洞穴卸压煤层气开发韧性围岩相似材料模拟实验研究

发布时间：2020-07-16 13:39

【摘要】：构造煤围岩相似材料研发是开展构造煤洞穴卸压煤层气开发物理模拟实验的前提。论文以我国典型构造煤发育区淮北矿区为研究区,采集了构造煤韧性围岩原岩样品,研究了其矿物学、渗透性及岩石力学特征。结合相似理论研究成果及大型模拟设备实验条件,确定了相似材料的相似要求。开展了相似材料原料优选及相似材料配比、成型优选实验方案设计,测试了相似材料试样的渗透率及力学性质参数,确定了相似材料原料选择、优化配比及成型方案。论文研究主要取得了以下认识及成果:(1)研究区构造煤韧性围岩主要为砂质泥岩、粉砂质泥岩及泥岩,主要矿物为石英及伊利石为主的粘土矿物。模拟原岩15 MPa地层压力条件下,韧性围岩三轴抗压强度平均为90.85 MPa;弹性模量平均为7.16×10~3 MPa;泊松比平均为0.135。(2)基于韧性围岩原型与试样模型应力相似的条件,确定了相似材料的相似原则与相似比。具体包括:(1)相似材料试样需具有较低的原始渗透率;(2)相似材料试样在模拟试验装置5MPa加载条件下不破裂,且三轴抗压强度为原岩的1/5;(3)相似材料试样弹性模量为原岩的1/5。(3)基于相似材料原料优选实验,选择80目石英砂为骨料,高强建筑石膏及1250目滑石粉为胶结材料,分析纯硼砂为缓凝剂开展实验室构造煤韧性围岩相似材料研发。综合考虑砂胶比、石膏:滑石粉、水与固体用量比、成型压力、成型时间5个因素对相似材料试样渗透性及岩石力学特征的影响,设计了5因素4水平的正交试验。(4)砂胶比对相似材料试样渗透性的影响显著。随着砂胶比增大,相似材料试样的渗透张率明显升高。此外,当胶结材料中石膏:滑石粉1:2时,相似材料试样渗透率显著增大。(5)砂胶比、石膏:滑石粉、水与固体用量比、成型压力对相似材料岩石力学特征均有影响。其中,砂胶比、石膏:滑石粉对相似材料试样岩石力学参数的影响显著。随着砂胶比增大,相似材料试样三轴抗压强度、弹性模量均呈减小的趋势。胶结材料中,随着石膏占比增加,相似材料试样三轴抗压强度、弹性模量均呈增大趋势。(6)基于正交试验结果分析,认为研究区构造煤韧性围岩相似材料最优配比及成型方案为:砂胶比为1:1,石膏:滑石粉为1:1,水与固体用量比为25%,成型压力为16.26MPa(3t压力作用于直径48mm左右的圆柱面),压制成型时间为6h。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE37

【参考文献】