顾北煤渗透特性的实验研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 发生不可逆的变形失稳破坏，围压促使声发射信号加强；温度对试样损伤有促进作用。 本文利用 RFPA2D-Flow 模拟软件，研究了不同围压下，煤体在固液耦合作用下的裂 隙扩展规律。通过数值模拟得出在加载初期，声发射在煤体中随机产生，产生少量声 发射现象；随着加载的进行，在弹性破坏阶段，煤体中逐渐出现以剪切破坏产生的声发 射为主伴随有拉伸破坏产生的声发射信号； 在塑性破坏阶段， 声发射信号开始产生集聚， 在煤体中形成了几处声发射聚集带。以聚集点为中心，声发射向外辐射形成更大的聚集 带，最后煤体发生失稳破坏。通过 RFPA2D-thermo 软件开展了煤体在热固耦合作用下的 数值模拟，得到了煤体在温度及应力作用下的裂隙扩展规律。 通过实验可以看出，煤体在温度应力耦合作用下，其渗透率总体是增加的。渗透率 的增大说明在实验过程中煤体产生了较多裂隙，在温度和应力作用下，这些裂隙进一步 扩展、贯通形成裂隙网络甚至形成较大裂缝。这些裂隙网络为空气流通提供了通道。一 旦发生煤自燃，空气将通过裂隙网络进入燃烧区，将会促进煤自燃进一步发展恶化。 关 键 词渗透特性，Darcy 流，全应力应变，声发射，RFPA 渗流 研究类型基础研究 万方数据 万方数据 permeability Darcy flow of the coal samples was obtained under different confining pressure and temperature conditions. The analysis showed that because of the particularity of coal type, coupled with the softening action of water, the intensity is significantly reduced. Below 100 ℃, the permeability of coal sample under 1 MPa confining pressure range of 0.20 x 10-11 m2 0.69 x 10 -11 m2, and the permeability of coal sample under 4 MPa confining pressure range of 0.55 x 10-11m2 3.51 x 10 -11 m2. All these indicated that permeability increases with confining pressure increases obviously when temperature is constant. Under the same confining pressure, the temperature has a catalytic effect on the permeability. Under higher confining pressure, ductility is stronger during the process of coal deation. Under the action of thermos-mechanical coupling the permeability of coal first increased then decreased. Through the PCI-2 acoustic emission monitoring system, the vibratory technology and energy count of coal sample during penetration was tested. By comparing the stress strain curve, we found that ringing count rate and peak energy rate of the acoustic emission peak appeared basically before and after the peak stress during the sample fracture process. The acoustic emission signal clusters mainly appeared in the plastic zone and the peak area. It got irreversible deation and instability destruction in the peak area. With the increase of confining pressure, the acoustic emission signal enhanced. With RFPA2D-Flow simulation software, i studied regularity of crack expansion of coal under solid-liquid coupling with different confining pressure. Through numerical simulation, it is concluded that acoustic emission is generated randomly in the coal body at the initial stage of loading and produces a small amount of acoustic emission.With the loading process, the acoustic emission is mainly caused by the compression shear failure in the elastic failure stage, and the acoustic emission signal is mainly generated by tensile failure.At the stage of plastic damage, acoustic emission signals begin to accumulate, and several acoustic emission bands are ed in the coal body. and at last the coal body is unstable and damaged. The numerical simulation of coal under thermosetting coupling was carried out by RFPA2D-thermo software, and the law of crack propagation in coal under temperature and stress was obtained. It is found that the permeability of coal is increased under the coupling of temperature and stress. The increase of permeability indicates that there are many cracks in the coal body during the experimental process. Under the action of temperature and stress, these fractures are further expanded and ed through the ation of fracture network or even larger cracks. These fracture networks provide a channel for air circulation. Once the spontaneous combustion of coal occurs, the air will enter the combustion zone through the fracture network, which will further promote the development and deterioration of the coal 万方数据 spontaneous combustion. Keywordsseepage properties,darcy fiow, stress-strain,acoustic emission,rfpa-flow Thesisbasic research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义.......................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...............................................................................................................1 1.2.1 煤岩体单轴、三轴应力应变特性的研究................................................................1 1.2.2 煤岩体的渗流特性研究............................................................................................2 1.2.3 煤岩体声发射特性的研究........................................................................................3 1.2.4 煤岩体流-固耦合数值模拟的研究..........................................................................4 1.3 研究内容及技术路线.......................................................................................................5 1.3.1 研究内容....................................................................................................................5 1.3.2 技术路线....................................................................................................................6 2 实验装置及原理简介.............................................................................................................8 2.1 实验装置及实验原理.......................................................................................................8 2.1.1 MTS815.02 型岩石力学伺服试验系统简介...........................................................8 2.1.2 瞬态法实验原理........................................................................................................9 2.1.3 Darcy 流的渗透特性...............................................................................................10 2.1.4 声发射监测仪简介..................................................................................................10 2.2 煤岩体温度场理论.........................................................................................................12 2.3 岩石基本强度破坏理论.................................................................................................13 2.4 本章小结.........................................................................................................................14 3 煤体全应力应变过程中的渗透特性与声发射特征研究....................................................15 3.1 型煤试件制备.................................................................................................................15 3.2 煤体单轴和三轴应力应变特征及声发射测试.............................................................16 3.2.1 煤体单轴应力应变测试..........................................................................................17 3.2.2 煤体三轴应力应变测试..........................................................................................18 3.2.3 煤体声发射特征参数测试......................................................................................20 3.3 煤体全应力应变过程渗透性测试.................................................................................21 3.3.1 渗透过程中煤体三轴应力应变及声发射试验......................................................25 3.3.2 煤体的渗透特性测试..............................................................................................28 3.4 本章小结.........................................................................................................................32 4 煤体破坏的固液耦合模型与热固耦合模型及其数值模拟................................................34 4.1RFPA 系统简介...............................................................................................................34 4.1.1 基本原理..................................................................................................................34 万方数据 目录 II 4.1.2 基元赋值..................................................................................................................34 4.2 固液耦合作用下煤体破坏过程数值模拟.....................................................................35 4.2.1 模型的建立与实验参数的选择..............................................................................36 4.2.2 煤体渗透过程数值模拟结果及分析.....................................................................36 4.2.3 渗透过程中煤体声发射及其损伤分析..................................................................40 4.2.4 渗透过程中煤体试件声发射与加载步关系..........................................................43 4.3 热固耦合作用下煤体破坏数值模拟.............................................................................45 4.3.1 模型的建立与实验参数的选择..............................................................................45 4.3.2 热应力下煤的裂隙扩展数值模拟..........................................................................45 4.3.3 力热耦合下煤的裂隙扩展数值模拟......................................................................47 4.4 本章小结.........................................................................................................................48 5 结论与展望............................................................................................................................50 5.1 结论.................................................................................................................................50 5.2 展望.................................................................................................................................51 致谢.......................................................................................................................................52 参考文献...................................................................................................................................53 附录...........................................................................................................................................58 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 矿业在社会发展与国民经济中具有十分重要的地位，我国是煤炭生产和消费的大 国。近年来矿业为我国的能源、工业以及农业生产提供材料。人类生活、经济建设和社 会的发展与矿产资源息息相关，这是矿业赖以生存和发展的基本保证。然而我国的能源 储量格局为“富煤、贫油、少气”，其中煤炭占我国化石燃料的 94。这种能源储藏现 状使得我国只能通过大量的开发煤炭资源来满足国家经济发展的需要，而大量的煤炭资 源开发及采掘，伴随着一系列安全问题，矿井火灾是其中之一。而在矿井火灾中，煤炭 自燃是主要自然灾害之一。 淮南矿业集团是百年老矿，也是新兴能源企业，是国家规划建设的 14 个亿吨级煤 炭生产基地之一。淮南矿区地质结构由简单到中等，整个煤田煤层赋存稳定，是一个大 型含煤盆地。煤炭质量优，属 1/3 焦煤为主的多种优质炼焦煤和动力煤，具有特低硫、 高发热量等特点。经自燃倾向性鉴定，淮南矿区煤层都属自燃和易于自燃煤层，监测数 据显示其最短自然发火期为 15 天，且同层煤之间自然发火期存在较大差异。根据现场 统计结果显示，淮南矿区各采空区深部瓦斯浓度较高，达到 50左右。这些潜在的安全 隐患一旦触发，将引起不可估计的财产损失及人员伤亡。 煤岩体是一种抗拉强度很低的非均质材料。煤处于温度场与应力场之中，在温度场 作用下形成温度差，进而产生热应力，受热膨胀拉断作用萌生新的裂隙，加之应力场的 作用，新裂隙进一步扩展形成复杂裂隙网络，为煤体的氧化自燃提供氧气通道。煤岩体 的渗透性主要取决于煤岩结构，在煤矿采掘过程中应力重新分布，围岩应力应变状态发 生了改变，煤岩体结构也产生了一定变化，从而其渗透特性具有一定的复杂性。经自燃 倾向性鉴定，淮南矿区煤层属于自燃或容易自燃煤层。为了探究淮南矿区同层煤自然发 火期之间的差异，开展顾北煤在力热耦合作用下的渗透特性研究。研究煤岩体在温度和 应力下的破坏规律，分析煤岩体破坏全过程中渗透率的变化规律、声发射特征及其与渗 透性之间的关系，为淮南矿区安全高效生产提供科学依据[1]。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 煤岩体单轴、三轴应力应变特性的研究 煤体是一种具有明显非均质性的沉积岩。 煤体本身分布着诸多类型的缺陷如 孔隙、 裂隙、层理等。这些缺陷对煤样的强度以及应变影响很大。煤样全应力–应变曲线是研 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 究煤样的力学特性、确定其本构关系的物理基础，其本身含有丰富的物理信息。 刘保县等[2]进行了煤样单轴压缩实验，根据声发射特征，建立了煤样的损伤模型， 同时得到试件压缩过程中的应力应变曲线。苏承东等[3]进行了卸围压加载路径条件下的 压缩试验，研究了煤岩样的变形、强度及声发射特征。Zhao Yixin 等[4]对煤样进行了单、 三轴压缩实验，研究了煤样破坏过程中的声发射特征，分析了煤样的预兆信息，认为单 轴条件下声发射的预兆信息更加明显一点。 高春玉等[5]对花岗岩进行加卸载三轴压缩， 分析不同条件下的弹性模量及强度特征。 孟陆波等[6]通过 MTS815 型试验机，对砂岩进行了三轴压缩试验，分析了围压与砂岩应 力-应变曲线特征曲线、弹性模量、峰值强度、峰值应变之间的关系。吴刚等[7]研究了页 岩高温后的力学性质，表明页岩力学性质的改变与温度引起的热应力作用、矿物成分和 微结构变化密不可分。申卫兵等[8]进行了三轴压缩实验，研究不同煤种的强度、变形模 量、泊松比与围压之间的关系情况。V.L.Shkuratinik 等[9]研究了煤样在单轴和三轴压缩 全过程中声发射的变化规律，得到煤样应力–应变曲线与声发射特征的之间的关联性。 康卫勇等[10]通过对中硬煤样进行压缩实验，得到了其强度与受压面积的之间的关系式， 并分析了煤样压缩过程中裂隙变化情况。对于煤岩样的单、三轴应力应变特性，前辈们 做过大量实验研究，在科研和工程实践中取得了一些具有指导意义的研究成果[11-13]。 1.2.2 煤岩体的渗流特性研究 煤岩样在渗流过程中裂隙的发展贯通及最终破裂形式，不仅与煤体本身的结构有 关，还与其所处环境的温度和所受应力有关。 深部煤体渗透率受原岩应力和温度的共同影响，随着煤层埋深的增加，地温也相应 增大。 文献[14-15]得出了煤体渗透率随温度升高而增大的结论。 孙培德等[16]研究了常温下， 平均有效应力与煤体渗透率之间的关系， 表明 平均有效应力对煤体渗透率有抑制作用。 祝捷等[17]和何峰[18]研究了煤样形变与其渗透率之间的内在关联， 前者建立了加载煤样形 变与渗透率的相关模型。后者给出了蠕变变形与渗透率之间的关系。 李树刚[19]和孙明贵[20]通过 MTS815.02 实验系统，研究了煤体和岩样的非 Darcy 流 渗透率。前者主要研究了在不同应变对煤体的非 Darcy 流渗透率的影响，后者通过瞬态 渗透法测试了石灰岩的非 Darcy 流渗透特性，发现峰后大应变状态下非 Darcy 流β因子 出现负值情况；唐红度等[21]通过对淮南矿区的 4 个煤样进行加载过程中的渗透性实验， 研究了各试件渗透特性的变化规律；马占国等[22]通过 MTS815.02 实验系统，测试了破 碎煤样在压缩过程中的渗透性， 研究了不同粒径破碎煤样在不同渗流速度下轴向应力对 渗透系数的影响；韩国锋等[23]通过研究岩石渗透率的变化情况，阐述了渗流失稳与结构 失稳的不同，指出岩石失稳后是否出现非 Darcy 流需要考虑其有效应力；刘建军等[24] 研究了低渗透岩石非线性渗流规律，认为渗流曲线有明显的非 Darcy 流特征。 万方数据 1 绪论 3 关于有效应力与渗透率的关系，海内外学者展开了一系列研究。在国外，学者通过 实验发现应力对煤体渗透性的影响比较大，分析得到了有效应力与煤岩体渗透特性之间 的耦合关系式[25-26]。在国内，林柏泉和周世宁[27]进行了模拟地应力环境下含瓦斯煤的渗 透特性实验；之后，学者们通过实验，研究了三轴应力及有效应力条件下煤的渗透性， 得到了应力与煤的渗透率之间的关系式[28-33]。Bai M[34]和 Tissm 等[35]研究了多孔介质的 渗透性，前者通过建立裂隙网络模型，模拟了多孔介质的流动和传输；后者对多孔介质 材料的非 Darcy 流因子进行了测试和相关研究。 刘建军等[36]对低渗透岩石非线性渗流规律进行了研究，得出渗流曲线有明显的非 Darcy 流特征。卜万奎等[37]通过对峰后岩石非 Darcy 流渗透特征进行了实验测试，发现 峰值过后其非 Darcy 流渗透率随着围压的增加而减小。 由于原煤样易碎，加之加工困难，很多实验研究采用型煤试件替代原煤。尹光志等 [38-39]分析了型煤与原煤的变形特性与抗压强度特征，还对型煤的渗透特性进行了分析。 石必明等[40]研究了固气耦合过程中型煤的渗透性，发现渗透曲线滞后于应力应变曲线， 即随着加-卸载次数的增加，岩体渗透性逐渐降低，多次循环后，应力渗透曲线基本 趋于稳定，主要是由于型煤在加-卸载过程中发生塑性变形所致，且实验过程中其应力 渗透曲线符合指数函数关系。 杨永杰等[41]研究了煤岩固液耦合过程中的渗透性，得出煤岩的应变-渗透率变化 曲线与其全应力-应变曲线变化情况基本相同，煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的 时间过程，表明渗透率的变化与其破坏过程紧密相关，但表现出相对“滞后”的特点， 煤岩体到达峰值强度及之后的软化阶段，产生较大裂缝，渗透率出现峰值。 杨凯[42]研究了煤样在不同温度和围压耦合作用下渗透率的变化特征，研究表明温 度对渗透率的影响明显小于围压对其影响； 张天军等[43]研究了突出矿煤岩微特征及其渗 透特性， 研究表明 随着应变的增大， 非 Darcy 流β因子和加速度系数趋势一致， 非 Darcy 流β因子小于 0，说明该试样容易产生渗流失稳。 1.2.3 煤岩体声发射特性的研究 许多学者做了大量理论研究和实验测试，尝试探索岩石材料从细观到宏观的破坏发 展过程。海内外众多研究人员认为，岩石由于自身许多微裂隙产生、扩展、增生和贯通 导致其发生宏观破坏。 Mansurov VA 等[44]通过岩石破裂过程的声发射信息判断其破坏类 型。 Cai M 等[45]通过声发射参数研究了岩石破坏过程与应力的关系，以及初始裂纹产生 时间。李庶林等[46]对岩石单轴压缩破裂全程进行了声发射监测，获得了岩石破裂过程中 的力学特性参数和声发射参数。实验数据显示在试件加载过程中，岩石声发射现象在 弹性阶段之前和之后有较明显增加，在塑性阶段会出现突然增加；试件加载应力在峰值 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 强度附近会随着加载的进行而减小，同时声发射事件率与前一阶段相比也出现明显减 小；在岩石试件发生失稳破坏后，声发射信号骤减，但仍然维持在一定的范围。 左建平等[4748]通过单轴压缩实验，对煤、煤岩组合体以及岩石的声发射参数进行了 测试。 实验数据显示 煤、 煤岩组合体以及岩石的声发射累积数随着轴压的增加而增大。 除此之外通过对各组试件在不同时间条件下声发射监测，发现同一时间段，岩石和煤的 声发射数随着荷载的增加而增大，但是煤岩组合体的声发射数呈现先渐增后渐减的趋 势。 杨永杰等[49]对灰岩进行三轴压缩，通过声发射特征参数，研究了三轴条件下灰岩的 破坏特点，发现其破坏过程过程可划分为初始损伤、损伤发展、损伤快速发展阶段和破 坏阶段。结果表明压密阶段声发射活动较少，是由于围压将试件压密所致；同时在试 件宏观破坏之后，声发射振铃计数才达到峰值，说明随着围压增加，灰岩的抗压强度和 峰后承载能力有了提高，建立了基于声发射累计振铃数的岩石损伤演化模型。 陈景涛[50]通过三轴压缩声发射试验，提出了围压与岩石形变及声发射参数的关系。 指出可以通过声发射现象判断岩石的变形和破坏。即声发射缓慢增加阶段作为岩石弹性 变形阶段的判断依据，声发射急剧增加阶段的起点作为判断岩石破坏前兆的依据。 赵兴东等[51]研究了 5 种不同试件压缩破坏过程的声发射特征，实验结果表明5 种 试件均发生劈裂破坏；同时发现，5 种试件在最开始的加载阶段产生的声发射事件都比 较少；声发射定位数据显示花岗岩与大理岩的声发射定位结果比其他三种试件明显， 不同种类岩石的声发射特征有一定差异，砂岩声发射事件数最少，而花岗岩声发射事件 数最多，通过声发射定位监测可以直观反映试件内部裂纹萌生、扩张和贯通过程。 高保彬等[52]分别对干燥、自然和饱水煤样进行声发射实验，研究显示煤样抗压强 度大小与含水量有直接关系。 1.2.4 煤岩体流-固耦合数值模拟的研究 热力以及流固耦合问题在环境工程、水力工程、瓦斯抽采等领域的研究比较多，主 要涉及煤岩体、煤层气的热力渗流等耦合模型的建立和数值模拟方法的计算。Step hansson 等[53]在他们的著作中详细地介绍了孔隙介质的热水力耦合过程； Noorishad 等[54] 提出了破碎岩体多孔介质的热水力耦合模型及数学模拟方法；针对多孔介质的耦合模 型，Lewis 等[55]]建立了多孔介质中 THM 耦合过程的数学模型，Li 等[56]建立了多孔介质 中污染物传输的化学-热-渗流-力学耦合数学模型，并给出了数学求解思路和方法；黄涛 [57]给出了研究裂隙岩体热流固耦合作用的设想， 这为防灾减灾工作的顺利进行提供了一 个新的研究方法。 卢义玉等[58]运用 RFPA2D-Flow 软件模拟了非均匀孔隙压力场对水压裂缝扩展的导 向机制，研究表明由于孔隙压力场导致水压裂纹尖端的应力强度因子增加，从而水压 万方数据 1 绪论 5 裂纹顺高孔隙压力方向延伸。 李连崇等[59]对岩石的热固流耦合数值模型及破裂过程进行研究。 通过模拟岩石裂隙 的产生、扩展连通规律以及固液耦合机制，对水压致裂过程中岩石试件失稳破坏力学特 征进行了初步研究。 冷雪峰等[60]采用 RFPA2D-Flow 数值模拟软件， 研究了煤体在水的压力作用下破坏失 稳过程。研究显示试件的非均质度对煤体试件的裂纹扩展方式影响很大；除此之外， 非均质度对试件破坏路径的粗糙度以及不规则度也影响较大。 门晓溪[61]通过 RFPA2D-Flow 模拟软件， 全面地分析研究了砂岩在不同环境下渗流损 伤特征、水力压裂机理以及声发射特征。唐世斌等[62]通过研究混凝土的热应力下的细观 分析，发现温度差对其破坏过程的影响与热膨胀系数密不可分。康健等[63]研究了非均质 度对岩石热破裂的影响，得到了热破裂率随时间和温度变化的规律。黄鑫等[64]研究了岩 样在热应力与膨胀力耦合作用下的破坏过程，分析了热应力对岩样破坏规律的影响。 综上所述，国内外学者对煤岩体应力应变过程中的声发射参数、热破裂、渗透性、 煤岩体耦合作用下的渗流特性等方面开展了大量的研究工作，并取得了不错的成果。这 些研究工作主要体现在 在温度以及温度和应力共同作用下的煤岩体的热破坏特性以及 煤岩体在不同加载条件下的渗流特性有了一定的研究；但对煤体试件在不同加载模式及 较高温度下的全应力应变过程的力学特性、渗透特性参数以声发射特征参数之间的关联 性还有待深入探讨。 本文主要研究煤体在不同温度和应力耦合作用下的渗透特性与声发 射特征， 同时采用 RFPA2D-Flow 数值模拟软件模拟不同围压以及水压对煤体的变形破坏 过程、声发射特征的影响。通过 RFPA2D-thermo 软件进行了煤体在温度以及温度应力共 同作用下的数值模拟，得到了煤体在热破坏过程中以及力热耦合作用下的裂隙扩展规 律。 1.3 研究内容及技术路线 1.3.1