突出煤体超声弹性特征实验研究

发布时间：2020-10-12 03:01

　　 煤弹性是反映煤的物质组分和结构的重要力学参数之一,利用超声波测试技术获取煤样的超声弹性参数来了解煤的物理力学性质和结构特征,具有方向感好、指向性强和穿透能力突出的优点;同时,在钻孔和测井等的约束下,运用原位震波测试获取煤层的地震弹性特征以反映其物性等,对于煤与瓦斯突出危险性预测和煤层气储层评价及开发具有重要的理论和工程指导意义。目前,室内煤岩超声实验主要针对单相固体煤岩展开。故本文开展了含瓦斯煤气固耦合两相介质的超声弹性特征的相关研究,并在煤样采集地点所在突出煤层巷道开展了突出煤体原位震波对比试验,具有重要的理论和实践指导价值。本文以理论分析、岩石物理实验、现场试验为研究方法,获取了含瓦斯煤样的超声弹性参数和突出煤体原位震波弹性参数,其主要研究成果如下:(1)确定了阳煤矿区新景矿8#、9#、15#三种煤样的达到气体吸附平衡状态的时间。通过开展8#、9#、15#三种煤样在1MPa瓦斯压力情况下不同吸附时长对煤样弹性参数的影响研究,最终确定8#、9#、15#三种煤样达到吸附平衡状态的时间均为16h。(2)揭示了8#、9#、15#三种煤样超声弹性特征及波速各向异性在不同瓦斯压力条件下的变化规律。随着瓦斯压力的升高,三种煤样的纵横波速度都呈现出先上升再下降的趋势,而速度比与泊松比却呈现出先下降再上升的趋势,区别在于8#煤四种弹性参数变化趋势的压力转折点出现在0.6Mpa,而9#、15#两种煤样出现在0.2MPa;同时四种弹性参数在走向、倾向和垂向之间依次降低,表现出强各向异性特征,而瓦斯的存在削弱了这种强各向异性趋势,其中纵波各向异性大小和下降幅度均要大于横波,表明纵波波速各向异性对瓦斯压力的变化反应更为敏感。(3)揭示了煤样采集地点所在巷道煤体的震波弹性特征、瓦斯解析指标K1值和坚固性系数之间的相关规律。随着解吸指标K1值的升高,纵横波速度呈下降的趋势。各煤层巷道煤体坚固性系数f与煤体纵横波速度之间有良好的正相关性,而煤体坚固性系数f与纵横波速度比之间显示出具有良好的负相关性。突出煤体原位测试的震波特征变化规律和含瓦斯煤样的超声弹性特征变化规律整体趋势上具有一致性,并且原位震波测试中煤体坚固性系数f、瓦斯浓度、纵横波波速三者的变化规律可以为含瓦斯煤超声弹性特征变化规律机理层面的探讨和解释提供一些指导,也是就瓦斯的存在,导致煤体强度降低,这种作用最终也导致了煤体纵横波等弹性参数的下降。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ531.4
【部分图文】：

Gas-Bearing Coal为了研究含瓦斯煤体的超声弹性特征，首先进行实验前期准备工作，包括煤样的采集和制备、实验设备的调试等，最后确定实验方案，进行实验。3.1 煤 样 采 集 及 样 品 制 备 （ Coal Sample Collection and SamplePreparation）本论文的样品收集于中国阳泉矿区新景矿的掘进工作面（图 3-1）。阳泉矿区是我国重要的无烟煤基地之一，也在进行煤层气资源的大规模开发。该地区年瓦斯涌出量约占全国瓦斯涌出总量的六分之一，其煤层多为突出煤层。本文所用煤样均取自新出露的掘进工作面直径大于 300 mm 的 8#、9#、15#煤样，在井下用纸和黑色塑料袋包裹和密封，然后运送到地面。根据煤岩实验标准[73]，将煤块加工成 50*50*50 mm3的方形煤样。然后用砂纸打磨和平整每个表面，以尽可能避免二次损坏，直到满足样品要求。接下来，对样品进行研磨，直到两端表面的不平行度小于 0.05 mm。最后，加工成 9 块标准煤试样，如图 3-2 所示。

14图 3-2 煤样采集及制备Figure 3-2 Schematic diagram of coal samples acquisition.行煤层层理的两个方向，即沿煤层走向 x、倾向 y，z 量煤样的尺寸，用排水法测量煤样视密度[74]，并且附常数 a、b 值[75]，煤样基本参数见表 3-1。

图 3-3 三种煤样气体吸附量和等梯度加压图示aphic charts of gas adsorption volume and equal gradient pressure for th性特征定性表征（Qualitative characterization ics）一种非均匀的各向异性沉积矿物，其内部空间组构多夹杂着结核。煤体颗粒内部裂隙、孔洞等的密度与裂隙、孔洞外的为了更好的定性、定量解释煤样本身的结构非均匀性和各向的三维 X 射线扫描成像。具体实验是在中国矿业大学现代分Versa 型号的高分辨三维 X 射线显微成像系统(3D－XRM)上素，目前仅对试验样品为#8-1 煤样进行了测试。现场测试如 3-3。表 3-3 CT 扫描参数Table 3-3 CT scanning test parameters压/kv 电流/uA 图像大小 曝光时间/s 像素大小 试样80 87 1004*1024 6 50.17 50
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本文编号：2837536