循环冷加载作用下煤样结构损伤实验研究

发布时间：2020-05-29 05:30

【摘要】：煤的孔隙、裂隙结构直接影响煤对瓦斯的吸附、解吸特性以及瓦斯在煤体中的流动性。研究煤样孔隙、裂隙的演化规律及损伤机理对改善低渗透煤层的渗透特性具有重要意义。为了研究煤体的原生孔隙、裂隙结构损伤扩展过程,以液氮作为超低温制冷试剂,通过开展不同含水饱和度、不同初始温度、不同围压及不同低温环境下煤样循环冷加载实验,分析冷加载作用下煤样结构损伤与含水饱和度、温度、围压、冷加载周期之间的关系;结合激光共聚焦显微镜、超声波检测分析仪及CT扫描等技术,研究煤体表面裂隙宽度变化量、煤样的波速衰减率及孔隙量、煤样内部结构损伤程度及孔隙率变化规律,分析冷加载作用下煤样结构损伤和累积损伤规律;以实验结果为基础,揭示了冰楔膨胀应力、温度应力对煤样结构损伤的作用机理,建立了含水饱和度、温度、围压等单因素及耦合因素作用下的结构损伤力学模型及损伤判据,通过波速衰减率为参数的损伤因子验证理论损伤程度与实验结果的匹配性。研究结果表明:(1)不同含水状态下的煤样形成的冰楔膨胀应力,使煤样结构出现局部损伤,当局部损伤发生周期性累积时,煤样孔隙、裂隙逐渐扩展,直至破坏。(2)液氮浸泡作用使煤样由于温度降低产生了温度应力,导致煤样孔隙、裂隙结构尖端发生应力集中现象,当应力强度因子超过煤样裂隙的断裂韧度时,造成煤样结构损伤和新裂隙生成。(3)在相同的冷加载周期条件下,煤样结构损伤程度随围压的增加而增大;在围压相同的条件下,煤样结构损伤程度随冷加载周期的增加而增大。(4)在相同的低温环境下,含水饱和煤样表面裂隙宽度随冷加载周期的增加而逐渐增大;在相同的冷加载周期下,煤样整体结构损伤程度随环境温度的降低而逐渐增大。(5)液氮冷加载对于煤样原生裂隙结构损伤扩展效果显著,在单周期冷加载条件下,煤样结构出现微损伤,但从宏观角度并未破坏,随着冷加载周期的增加,煤样微观孔隙、裂隙结构逐渐贯通,造成宏观上的破坏;在低温条件下形成的冰楔膨胀应力与温度应力是煤样结构损伤的主要因素;预测了冷加载条件下不同含水饱和度、温度、围压煤样结构失稳破坏的最小周期。研究成果为低渗煤体注入液氮致裂改性提供理论基础,为冲击地压灾害防治、瓦斯突出治理与低渗瓦斯抽采提供了新的思考。
【图文】：

煤样,裂隙结构

辽宁工程技术大学博士学位论文煤化程度较低，孔隙量较大、含水分较多、在骤然升温过程中水分突然析出，会使块煤逡逑裂而降低热稳定性，甚至不同煤层长焰煤热稳定性波动较大。逡逑实验选用阜新盆地长焰煤，孔隙、裂隙结构均匀，层（节）理清晰，，煤样结构包括表逡逑裂隙结构，内部孔隙、裂隙结构，独立孔隙或裂隙结构，联通孔隙或裂隙结构，层（节）逡逑结构。煤样为抗压强度大于抗拉强度的脆性材料，表面裂隙与层理多具有一定的角度。逡逑验对表面裂隙结构，整体孔隙、裂隙结构，内部孔隙、裂隙结构进行观察和测量。逡逑

示意图,浸泡实验,液氮,示意图

基质以及孔隙、裂隙中水进行降温和冻结；另一部分液氮气化产生的低温则通过煤样的固逡逑体介质向煤样中心位置传递，产生温度应力，引起煤基质热胀冷缩形变。液氮浸泡实验示逡逑意图如图２．２。逡逑／逦孔（裂）隙逡逑液氮面逦／逦／逦／逡逑，逦＼逦ＩＺＺＬ．．．．．．．．．／逡逑逦？一液氮逡逑＊■：．逦逦逡逑逦邋＾逦亨逡逑＾邋５１逦．．．．．．逦▲．．．逡逑＾邋＊逦NB’逦液？气化温度泛」逡逑／逦柑垤逡逑■邋＾逦煤样逦热量传递ｆ向逦＾逡逑（ａ）浸泡示意图逦（ｂ）温度传递示意图逡逑图２．２邋液氮浸泡实验示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｌｉｑｕｉｄ邋ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ逡逑在温度变化的条件下，煤基质产生温度应变，即逡逑ｓ，邋＝邋ａＡｔ逦（２．１）逡逑式中：ｅ，为温度应变；为线膨胀系数，１／°Ｃ；邋Ａ／为温度差，°Ｃ。逡逑由于煤样组分不同，线膨胀系数不同，造成煤样变形的不均匀性，引起结构拉伸或挤逡逑压损伤，孔隙、裂隙结构尺寸增大。当煤样孔隙、裂隙中的液态水在液氮冻结作用下形成逡逑固态冰楔，体积膨胀对煤样的孔隙、裂隙造成挤压，形成膨胀应力。当膨胀应力大于煤样逡逑的强度极限时
【学位授予单位】：辽宁工程技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD712;TQ531.1

【参考文献】