红外加热煤体致裂特性研究.pdf

硕士学位论文 红夕卜．加。热煤体致．裂特性。研究 曼照曼。舅；曼墨￡焦￡￡鱼一Q 魏．￡羔A Q №照一蔓疆l _ a - l 焦嗽n 蔓秘渑．Q f - ．I 廷￡t 跫￡曼鹞。． 照鳆童勤垡璺．￡Q 弛， 作者姓名王一巧 指导教师张永利教授 学科专业工程力学 二。一七年六月 万方数据 分类号T D 8 2 1 U D C5 3 2 学校代码1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 红外加热煤体致裂特性研究 T h eR e s e a r c ho nC r a c k e dC h a r a c t e r i s t i c so f I n f r a r e dH e a t i n gC o a l 作者姓名王一巧 指导教师张永利 申请学位工学硕士 学科专业工程力学 研究方向矿山环境与灾害力学 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明岬磐缨绺嬲2 册 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王捏拉本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王程拉苤太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名j k 上互一一 导师签名 为一1 年‘月“日 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王程技本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝工程拉本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名导师签名 年月日年 月日 万方数据 致谢 本文是在导师张永利教授指导下完成的，从论文的选题到定稿，张老师均给予 了我多方面的支持。三年的学习时光使我获益匪浅，张老师渊博的专业知识、严谨 的治学精神、务实的科研态度以及平易近人的处事风格都是我一生学习的榜样。导 师不仅为我创造了良好的学习环境，而且在生活上也给予无微不至的关怀，在此谨 向导师张永利教授、师母徐翠萍教授致以衷心的感谢 感谢父母对我的理解与支持，他们的恩情与期望是我前进道路上的精神支柱与 动力源泉；他们的帮助与鼓励是我面对困难时的信心与力量。 感谢我的师兄马玉林老师、师姐刘杰老师、苏畅老师、程瑶老师对本文实验的 帮助和指导。感谢我的师弟师妹们对本文实验和细节上的许多帮助，尤其是师弟马 凯、尚文龙，同学崔余岩对本论文实验付出的辛勤劳动。衷心感谢各位师兄师姐在 工作上、学习上对我的帮助、照顾和关心。正是你们的理解和支持才使我得以顺利 完成该论文。 感谢力学研1 4 全体同学，祝各位同学在今后的学业、事业上不断取得成功 感谢力学院各位老师在学习过程中给予的指导与帮助，向在百忙之中对本文审 阅的各位专家致以诚挚的谢意 本文获得国家自然科学基金 5 1 5 7 4 1 3 8 面上项目的资助。 万方数据 摘要 煤体在红外加热作用下，原煤的应力和应变也会随着温度的不同而改变，从而 发生致裂现象。为了观察原煤红外加热条件下内部致裂的力学特性，本文首先利用 实验研究红外加热作用下原煤的温度．时间曲线，并通过电镜扫描，获得煤样加热前 和加热后的扫描图像，分析其细观结构组成及分布特点。通过实验发现，煤体每升 高单位温度所用时间变长，温度．时间曲线呈抛物线的趋势随着温度的不断升高，煤 岩体内的原生微孔隙裂隙贯通现象愈加明显，新生裂隙逐渐增多，附着在试样表面 的矿物颗粒随之减少，热损伤不断加剧。 利用了A N S Y S 进行了模拟稳态温度场和在该温度基础上的应力场，并对其实 验和模拟进行了综合分析；利用M A T L A B 对所得到的图片进行数字化处理，并进 行微观力学特性的分析。通过分析发现，煤体的温度值从加热中心位置呈放射状递 减，最后在离红外加热管较远的位置模型温度接近室温，并且平面应力场和温度场 基本上重合。与加热之前相比，红外加热后煤体孔隙度增加，且变化幅度不大，狭 长型孔隙逐渐扩展为椭圆型，产生大量新的小孔隙，而原有存在的小孔隙贯通产生 大孔隙，这表明红外加热煤体时加剧了煤的热损伤。 运用C O M S O L 有限元软件建立红外加热条件下煤体的数值模型，求解得出温 度场、应力场、渗流过程的渗流压力云图，用以研究红外加热条件下煤体内部孔裂 隙发育，为实际工程提供一定的参考意义。 关键字煤体；红外加热；致裂；热损伤；微观力学特性 万方数据 A b s t r a c t U n d e rt h ea c t i o no fi n f r a r e dh e a t i n g ，t h es t r e s sa n ds t r a i no fr a wc o a lw i l lc h a n g e 惭t l lt h e t e m p e r a t u r e ，a n dt h ef r a c t u r ew i l lo c c u r ．I no r d e rt oo b s e r v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t e m p e r a t u r ec r a c k i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fi n f r a r e dh e a t i n g ，t h i sp a p e rf i r s t l ys t u d i e dt h e t e m p e r a t u r e - t i m ec u r v eo fr a wc o a lu n d e ri n f r a r e dh e a t i n g ．A tt h es a m et i m e ，t h eS E M s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y w a su s e dt oo b t a i nt h es c a n n i n gi m a g e sb e f o r ea n da f t e rt h ec o a ls a m p l e s w e r eh e a t e da n dt h em i c r o s c o p i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d ．I ti sf o u n dt h a tt h et i m eo f i n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r ep e r lu n i tt e m p e r a t u r eo ft h ec o a lb o d yb e c o m e sl o n g e ra n dt h e t e m p e r a t u r e - t i m ec u r v ei sp a r a b o l i c ．W i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，t h ep h e n o m e n o no ft h e m i c r o p o r o u sf i s s u r ei nt h ec o a la n dr o c ki sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eo b v i o u s ．，T h em i n e r a l p a r t i c l e sa t t a c h e dt o t h es u r f a c eo ft h e s p e c i m e na r er e d u c e da n dt h et h e r m a ld a m a g ei s e x a c e r b a t e d ． A N S Y Sw a su s e dt os i m u l a t et h es t e a d y s t a t et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es t r e s sF i e l d ，a n di t s e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o nw e r ea n a l y z e d ；a n dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w e r ea n a l y z e d ；T h eo b t a i n e di m a g ei sd i g i t i z e db yM A T L A B ．I ti sf o u n dt h a tt h et e m p e r a t u r e v a l u eo ft h ec o a lb o d yi sr a d i a l l yd e c r e a s i n gf r o mt h eh e a t i n gc e n t e rp o s i t i o n , a n df i n a l l yt h e t e m p e r a t u r eo ft h em o d e li sf a rf r o mt h er o o mt e m p e r a t u r ef r o mt h ep o s i t i o no ft h ei n f r a r e d h e a t i n gt u b e ，a n dt h ep l a n es t r e s sf i e l da n dt h et e m p e r a t u r ef i e l da r eb a s i c a l l y c o i n c i d e n t ．C o m p a r e dw i t hb e f o r eh e a t i n g ，t h ep o r o s i t yo fc o a li n c r e a s e sa f t e rh e a t i n g ，a n dt h e i n c r e a s i n gt r e n do fp o r o s i t yt e n d st ob eg e n t l e ．T h ep o r e sg r a d u a l l yc h a n g ef r o mn a r r o wt o e l l i p t i c a l ，a n dt h en u m b e ro fs m a l lp o r e si si n c r e a s i n g ．A tt h es a m et i m e ，G r a d u a l l yp e n e t r a t i n g a n df o r m i n gl a r g ep o r e s ，p r o v i n gt h a tt h e r m a ld a m a g ei se x a c e r b a t e d ． T h eC O M S O Lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ew a su s e dt oe s t a b l i s ht h en u m e r i c a lm o d e lo ft h e c o a lu n d e rt h ei n f r a r e dh e a t i n gc o n d i t i o n ．T h es e e p a g ep r e s s u r ec l o u dd i a g r a mo ft h et e m p e r a t u r e f i e l d ，t h es t r e s sf i e l da n dt h es e e p a g ep r o c e s sw a su s e dt os t u d yt h ep o r ed e v e l o p m e n to ft h ec o a l u n d e rt h ei n f r a r e dh e a t i n gc o n d i t i o n ．P r o v i d eac e r t a i nr e f e r e n c es i g n i f i c a n c e ． K e yW o r d s C o a l ；I n f r a r e dH e a t i n g ；C r a c k e d ；T h e r m a ld a m a g e ；M i c r o s c o p i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．．⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．．⋯⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．．．．⋯．⋯⋯．⋯．⋯I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1选题目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 煤体温度致裂的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 煤储层孔隙裂隙研究综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2煤岩温度致裂损伤研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 红外加热研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 煤体红外加热相关特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 煤的电、磁性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 煤的热性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．3 煤的孔隙与裂隙⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．4 煤体的吸附和解吸性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．5煤体的渗透性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 煤体红外加热实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．1 红外加热煤体温度变化实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．2S E M 电子扫描显微镜实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 ．1 S E M 技术基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 3 ．2 ．2 电子扫描显微镜实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．2 ．3 实验样品⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．2 ．4 实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 ．5 红外加热条件下煤体细观结构演化特征定性分析⋯⋯⋯⋯⋯一1 9 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4基于红外加热实验的模拟及定量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 理想模型下的无限长圆柱体导热推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 I I I 万方数据 4 ．2 A N S Y S 模拟稳态传热分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．1 1 0 0 ℃温度场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．2 ．2 2 0 0 ℃温度场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．2 ．3 温度场结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．3 原煤结构热应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 ．1 1 0 0 ℃热应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 ．2 2 0 0 ℃热应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．4 基于m a t l a b 的细观结构演化特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．4 ．1 直方图均衡化处理图像及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．4 ．2 微孔隙裂隙的定量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．5 温度作用下孔隙的丰度和等效直径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5红外加热条件下煤体特性的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1煤体红外加热数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 ．1 ．1 红外加热温度场方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 6 5 ．1 ．2 变形场方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．1 ．3 渗流场方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．1 ．4 耦合方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．1 ．5定解条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2红外加热煤体渗流规律的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 红外加热煤体温度场分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．4 红外加热煤体应力场分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．5 红外加热煤体压力场、渗透率规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 I V 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1选题目的和意义 随着我国经济的飞速发展，能源需求总量正在不断增大，煤炭在一次能源中所 占6 7 ％的比例虽然有下降的趋势，但产量将在年产3 0 亿t 的基础上持续增加。2 0 1 5 年我国煤炭总产量3 7 ．5 亿t ，超过美国位居第一位，占煤层气总含量的3 3 ％，未来 近2 0 ～3 0 年内也不会有很大改变。即使将来非煤能源有很大的增加，煤炭所占比例 虽然可能有所下降，但总产量还将会有所增加，可以说煤炭在整个国民经济中所处 的重要地位近期不会发生重大改变[ 1 】。 依据我国煤层气发展现状，煤炭是我国主导资源，其主导地位是未来几年都不 可替代的[ 2 ] 。我国中长期战略规划中计划在接下来的2 0 年中，将煤炭消费比重降到 5 5 ％左右。现阶段，由于煤炭产能过剩，煤价大幅度下跌，煤炭行业陷入低迷状态， 各煤炭企业为维持利润，采用加大产量的策略，2 0 1 4 年我国的原煤产量达到3 8 ．7 亿t ，2 0 1 5 年国家虽然对煤炭产量采取一定的限制措施，但产量依然达到了3 6 ．8 亿 t ，同比下降3 ．5 ％，这仍然是一个很庞大的数字。数据显示，近几年我国的煤炭产 量都接近了世界煤炭总产量的一半【3 ] ，这进一步加剧了我国的能源结构不合理的问 题。煤炭产量增加固然加快了经济的发展趋势，但同时也带来了一系列的问题，比 如环境污染引发的雾霾天气，还有煤碳领域的高死亡率，目前，我国煤矿事故死亡 人数位列世界第一[ 4 1 。虽然在2 0 1 5 年己下降至1 0 0 0 人以下，但同美国差距依然明 显。距离当前最近的一次煤与瓦斯突出事故造导致了1 2 人遇难[ 5 】。 我国煤层赋存条件复杂，一半以上的煤层为高瓦斯煤层，必须开展深部开采煤 层气的技术研究，促进煤层气的增产。深部煤岩体较高的应力和瓦斯压力使得深部 的高瓦斯矿井更多。开采煤层气排放到大气中的甲烷造成温室孝敬、环境污染，因 此安全高效的开采煤层气就尤为重要。考虑热应力作用下煤岩其力学性质的变化， 发现了孔隙、裂隙变形发育丰富，主要起促进作用【6 ，7 】。因此，考虑热应力对煤岩内 部结构的影响极其重要，可以提高煤岩的孔隙率和渗透率，以实现煤层气安全高效 开采，从而达到促进煤层气产量的目的，对可持续的经济发展，温室气体的减少具 有重大意义。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图1 ．1 中美煤矿死亡人数对比 F i g ．1 ．1C o m p a r i s o no ft h ed e a t ht o l li nC h i n aa n dA m e r i c a 1 ．2 煤体温度致裂的研究现状 1 ．2 ．1 煤储层孔隙裂隙研究综述 煤岩渗透性和孔隙容积是影响瓦斯灾害防治、煤层气的充分利用的重要影响因 素。因此众多研究者开展了大量的试验研究。其中C l o s e [ 8 ] 等提出煤岩是双重孔隙结 构介质；傅雪海等认为煤储层的裂隙分为宏观裂隙、显微裂隙两种【9 】；于宏观【1 0 ] 指 出煤层气不仅以吸附态、游离态和溶解态存在，还包含着固态水合物状态。崔永军 【1 1 】考虑温度条件下进行不同煤的等温吸附实验，指出温度不影响煤层气吸附曲线。 王文峰[ 1 2 1 等研究了煤基质中孔径分布，得出大孔径的孔隙主要体现煤层气渗透过 程，小孔径孔隙主要是为煤层气吸附提供空间。李小彦[ 1 3 】指出煤层气运移的扩散主 要在孔隙系统中作用过，孔容是影响煤层气解吸速率的的不可或缺因素。 而对于微观孔裂隙的研究，就需要采用辅助的设备去研究，凭借人的肉眼是看 不到微观的孔裂隙的，大多数学者主要使用以下几种方法扫描电镜、小角度X 射 线散射、压汞法及吸附法。A l e x e e v 等依据气体分子扩散动力学得出了孔隙堵塞时 气体压力的变化规律，揭示了孔隙性质和煤的溶解性对封闭的煤岩内储层压力的影 响【14 1 。C l a r k s o n c r [ 1 5 】对0 ℃下高挥发烟煤进行了实验研究，表明煤的类型、组分成 分极其各成分的含量都影响煤岩孔隙率和孔隙的分布。A ．R a d l i n s k i a 采用小角度X 射线散射 S A X S 和小角度中子散射 S A N S 对煤的表面积和其表面孔隙分布进行了 测定，可以简单快速测出煤样的表面积，极其表面微小孔隙的分布状态【】6 ] 。王晓亮 【17 】等通过压汞法开展了不同类型的煤样以及其孔隙分布情况一系列研究，并结合了 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 数值模拟的求解，则揭示了加热促解过程中，微小孔隙数量以及占总表面积比例不 变。反而较大孔隙相应的孔隙变化明显，都是成增长趋势，也就是说分形维数提升。 煤孔裂隙结构极其复杂，其分布具有随机性，用传统的理论已经不适用此复杂 结构，比如欧几德理论。A n g u l o ．R ．F [ 1 8 ] 等首次提出压汞法是计算围岩的分形维数最 佳的方法，并开展了大量的理论推导以实验研究证明此方法的合理性以及正确性。 傅雪梅[ 】基于分形理论开展了大量实验研究煤岩的孔隙分布极其破碎程度，当外部 条件对煤岩造成破坏，其破碎程度影响煤岩块度的分形维数，并呈现正比例饿关系 增长。郎兆新等[ 2 0 ] 借鉴其他学者的毛管压力理论的研究，决定使用分段回归法对多 种孔隙分布结构进行维数的计算，结果表明煤岩的孔隙结构分布越复杂越需要采 用此法进行计算，结果会比其他方法误差更小。赵爱红【2 1 ] 指出分形维数大小可以呈 现出煤岩结构的热损伤程度与煤孔隙结构的复杂程度，而分形维数大部分出现在中 孔或者是重大偏小孑L 隙，小孔隙和大孔隙是不能用分形维数来描述的。王文峰【2 2 】 指出煤热损伤程度对其孔容的分型维数影响较大，呈反比例函数关系，热损伤程度 越大其渗透率越小。张玉涛【2 ，】得出了温度越高，煤的氧化程度越高，以及其分形维 数增长越快，并且呈线性增长关系。胡宝林[ z 】发现了所有煤的体积分形维数基本都 分布在3 ．0 ～3 ．5 之间，而且分形维数越大，随着分维数的增加，压汞法就对研究孔 隙结构不适用，煤层结构变化幅度也在减小。鞠付栋【2 5 】等对气化变质程度不同煤开 展了煤炭表面孔隙结构扩展情况以及扩展规律的研究，然后采用吸附法发现孔径大 小决定了其表面孔隙的分形维数与分形特点。胡松1 2 6 ] 等依据氮气等温吸附法研究在 高温作用下煤岩燃烧对其孔隙的孔容分形维数的变化规律，以及其内部孔隙结构的 分布。赵阳升和冯增朝等【，】对煤岩孔裂隙的三维分形维数分布规律进行了数值模拟 研究，研究表明了在单轴压裂煤岩时其抗压强度与孔裂隙分形维数有反馈作用，呈 反比例函数关系。 1 ．2 ．2 煤岩温度致裂损伤研究现状 煤岩的热损伤是指在热应力的作用下导致煤岩的扩展减弱，改变了煤岩内部力 学物理特性。这种热损伤严重影响了煤岩内部孔裂隙发育扩展过程，导致裂缝发生 形变。而高温作用下岩石内会产生热应力，进而引起煤岩体形变特征和强度弱化现 象。国内外众多专家在煤岩的热损伤破坏方面进行了大量的实验研究和理论推导研 究。在单调加载和重复加载下材料的微缺陷导致其内的进展性减弱，并导致体积单 元破坏的现象。其中，R a b o t n o v ，K a c h a n o v [ 2 s ．3 1 】等首次使用了“连续性因子”、“损 伤因子”、“有效应力”的说法，有效的猫叔了金属蠕变的特点，是开展研究损伤 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 破坏研究的基础。随后在煤岩形变研究中考虑损伤因素，开始研究煤岩损伤破坏的 机理，已经得出很多研究理论，到现在为止已经取得了众多的研究成果，其中C o s t i n ， B e i c h u a n ，V A l l i a p p a n 和Z h a n gW o h u a [ 3 2 0 5 ] 认为岩石损伤为各向异性，并成功应用 于工程实践中，解决了一些存在的顽固难题。K y o y a ，I c h i k a w a ，K a w a m o t o [ 3 6 ．3 9 】等 将金属损伤参数张量理[ 4 0 州] 应用岩石破坏损伤的研究中，假设煤岩损伤破坏是各项 同性的，建立了煤岩的损伤破坏模型；国内专家虽然在这方面的起步比较晚，但研 究开展已经接近世界前沿。其中吴澎、周维垣等[ 4 2 - 4 5 1 依据节理损伤机理，建立了岩 石节理损伤数学模型，并且对此模型进行了数值模拟分析。在此基础上推导了岩石 节理断裂损伤物理模型，并且验证了模型的准确性。李术才【4 6 1 采用效应变原理与自 治原理的结合，开展了对在剪切作用下岩体节理的脆性断裂的本构方程的理论推导 研究。陶振宇【4 7 】推导出符合热力学理论的岩体的张量分析的本构关系。Y a v u z 、C h a k i 等【4 8 ’4 9 】通过试验研究了花岗岩、碳酸盐岩两种岩石在热应力作用下其孔隙率、渗透 特性和超声波速的变化趋势。谢卫红【5 0 ] 用微观扫描仪，对从低温至高温作用下单轴 拉伸、压缩后岩石微观孔隙结构进行观测，发现考虑温度因素时岩石出现裂缝衍生、 扩展、破坏等损伤，提出岩石热损伤机理。李皋等【s 1 ] 提出采用微波加热砂岩研究其 衍生微裂缝的作用机理，结果显示，微波加热比其他加热方式对比在促使砂岩产生 微裂缝方面更有优势，主要因为微波具有其他加热方式所没有的特性，如对加热对 象的选择性，穿透性等。 1 ．2 ．3 红外加热研究现状 蓝鹤隆等I S 2 ] 针对红外高温辐射涂料在应用中出现的涂层稳定性问题，分析了以 高铝质耐火材料为基体，在高温下，涂层氧化物与缺陷形成的关系及作用机理。为 了评价沥青混凝土路面在微波加热和红外加热下的各项性能，薛亮等【5 3 】通过试验研 究，系统分析了微波加热沥青混合料和红外加热沥青混合料的路用性能，包括高温 变形特性、低温抗裂性、水稳性和抗疲劳特性试验。褚治德等【s 。】阐述了热辐射的基 本理论，即电磁波动说与光量子论叠加的双重性质，并重点叙述了红外线参数频率、 波长与温度的变换，利用维恩位移定律算出了国际电工词汇工业电热标准中红外加 热辐射波长与温度的对应关系。魏锋等[ s s l 采用液体热源载热进行红外辐射加热，提 出了用导热油作为热载体来获取红外辐射能的实验设想，并根据自行设计的装置进 行了初步的的研究。余其铮等i s 6 】对红外加热过程中物体内部出现温度峰值的条件及 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 响影因素作了探讨，采用了导热与辐射非稳态复合换热的一维模型，对红J I - 力D 热均匀物性 的干物料内温度场作了数值计算。结果表明，物料内部出现温度峰值的主要原因是辐射。 1 ．3 研究内容 红 l - g l 热在煤层气开采中作为一种新型的加热方式，加热后对煤体内部结构产 生怎样的影响，是否能够达到煤层气增产的效果，是本文研究的主要内容。本文进 行了一系列的红J I - 力H 热下煤样细观结构观察，通过电镜扫描 S E M 对红外加热下 煤体内部孔隙裂隙变化进行观察，并进行了红J f ；h D 热条件下的数值模拟，因此，研 究内容包括 1 搜集红J b D l i 热开采煤层气的国内外研究现状。 2 分析研究煤体相关的力学性质和结构特征，为在红外作用下煤体裂缝发 育奠定基础。 3 进行煤体红外加热宏观实验，并通过电镜扫描 S E M 进行细观观察， 进行加热前后对比分析。 4 根据实验得到的相应本构关系进行相应的数值模拟，并进行分析。 5 通过实验和模拟进行相互验证，分析红J l - 力l l 热下煤体内部孔裂隙发育， 为实际工程提供一定的参考意义。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 技术路线图 图1 ．2 技术路线图 F i g ．1 ．2T e c h n i c a lr o a d m a p ．6 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 煤体红外加热相关特性 2 ．1 煤的电、磁性质 红外线是一种电磁波，所以研究红外加热条件下煤体的特性，首先要考虑煤的 电磁特性。煤的电性质主要指的是电导率和介电常数等，电导率仃取决于煤化的程 度。褐煤和烟煤的电导率变化慢，而无烟煤的电导率比较高【5 7 】。 煤的介电常数E 是指某一物质处于两块金属板之间 构成电流器 时的蓄电量 与两块金属板之间为真空时的蓄电量之比，即占 C ／C o 。对非极性绝缘体而言占 甩2 ， n 为折射率。s 与“ 2 大致相等时碳的质量分数为8 7 ％左右，对煤化程度很低和很高 的煤，占与以2 的值差距很大。含大量氧官能团的煤，其煤化程度很低，极性很高， 占 门2 ；煤化程度高的煤，因为导电性增加导致s 更高；因此只有碳的质量分数为8 7 ％ 左右的煤才接近于非极性绝缘体。 煤的磁性质主要有磁化率等，煤中的有机成分具有抗磁性，即磁化会使附加磁 场和外磁场方向相反，煤化程度和煤的比磁化率K 。的关系大致为一条折线，在 w C 7 9 ％和w c 9 1 ％处有两个明显的折点，利用磁化率可计算煤的结构参数。 2 ．2 煤的热性质 本文主要研究红外加热煤体的特性，所以煤的热性质对于本文的研究至关重 要。煤的热性质指的是煤的比热容、导热性和热稳定性等。对煤体进行热加工是煤 最主要的加工方式，本文的核心内容就是对煤体进行红外加热，所以了解煤的热性 质对于本文研究内容是十分重要的，同时，其中某些热性质还可以提供有关煤结构 的重要信息。 煤的比热容不是恒定的，受到煤化程度、水分及温度的变化的影响。室温下， 煤的比热容为o ．8 ～1 ．7 k J ／ k g - o C 温度在0 ～3 5 0 。C 时，煤的比热容与温度关系为正 相关；在温度处于3 5 0 ～1 0 0 0 ℃时，比热容与温度的关系为负相关，最后接近于石墨 的比热容o ．6 9J ／ g ．。c 【5 8 ] 。 煤的导热性参数包括煤的导热系数A K J ／ m ．h ．o C 和热扩散率a m 2 ／h ，它 们之间的关系为 a 2 ／c ，， 式中c 一煤的比热容，k J ／ k g 。c y 一煤的密度，k g ／m 3 。 2 ．1 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 煤的导热系数可理解为热量在煤中直接传导的速度。煤的热扩散率描述的是物 体具有温度变化的能力，煤的热扩散率是一种不稳定导热特征的物理量。导热系数 与煤的水分含量，灰分产率及温度相关，并随水分含量的增高而变大。有机物的导 热性大大低于灰分的导热性，所以导热系数随灰分、温度的增高而提升；同时整块 煤的九比散状煤的大。煤的热扩散率与导热系数有相似的影响因素。 煤体的热稳定性是指煤在高温作用下保持其原来粒度大小的能力。它对煤的移 动床气化、型煤和型焦加工有重要意义。热稳定性好的煤在气化过程中能保持原来 的块度或只碎裂成不多的几块，而对热敏感度高的煤，一旦受热便会受损坏破裂为 小颗粒，甚至变成粉末。 2 ．3 煤的孔隙与裂隙 煤是一种多孔介质，百分之九十的瓦斯吸附在孔裂隙表面，这是煤层气的主要 存在方式。煤体孔隙表面积越大，煤层吸附瓦斯的含量越多，而煤体孔隙的容积又 与煤体孔隙特征相关。因此，煤层孔隙率是影响瓦斯吸附能力的重要因素。 煤的密度分为真密度，视密度和堆密度三种描述。它们都表示单位体积煤的质 量，但是不同的是，真密度中不包括煤的所有孔隙，一般使用比重瓶法或其他置换 法则测定；视密度是包括煤颗粒内的空隙，用水中称量法测定；堆密度包括煤颗粒 间的所有空隙，也包括煤颗粒内的空隙，可以称为空间占有率。 对同一种煤样，密度的数值按照真密度，视密度，堆密度的顺序依次减少。 衡量煤的多孔程度，用煤的孔隙体积与煤的总体积之比称为孔隙率‰，也可用 单位质量的煤所包含的孔隙体积 c m 3 ／g 来表示其计算公式为 挖堡二丝1 0 0 ％_ - fl 一生I 1 0 0 ％ 2 - 2 V 。 L咋J 1 ，。一M 2 - _ 一5 1 ，o 一 LZJ 。d v 。一M 2 - 4 V 。 LZ J Y 式中H 一煤的孔隙率，％v 。一煤的总体积，包括其中的孔隙体积，c m 3 1 ，。一 煤的实在体积，不包括其中的孔隙体积，c m 3 ；M 一煤的质，g d 一煤的真密度， g ／e r a 3 ； ，一煤的视密度，g ／e r a 3 ；则我们可以得出 玎 1 1 - 等云 x 1 0 0 ％ 一珈毗 俘5 ， 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 孔隙率决定了煤的渗透率，吸附解吸能力以及强度特性，是考虑煤体渗透性， 吸附解吸特性以及强度特性的重要参数。我们通过对煤体的孔隙率和煤体的孔隙压 力进行测定，计算出处于游离状态煤层气的含量。煤体内部孔隙的结构和大小、以 及孔隙在煤体内部的分布规律，都可以影响到煤的上述三个相关特性。除此之外， 煤体内部密集的单元构成结构对于其吸附煤层气的性能起了相当大的作用。孔隙率 的大小决定煤层气在孔隙中的运移运动。 煤体中的孔隙裂隙作为煤层气吸附的空间，也构建了吸附容积与煤层气自由的 运移通道。煤