循环冷加载作用下煤样结构损伤实验研究.pdf

_ ’’苍j 毒0 0 ’ 挚立壹嚣箍戈学 跫州垂襻 蒹究■鲟篱瓣 载 - 。蟛 暂愁≮鹏 万方数据 分类号T D 8 2 1 U D C6 2 2 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 博士学位论文 循环冷加载作用下煤样结构损伤实验研究 E x p e r i m e n t a lS t u d yO i lS t r u c t u r a lD a m a g eo fC o a l S a m p l e su n d e rC y c l i cC o l dL o a d i n g 国家自然科学基金项目资助5 1 4 7 4 1 2 1 、5 15 7 4 13 9 作者姓名李和万 指导教师王来贵教授 申请学位工学博士 学科专业工程力学 研究方向矿山灾害力学 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明l l 嬲㈣料 本学位论丈作者及指导教师完全了解辽主王程撞丕太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王墨技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 学位论文作者签名手三趣 瑚、弋年6 其蜘 导 万方数据 致谢 本论文是在导师王来贵教授悉心指导和帮助下完成的，在此，谨向王老师致以最衷心、 最诚挚的感谢 王来贵教授是全国优秀教师，作为博士生导师，他那渊博的学识、科学严谨的态度和 执着敬业的精神深深地感染着我，为我进行科学研究指明了方向。博士期间，王老师不仅 仅指导我如何做学问，还教授我如何做人、做事，如父亲般无私地帮助和支持我，这份深 情厚谊无法用言语表达，谢谢您我的恩师 感谢副导师张春会教授对实验的指导和支持，并给予了理论分析方面的帮助。此外， 刘向峰教授、李喜林副教授、杨建林副教授、赵娜老师也给予我鼓励与帮助。同时赵国超 博士、安文博博士、潘继伟硕士、陈强硕士、任彦锦硕士、郑帅硕士等以及其他师兄、师 姐、师弟和师妹给予我大量的帮助。我的同学、同事和朋友对于实验操作、论文格式和英 文翻译校正工作给予的支持与帮助。在此对你们表示最衷心感谢，谢谢 在我博士实验期间建立了“新青年创新工作室”研究团队，感谢四届“新青年创新工 作室”的3 6 名学生，按照规范进行现场实验操作，不怕脏、不怕累，采用合理的实验方 法，获取了准确的实验数据。 感谢力学与工程学院的领导对我攻读博士学位的支持和帮助，谢谢我的同事及学生工 作团队对我的支持。 感谢我的岳母华泽丽女士及家人，帮助我照顾幼子，使我在所有的假期及晚间都可以 全身心地投入实验和论文撰写工作。 衷心感谢各位专家能在百忙之中抽出时间对我的论文进行评审。虽然论文经过多次修 改，但仍有许多问题和不足之处，期待着您的批评与指正。 万方数据 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C T 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。 关键词循环冷加载，损伤因子，煤样结构，累积损伤，液氮，低渗煤体 万方数据 循环冷加载作用下煤样结构损伤实验研究 A b s tr a o t P o r o s i t y a n df i s s u r es t r u c t u r e s d i r e c t l y i n f l u e n c et h e g a sa b s o r p t i o n a n d d e s o r p t i o np r o p e r t i e si nac o a lr e s e r v o i r ．T h ec h a n g el a wa n dd a m a g em e c h a n i s mo f p o r e sa n df i s s u r e s a r ei m p o r t a n tt o i m p r o v et h ep e r m e a b i l i t yo f ah y p o t o n i cc o a l r e s e r v o i r ．I no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ed a m a g ep r o g r e s so ft h eo r i g i n a lp o r e sa n df i s s u r e s ， c y c l i cc o l dl o a d i n ge x p e r i m e n t so nc o a ls a m p l e sw i t hv a r i o u sw a t e r s a t u r a t i o nl e v e l sb y u s i n gl i q u i dn i t r o g e n L N a sa nu l t r a l o wt e m p e r a t u r er e f r i g e r a n tt og a i nt h ei n i t i a l t e m p e r a t u r e ，c o n f i n i n gp r e s s u r e s a n dv a r i o u sl o wt e m p e r a t u r e sw e r ed o n e ．T h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h es t r u c t u r a ld a m a g eo fc o a ls a m p l e sa n df a c t o r si n c l u d i n g w a t e r s a t u r a t i o nl e v e l s ，t e m p e r a t u r e ，c o n f i n i n gp r e s s u r e sa n dc o l dl o a d i n gc y c l e sw e r e s t u d i e s ．Al a s e rc o n f o c a lm i c r o s c o p e ，a nu l t r a s o n i cd e t e c t i v ea n a l y z e ra n daC Tt e s t e r w e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ec h a n g eo ft h es u r f a c ef i s s u r ew i d t h ，t h es o u n dw a v e s p e e d ， d e g r e eo fp o r o s i t y ，t h ei n n e rs t r u c t u r a ld a m a g ee x t e n s i o na n dp o r o s i t yc h a n g el a w ，a n d t oa n a l y z et h es t r u c t u r a ld a m a g ea n da c c u m u l a t i v ed a m a g el a w so fc o a ls a m p l e su n d e r t h ee f f e c to fc o l dl o a d i n g ．T h ee f f e c tm e c h a n i s mo fs w e l l i n gs t r e s si n i t i a t e df r o mt h ei c e w e d g ea n dt e m p e r a t u r es t r e s so nt h es t r u c t u r a ld a m a g eo fc o a ls a m p l e sw a ss t u d i e d ；t h e s t r u c t u r a ld a m a g em e c h a n i c a lm o d e l sa n dd a m a g ec r i t e r i o n sw e r es u g g e s t e du n d e r e f f e c t so fw a t e r - s a t u r a t i o n ，t e m p e r a t u r e ，c o n f i n i n gp r e s s u r e ，a n dt h ec o u p l e de f f e c to f t h o s ef a c t o r s ．T a k i n gt h ef l u c t u a t i n gr a t eo fs o u n dw a v es p e e da sap a r a m e t e ro ft h e d a m a g ef a c t o r ，v e r i f i c a t i o n w a Sc o m p l e m e n t e db e t w e e nt h et h e o r e t i c a le x t e n s i o no f s t r u c t u r a ld a m a g ea n dc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t s ．T h em a i nr e s u l t sa r el i s t e da s f o l l o w s ． 1 W h e ni c ew e d g es w e l l i n gs t r e s s e so fc o a ls a m p l e sw i t hv a r i o u sw a t e r s a t u r a t i o nl e v e l Si sg e n e r a t e d ，l o c a ls t r u c t u r a ld a m a g eO c c u r s ．W h i l et h ed a m a g e a c c u m u l a t e sc y c l i c a l l y ，t h ed i m e n s i o n so fh o l e sa n df i s s u r esi nc o a ls a m p l e s i n c r e a s ef r o mam i c r o ．s c a l el e v e lt oam a c r o - s c a l eo n eu n t i lt h e yf r a c t u r e ． 2 T h es o a k i n ge f f e c to fL Nm a k e st h et e m p e r a t u r eo fc o a ls a m p l e sd e c r e a s e ． w h i c hg e n e r a t e st e m p e r a t u r es t r e s s ，a n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o no c c u r sa tt h et i po f h o l e sa n df i s s u r e s ．W h e nt h es t r e s ss t r e n g t hf a c t o re x c e e d st h ef r a c t u r es t r e n g t h o fac o a ls a m p l e ，t h es t r u c t u r eo ft h ec o a ls a m p l ei sd a m a g e da n dn e wf i s s u r e s a r eg e n e r a t e d ． 一I I 万方数据 3 F o rc o a ls a m p l e sw i t ht h ee q u i v a l e n tL Nc o l dl o a d i n gc y c l e s ，t h es t r u c t u r a l d a m a g ei n c r e a s e sa st h ec o n f i n i n gp r e s s u r ei n c r e a s e s ；W i t he q u i v a l e n tc o n f i n i n g p r e s s u r e ，t h es t r u c t u r a ld a m a g ei n c r e a s e sa st h el o a d i n gc y c l en u m b e ri n c r e a s e s ． 4 W i t ht h es a m el o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t ，t h es u r f a c ef i s s u r ew i d t ho f w a t e r - s a t u r a t e dc o a ls a m p l e sa c c u m u l a t i v e l yi n c r e a s e sa st h ec o l dl o a d i n gc y c l e n u m b e ri n c r e a s e s ．W i t ha ne q u i v a l e n tc o l dl o a d i n gc y c l e ，t h ee n t i r es t r u c t u r a l d a m a g ea g g r a v a t e sw i t ht h ed e c r e a s eo fe n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ev a l u e ． 5 T h ee f f e c to fL Nc o l dl o a d i n go nt h ed a m a g eo ft h ei n i t i a lf i s s u r eo fc o a l s a m p l e si ss i g n i f i c a n t ．W i t ho n ec y c l eo fc o l dl o a d i n g ，d a m a g eO c c u r si nm i c r o s c a l e ，r a t h e rt h a nm a c r os c a l e ；A sc y c l i cc o l dl o a d i n gg o e so n ，t h em i c r o s t r u c t u r e e x p e r i e n c eg r a d u a l p e n e t r a t i o n ，a n d t h ed a m a g ea c c u m u l a t e st o m a c r o ．s c a l el e v e l ． T h o s er e s u l t ss h o wt h a tt h eu s a g eo fL No nac o a ls a m p l eu n d e rc y c l i cc o l dl o a d i n g c a nl e a dt ot h es t r u c t u r a ld a m a g ee x p a n s i o na n de v e nb r i n ga b o u tf r a c t u r eb r e a k a g e ； U n d e rt h ec o n d i t i o no fl o wt e m p e r a t u r e ，t h es w e l l i n gs t r e s s o r i g i n a t e df r o mt h ei c e w e d g ea n dt h et e m p e r a t u r es t r e s sa r et h em a i nf a c t o r sf o rs t r u c t u r a ld a m a g eo fc o a l s a m p l e s ；f o rc o l dl o a d i n g ，t h em i n i m u mc y c l en u m b e r sf o rt h ed e s t a b i l i z i n gf r a c t u r eo f c o a ls a m p l eu n d e rd i f f e r e n tw a t e r s a t u r a t i o nv a l u e s ，t e m p e r a t u r ev a l u e sa n dc o n f i n i n g p r e s s u r e sc a nb ep r e d i c t e dv i ao u rf u n c t i o n s ．T h ea c h i e v e m e n to ft h i sr e s e a r c h c a n p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef r a c t u r i n gm o d i f i c a t i o nt e c h n i q u eb yt h eL Ni n j e c t i n g m e t h o do nc o a ls e a mw i t hl o wp e r m e a b i l i t y ，a n dc a nd e v e l o pn e wa p p r o a c h e sf o rt h e d i s a s t e rp r e v e n t i o no fr o c kb u r s t ，t h ec o n t r o lo fg a so u t b u r s ta n dg a se x t r a c t i o ni nt h e c a s eo fl o wp e r m e a b i l i t y ． K e yW o r d s c y c l i cc o l dl o a d i n g ；d a m a g ef a c t o r ；s t r u c t u r eo f c o a ls a m p l e ；a c c u m u l a t e d d a m a g e ；l i q u i dn i t r o g e n ；c o a lb o d yw i t hl o wp e r m e a b i l i t y ．I 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选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1煤体结构特征研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2煤体结构损伤研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．3低渗煤增透技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．2 ．4存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 1 ．3研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 1 ．3 ．2 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2循环冷加载作用下煤样结构损伤实验原理及方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．1煤样制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．1 ．1阜新盆地长焰煤结构及性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．1 ．2煤样的制备及标注⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．2循环冷加载实验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．3循环冷加载实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．4煤样结构损伤表征及测定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 2 ．5实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 2 ．6 ，J 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．3 3 3循环冷加载作用下不同含水饱和度煤样结构损伤规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．1单周期液氮浸泡不同含水饱和度煤样结构损伤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．1 ．1煤样表面裂隙电镜观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．1 ．2 煤样整体结构损伤测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．2多周期液氮浸泡不同含水饱和度煤样结构累积损伤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．2 ．1煤样表面裂隙电镜观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 万方数据 3 ．2 ．2 煤样整体结构损伤测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．3循环液氮浸泡作用下含水饱和煤样结构损伤演化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 ．1煤样表面裂隙电镜观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 ．2煤样内部裂隙容积测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．3 ．3煤样结构对单轴压缩应力应变关系影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．4循环液氮浸泡作用下干燥煤样结构C T 扫描实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．4 ．1煤样内部结构C T 扫描及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 3 ．4 ．2煤样表面裂隙形貌观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 3 ．4 ．3煤样整体结构损伤测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 3 ．5小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4循环冷加载作用下不同初始温度煤样结构损伤规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．1 单周期液氮浸泡不同初始温度煤样结构损伤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 4 ．1 ．1煤样表面裂隙电镜观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1 ．2煤样整体结构损伤测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．1 ．3煤样结构对单轴压缩应力应变关系影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．2多周期液氮浸泡不同初始温度煤样结构损伤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 4 ．2 ．1煤样表面裂隙电镜观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．2 ．2煤样整体结构损伤测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．2 ．3煤样结构对单轴压缩应力应变关系影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5循环冷加载作用下不同围压煤样结构损伤规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．1循环注液氮带约束煤样结构损伤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．1 ．1煤样表面裂隙电镜观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．1 ．2煤样整体结构损伤测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．1 ．3煤样结构对单轴压缩应力应变关系影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．2循环注液氮定围压煤样结构损伤．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．2 ．1煤样表面裂隙电镜观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．2 ．2煤样整体结构损伤测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．2 ．3 煤样内部C T 扫描实验及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 万方数据 5 ．2 ．4 煤样结构对单轴压缩应力应变关系影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．3循环注液氮变围压煤样结构损伤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 5 ．3 ．1 煤样表面裂隙电镜观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．3 ．2 煤样整体结构损伤测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 5 ．3 ．3 煤样结构对单轴压缩应力应变关系影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 5 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 6 不同低温环境下循环冷加载含水饱和煤样结构损伤规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 6 ．1煤样表面裂隙电镜观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 6 ．2 煤样整体结构损伤测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 0 6 ．3煤样结构对单轴压缩应力应变关系影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 6 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 7 循环冷加载作用下煤样结构损伤机理分析与力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 7 ．1 热胀冷缩效应对煤样结构损伤的机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 7 ．2冰楔对煤样结构损伤的机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 7 7 ．3循环冷加载作用下煤样结构损伤力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 l 7 ．4多因素耦合作用下煤样结构损伤分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 5 7 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 5 8 结论、创新点及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 6 8 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 6 8 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 7 8 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 8 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 6 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 8 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l5 9 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 绪论 1 ．1 选题背景及意义 煤体是含有原生孔隙、裂隙结构的复杂介质【1 】，它既是煤层气的储集 空间 介质， 也是渗流 空间 介质，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。抽采与利用煤层气在优化能源结构、保护环境、促进煤矿安全生产 等方面具有重大意义[ 2 1 。我国煤层气抽采率平均不足2 0 ％，与俄罗斯、美国、加拿大、澳 大利亚、德国等国家相比差距较大[ 3 】o 煤层渗透率一般在0 ．1 x 1 0 。～0 ．1 1 0 。3 u m 2 之间，属 于低渗煤层，非常不利于煤层气的开采[ 4 1 。由于我国含煤区先后经过了多期构造及运动改 造，地质条件复杂，断层、褶皱以及岩浆侵入，以及构造煤发育导致煤储层原生孔隙、裂 隙系统被破坏，煤储层裂隙因煤基颗粒阻塞、富水阻离、裂隙狭窄和孔隙不贯通，使煤层 气解吸和运移通道被堵塞【5 J 。 煤层气的主要成分是甲烷和其它可燃烃类气体，大部分以游离态存储在煤体的孔隙、 裂隙中，或吸附在煤基质颗粒表面，少量溶解在煤层的溶解态水中。根据I E A 统计，全世 界陆地上埋深20 0 0m 以浅的煤层气资源量约为2 6 0 万亿I n 3 。中国埋深2 0 0 0m 以浅的煤 层气地质资源量约为3 6 万亿m 3 【6 1 ，可供开采的资源总量约为1 0 万亿m 3 ，其中有1 5 个盆 地 群 产量大于1 0 0 0 亿m 3 [ 7 】。“十二五”期间，煤层气的开采量与应用比例有相应的 提升，但仍然未完成生产任务。进入“十三五”时期，国家能源局最新发布的煤层气勘 探开发行动计划中提到2 0 2 0 年，煤层气 煤矿瓦斯 抽采量力争达到4 0 0 亿m 3 。而 “十三五”煤层气产量规划是6 0 0 亿m 3 。随后出台的能源发展战略行动计划 2 0 1 4 ～2 0 2 0 年 则又提出3 0 0 亿m 3 的产量目标【8 ] 。从6 0 0 亿m 3 到3 0 0 亿Ⅱ1 3 ，再到4 0 0 亿m 3 ，煤 层气产量目标的变化反映开采能力有限和市场需求过大之间的矛盾，而开采能力取决于煤 层气储层结构和与其相适应的开采技术。 低渗煤层严重限制了我国煤层气的开发，同时还引起瓦斯灾害，危及人们的生命及财 产安全。游离瓦斯不易快速排出，瓦斯抽采效率低【9 1 。山西省每年因无法有效抽采而浪费 的煤层瓦斯达11 6 亿m 3 ，相当于15 0 8 万t 标准煤。如果将无法有效抽采而排掉的煤层瓦 斯全部抽采并且回收利用，将减少排放4 ．7 万t 的S 0 2 、1 ．5 8 万t 的N O 。，少形成2 1 5 万t 灰渣，减小超过1 0 0t 的汞、砷等有害物质的排放，有效地抽采能很好地保护环境。低渗 煤层瓦斯抽采非常困难，瓦斯灾害发生次数非常多，仅仅2 0 1 3 年在新疆白杨沟矿、贵州 万方数据 循环冷加载作用下煤样结构损伤实验研究 宏兴矿、江西合兴矿和曲江矿等发生的瓦斯灾害就导致6 0 多人死亡，财产经济损失巨大【1 0 】。 根据煤体的结构特征采用既安全又合理的增透技术将大大提高煤层气开采率，降低成本， 优化能源结构，保护环境，促进安全生产。 为了增加煤体的渗透性，主要是改善原生孔隙、裂隙结构或创建新的孔隙、裂隙，增 加气体运移通道的导通能力。常用的增透技术有保护层卸压开采、旋转水射流冲扩孔、水 力压裂、高压磨料射流割缝、复合射孔、水力割缝和深孔爆破预裂等⋯】，虽然这些方法可 以提高煤层气的开采量，但也存在着相应的不足，如水力压裂等方法的压裂液泄露将污染 水资源环境，加剧中国水资源匮乏；爆破预裂等方法往往引起煤体破碎，不利于煤层气开 采后煤体的二次开采。因此，针对煤体原生孔隙、裂隙和层 节 理等弱面结构进行损伤 扩容成为新的研究焦点。研究者多采用高温对煤样结构进行改性，如于艳梅等【1 2 】通过升温 热破裂的方法研究煤体结构的演化规律，发现煤体孔隙数量先减小后增加。而煤体自身的 热胀冷缩特性、地温、围压和含水饱和度是影响煤体结构损伤的重要自然因素。通过周期 性的注入制冷物质与地下热度、围压和含水饱和度的协同作用，将促进煤体结构损伤，改 变煤体物理、力学性质，有助于瓦斯灾害防治。 冷加载是指本身具有较高温度物体，在突然降温的条件下，内部产生温度应力，物体 结构造成损伤破坏。国内外学者尝试将液氮等低温流体注入油、气储层致裂增透，提高了 油、气产量【l3 1 。一方面，液氮临界气化温度为一1 9 5 ．8 。C ，液氮注入岩体后，岩体温度骡降， 岩体裂隙内液态水快速相变为固相冰，形成冰楔，体积可膨胀约9 ％，冰楔膨胀应力达到 岩体的强度极限，引起岩体破裂[ 1 4 】。另一方面，岩体具有热胀冷缩效应，在温度应力的作 用下，促进了孔隙、裂隙结构的损伤，降低了岩体强度，使岩体更易破裂[ 1 5 】。煤是特殊岩 体，具有原生孔隙、裂隙发育，基质层 节 理清晰，成分复杂的特点，利用液氮产生的 低温与地热构成的热环境相互作用，对煤体孔隙、裂隙结构的损伤增透是可能实现的。而 影响煤体孔隙、裂隙结构损伤扩展的因素主要有煤的物理力学性质、含水饱和度、围压、 煤样初始温度、环境温度、冷加载周期、冰楔作用等，当这些因素单独作用或耦合作用时， 煤样结构损伤程度将会有所不同。目前液氮冷加载作用下煤体结构损伤的规律及作用机理 并不清楚，不能有效并具有规模的应用到生产实际。因此，亟需通过实验研究循环冷加载 作用下煤样的结构损伤，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 治与瓦斯突出治理提供新方法。 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 煤体结构特征研究现状 煤体结构与煤质颗粒的物理排列和化学组成有关。煤体裂隙、孔隙结构是物理结构， 是指芳香层中的层间隙和相界面之间的空隙。一般使用隙模型、表面积、孔隙度等来表示 【1 6 】。在煤的有机分子中，原子相互联结的方式和次序叫做其化学结构。从煤的组成元素上 看，煤主要构成元素有碳、氢、氧、硫、氮五种元素，此外还有包括微量的磷、氯和某些 金属元素，碳元素的含量高于5 0 ％，并且多数含量在7 5 ％～9 5 ％之间，因此煤的特征与 高碳物料相似[ 1 7 】。决定煤样的裂隙、孔隙结构的本质上是其化学结构，煤的官能团和芳烃 族之间的排列使煤成为多孔性物质。 煤化作用使植物的脂类化合物、糖类及其衍生物、木质素和蛋白质形成了壳质组 E x i n i t e 、惰性组 I n e r t i n i t e 和镜质组 V i t r i i t e 三种显微组分，舒新前掣1 8 】通过对 V d a f 为3 8 ％左右的两种神府煤的显微成分进行了研究，发现镜质组中烷基侧链和阳离子型