冻胀力特性研究[J]. 汪平生,周国庆. 煤炭科学技术. 2017(11)
[6]煤层气储层压裂现状及展望[J]. 路艳军,杨兆中,Shelepov V.V.,韩金轩,李小刚,韩威. 煤炭科学技术. 2017(06)
[7]脉冲气压疲劳对原煤力学特性及渗透率的影响[J]. 侯鹏,高峰,高亚楠,杨玉贵,程红梅. 中国矿业大学学报. 2017(02)
[8]液态CO2相变致裂二次增透技术[J]. 王兆丰,周大超,李豪君,赵龙. 河南理工大学学报(自然科学版). 2016(05)
[9]冷加载循环作用下煤样强度特性研究[J]. 李和万,王来贵,张春会,李鹏飞,吴晗,陈治宗,陈光华. 中国安全生产科学技术. 2016(04)
[10]液氮冻结对岩石抗拉及抗压强度影响试验研究[J]. 黄中伟,位江巍,李根生,蔡承政. 岩土力学. 2016(03)
博士论文
[1]深部裂隙煤体瓦斯抽采过程中的多场耦合机制及其工程响应[D]. 刘厅.中国矿业大学 2019
[2]低渗透储层岩石气压致裂机制与增透效果研究[D]. 侯鹏.中国矿业大学 2018
[3]液氮循环致裂煤体孔隙结构演化特征及增透机制研究[D]. 秦雷.中国矿业大学 2018
[4]微波辐射下煤体热力响应及其流-固耦合机制研究[D]. 李贺.中国矿业大学 2018
[5]煤与煤层气共采矿山环境评价要素及绿色矿山建设途径[D]. 陈金辉.中国地质大学 2017
[6]基于电破碎效应的脉冲致裂煤体增渗实验研究[D]. 闫发志.中国矿业大学 2017
[7]微波辐射下煤体的温升特性及孔隙结构改性增渗研究[D]. 洪溢都.中国矿业大学 2017
[8]高压电脉冲对煤体致裂作用实验研究[D]. 卢红奇.中国矿业大学(北京) 2015
[9]聚能爆破煤体增透及裂隙生成机理研究[D]. 吕鹏飞.中国矿业大学（北京） 2014
[10]中国碳排放交易体系设计研究[D]. 王毅刚.中国社会科学院研究生院 2010
硕士论文
[1]高压驱替相与CH4在煤体中的吸附解吸及扩散与渗流规律研究[D]. 高子善.中国矿业大学 2019
[2]变质程度对突出煤体瓦斯吸附/解吸特性影响研究[D]. 张强.中国矿业大学 2018
[3]冻融对煤体损伤及瓦斯放散影响实验研究[D]. 武世亮.中国矿业大学 2017
[4]页岩气开发地区水资源承载能力分析[D]. 沈泽锋.长江科学院 2017
[5]瓦斯抽采上行钻孔钻屑自封孔性能实验研究[D]. 仲超.中国矿业大学 2017
[6]高压氮气冲击致裂煤岩体裂隙发育规律研究[D]. 赵旭.中国矿业大学 2017
[7]液氮半溶浸煤致裂增透试验研究[D]. 郭晓康.河北科技大学 2016
[8]液氮溶浸煤致裂增透的实验研究[D]. 李伟龙.河北科技大学 2015
[9]基于不同爆破致裂方式的液态二氧化碳相变增透应用研究[D]. 孙建中.中国矿业大学 2015
[10]煤体脉动注水渗流特征及主要影响因素研究[D]. 彭深.中国矿业大学 2015
本文编号：3049631
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文技术路线图
土介质中小孔扩张或收缩是一维边值问题，基于煤体、岩土体材料复杂的本构模型已经有了大量的解析分析，并且也已经广泛应用到了涉及岩土工程、煤岩开挖等实际工程当中，因此针对煤的力学特性，可以通过构建弹塑性模型对冻胀力进行解析。根据煤体固有的孔隙裂隙结构属性，当有一定含水率的煤体在低温冻结过程中，由于水冰介质相面膨胀作用使得裂隙中的水会产生一定的冻胀力，并作用于形成于煤体裂隙表面，因此会在煤的孔裂隙表面与水冰介质之间形成相互作用力[75]。对于这种界面冻胀力，可以根据小孔扩张理论对其进行分析，如图2-1所示为该理论的力学模型，在此为了简化研究，提出以下四个模型假设条件[76]:1)煤体裂隙为圆形的平面力学模型。2)裂隙为含水饱和状态，煤体渗透性忽略不计，且不向外发生水分迁移。3)小孔周围煤体及水冰介质具有均质性和各向同性。4)在含有裂隙的煤体液氮冻结过程中，煤体与水冰介质间处于接触状态，即裂隙表面正应力相等和法向位移相等，始终满足变形协调条件。图2-1煤体裂隙冻胀力模型Figure2-1Frostheavemodelofcoalfracture根据假设条件，可以将煤体裂隙冻胀力的孔扩张力学模型看作是煤体和裂隙两个部分。根据该力学模型，可以将复杂的裂隙煤体冻胀力问题简化为中心为圆形的水冰介质与煤体裂隙表面的相互作用力问题，且煤体边界取无穷远，即煤体的半径r趋近于无穷大。在该模型中，水冰介质产生的冻胀力P0作用在煤体表面，在孔外侧煤体受到的恒定压力为P，因此可以对液氮冻结裂隙煤体过程中小孔周围的应力、位移进行定量分析。在裂隙煤体中，其应力和位移公式可由孔扩张理论[74]得到:=+(0)()2（2-1）
2液氮致裂机理有煤体结构特征11图2-2液氮汽化膨胀力学模型Figure2-2Mechanicalmodelofvaporizationandexpansionofliquidnitrogen如图所示，汽化后的高压氮气直接作用在煤体原始裂隙空间中或者以射流的形式冲击孔壁形成初始裂纹，并在煤体空间内部对煤体产生应力作用。借助断裂力学和文献[79-83]可以得到，煤体裂隙尖端的应力强度因子为：=√[(12/)](2-12)式中：Kr为裂隙尖端应力强度因子，N/m3/2；l为裂隙扩展长度，m；Pm为孔隙壁面压力，MPa；σ为地应力，MPa。从上式可以看出，当地应力一定时，孔隙壁面压力越大，即氮气膨胀力越大，也相应的线性增大，而裂隙失稳扩展的条件为：≥(2-13)式中：为该煤炭材料的断裂韧性，N/3/2。在同一煤层中，煤炭材料的断裂韧性相对固定，因此只要高压氮气产生的应力作用满足煤体裂隙尖端的应力强度因子大于断裂韧性的条件，就会对煤体裂隙进行进一步的扩展，促进裂隙的发育。但是，在距离液氮注射孔较远的位置，液氮渗流量降低，氮气汽化减少，产生的压力降低，应力强度因子相应衰减，汽化作用将不再扩展裂隙。上述各方面的综合作用下液氮注射致裂煤体的破坏过程可以具体归纳为：当煤体温度受液氮注射影响降低到冰点以下时，由于煤体材料的非均质性会使煤体内部产生非均匀热应力，同时煤体材料导热性能低，当煤体内部温度下降不均衡时，相邻温度区的煤体颗粒会发生不同程度的收缩变形；另外，赋存在煤体孔隙内部的液态水开始物理凝结，水冰相变过程中的体积膨胀会对煤体产生剪切应力；同时，在煤体内部赋存矿井瓦斯的孔隙空间和裂缝内，液氮汽化产生的高压氮气驱替矿井瓦斯挤占空间，进一步对煤体产生应力作用，在裂缝尖端产生应力集中，扩展裂缝。在热应力、
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于表面活性剂解除水锁效应的压裂液性能研究[J]. 郑仰峰,翟成,倪冠华. 煤矿安全. 2019(11)
[2]瓦斯压力对煤体吸附特性及结构影响实验研究[J]. 徐佑林,吴旭坤. 煤矿安全. 2019(08)
[3]煤体结构与甲烷吸附/解吸规律相关性实验研究及启示[J]. 康志勤,李翔,李伟,赵静. 煤炭学报. 2018(05)
[4]页岩超临界CO2压裂起裂压力与裂缝形态试验研究[J]. 卢义玉,廖引,汤积仁,张欣玮,韩帅彬,凌远非. 煤炭学报. 2018(01)
[5]基于孔扩张理论的裂隙岩体冻胀力特性研究[J]. 汪平生,周国庆. 煤炭科学技术. 2017(11)
[6]煤层气储层压裂现状及展望[J]. 路艳军,杨兆中,Shelepov V.V.,韩金轩,李小刚,韩威. 煤炭科学技术. 2017(06)
[7]脉冲气压疲劳对原煤力学特性及渗透率的影响[J]. 侯鹏,高峰,高亚楠,杨玉贵,程红梅. 中国矿业大学学报. 2017(02)
[8]液态CO2相变致裂二次增透技术[J]. 王兆丰,周大超,李豪君,赵龙. 河南理工大学学报(自然科学版). 2016(05)
[9]冷加载循环作用下煤样强度特性研究[J]. 李和万,王来贵,张春会,李鹏飞,吴晗,陈治宗,陈光华. 中国安全生产科学技术. 2016(04)
[10]液氮冻结对岩石抗拉及抗压强度影响试验研究[J]. 黄中伟,位江巍,李根生,蔡承政. 岩土力学. 2016(03)
博士论文
[1]深部裂隙煤体瓦斯抽采过程中的多场耦合机制及其工程响应[D]. 刘厅.中国矿业大学 2019
[2]低渗透储层岩石气压致裂机制与增透效果研究[D]. 侯鹏.中国矿业大学 2018
[3]液氮循环致裂煤体孔隙结构演化特征及增透机制研究[D]. 秦雷.中国矿业大学 2018
[4]微波辐射下煤体热力响应及其流-固耦合机制研究[D]. 李贺.中国矿业大学 2018
[5]煤与煤层气共采矿山环境评价要素及绿色矿山建设途径[D]. 陈金辉.中国地质大学 2017
[6]基于电破碎效应的脉冲致裂煤体增渗实验研究[D]. 闫发志.中国矿业大学 2017
[7]微波辐射下煤体的温升特性及孔隙结构改性增渗研究[D]. 洪溢都.中国矿业大学 2017
[8]高压电脉冲对煤体致裂作用实验研究[D]. 卢红奇.中国矿业大学(北京) 2015
[9]聚能爆破煤体增透及裂隙生成机理研究[D]. 吕鹏飞.中国矿业大学（北京） 2014
[10]中国碳排放交易体系设计研究[D]. 王毅刚.中国社会科学院研究生院 2010
硕士论文
[1]高压驱替相与CH4在煤体中的吸附解吸及扩散与渗流规律研究[D]. 高子善.中国矿业大学 2019
[2]变质程度对突出煤体瓦斯吸附/解吸特性影响研究[D]. 张强.中国矿业大学 2018
[3]冻融对煤体损伤及瓦斯放散影响实验研究[D]. 武世亮.中国矿业大学 2017
[4]页岩气开发地区水资源承载能力分析[D]. 沈泽锋.长江科学院 2017
[5]瓦斯抽采上行钻孔钻屑自封孔性能实验研究[D]. 仲超.中国矿业大学 2017
[6]高压氮气冲击致裂煤岩体裂隙发育规律研究[D]. 赵旭.中国矿业大学 2017
[7]液氮半溶浸煤致裂增透试验研究[D]. 郭晓康.河北科技大学 2016
[8]液氮溶浸煤致裂增透的实验研究[D]. 李伟龙.河北科技大学 2015
[9]基于不同爆破致裂方式的液态二氧化碳相变增透应用研究[D]. 孙建中.中国矿业大学 2015
[10]煤体脉动注水渗流特征及主要影响因素研究[D]. 彭深.中国矿业大学 2015
本文编号：3049631
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