【摘要】：煤層氣資源由于其清潔、高效、儲(chǔ)量巨大等特點(diǎn),已成為當(dāng)前能源開發(fā)的重要構(gòu)成部分。煤層氣的高效開采中,煤層滲透性是決定煤層氣開采效果的關(guān)鍵因素。煤體內(nèi)的連通孔隙、裂隙是氣體擴(kuò)散、滲流、運(yùn)移的重要通道,該通道的演化、變形不僅與煤體周圍長(zhǎng)期存在的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有關(guān),還隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)出顯著的時(shí)間依賴性。一方面高溫會(huì)降低煤體強(qiáng)度,導(dǎo)致裂隙延伸、礦物脫水及氣化,從而改變煤體孔隙率;另一方面,長(zhǎng)期流變使煤體內(nèi)孔隙壓密、裂隙延伸,甚至造成煤體局部失穩(wěn),由此勢(shì)必影響煤體的滲透性能,影響煤層氣的抽采效率。因此,本文以“熱-力耦合作用下煤體流變-滲流特性”為主要研究課題,開展了如下研究:1)通過(guò)YDY-100型單軸巖石蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)對(duì)煤樣進(jìn)行了分級(jí)加載下的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn),研究了煤體的蠕變特性。結(jié)果表明,煤體蠕變變形存在起始應(yīng)力閾值。當(dāng)軸向應(yīng)力未達(dá)到蠕變起始應(yīng)力閾值時(shí),煤樣變形僅為瞬時(shí)應(yīng)變;當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到或者超過(guò)蠕變起始應(yīng)力閾值時(shí),煤樣變形呈現(xiàn)出時(shí)間相關(guān)的衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變特征。此外,煤樣的軸向、徑向蠕變變形并不完全協(xié)調(diào)。在較低應(yīng)力水平下(煤體單軸抗壓強(qiáng)度的24.37%~34.11%),煤樣軸向、徑向變形均表現(xiàn)為瞬時(shí)應(yīng)變,變形較為一致;在中級(jí)應(yīng)力水平下(煤體單軸抗壓強(qiáng)度的34.11%~43.86%,應(yīng)力達(dá)到軸向蠕變起始應(yīng)力閾值但尚未達(dá)到徑向蠕變起始應(yīng)力閾值),煤樣軸向、徑向變形差異明顯,軸向變形率先表現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變,而徑向變形仍為瞬時(shí)應(yīng)變;在高級(jí)應(yīng)力水平下(煤體單軸抗壓強(qiáng)度的53.60%~76.02%),煤樣的軸向、徑向變形均表現(xiàn)為衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變特征,但二者蠕變變形速率仍有差異。2)通過(guò)微型巖石單軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤樣進(jìn)行了應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn),研究了煤體的應(yīng)力松弛特性。煤樣應(yīng)力松弛過(guò)程經(jīng)歷快速松弛、緩慢松弛和穩(wěn)定松弛三個(gè)階段。應(yīng)力松弛中,煤體的垂直層理煤樣和平行層理煤樣表現(xiàn)出明顯的各向異性。破壞前應(yīng)變等級(jí)下,垂直層理煤樣的破壞強(qiáng)度、應(yīng)力松弛量和瞬時(shí)應(yīng)力松弛速率較大。在破壞級(jí)應(yīng)變下,平行層理煤樣的剩余應(yīng)力比更小,松弛速率更大。3)基于煤體蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中的瞬時(shí)彈性模量和黏滯系數(shù)演化規(guī)律,討論了煤體單軸壓縮蠕變變形機(jī)理。瞬時(shí)彈性模量增大能直觀地反映煤樣硬化效應(yīng)前后的強(qiáng)度變化,黏滯系數(shù)減小能反映煤樣蠕變過(guò)程中的損傷劣化。低應(yīng)力下煤樣在瞬時(shí)應(yīng)變階段僅有硬化效應(yīng),當(dāng)應(yīng)力達(dá)到蠕變起始應(yīng)力閾值時(shí)煤樣逐漸出現(xiàn)損傷,硬化效應(yīng)與損傷效應(yīng)共同作用下,煤樣表現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變變形。長(zhǎng)期蠕變過(guò)程中煤樣強(qiáng)度經(jīng)歷先強(qiáng)化再弱化的過(guò)程,最終因累計(jì)損傷過(guò)大而失穩(wěn)破壞。4)通過(guò)顯微CT掃描對(duì)比分析了微型煤樣不同應(yīng)變下應(yīng)力松弛后各掃描層位,研究了煤樣應(yīng)力松弛機(jī)理。應(yīng)力松弛過(guò)程中,煤樣初期先壓密而后隨應(yīng)變?cè)黾映霈F(xiàn)損傷,各掃描層面的密度損失增量先略微增加而后逐漸減小,在最大應(yīng)變下煤樣失穩(wěn),密度損傷增量降低顯著。煤樣應(yīng)力松弛過(guò)程中,內(nèi)部微結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整并釋放能量,主要表現(xiàn)在水平方向沿試樣徑向方向擴(kuò)容和沿試樣軸向方向的相對(duì)滑移。5)通過(guò)YDY-100型巖石蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)和高溫滲流系統(tǒng)配合使用,分別研究了短期靜載條件下煤體滲透率隨溫度演化規(guī)律和考慮蠕變時(shí)不同溫度、應(yīng)力下煤體蠕變-滲流演化規(guī)律。短期靜載條件下,溫度升高,煤樣滲透率逐漸降低;煤樣滲透率在較低溫度下降低明顯,隨著溫度升高,煤樣滲透率降低趨勢(shì)變緩�？紤]蠕變變形時(shí),煤樣的滲流演化基本經(jīng)歷三個(gè)蠕變變形階段:蠕變起始應(yīng)力閾值前的壓密硬化階段、體積壓縮的蠕變變形階段和體積膨脹的蠕變變形階段;煤樣滲透率表現(xiàn)為先逐漸降低再增加的趨勢(shì),煤樣滲透率演化與體積時(shí)效變形存在較好一致性。升高溫度,有助于煤體蠕變變形的發(fā)生,煤樣蠕變的起始應(yīng)力閾值減小,極限破壞強(qiáng)度降低。蠕變過(guò)程中,煤樣的彈性模量和黏滯系數(shù)逐漸降低,溫度越高,煤樣的彈性模量和黏滯系數(shù)越低,煤樣滲透率由降低到升高的轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)力值減小。溫度較高時(shí),蠕變對(duì)煤樣滲透率降低的影響較大,煤樣滲透率損失最大可達(dá)40.35%。6)在廣義開爾文模型的基礎(chǔ)上建立了精度更高的分?jǐn)?shù)階統(tǒng)一流變模型;結(jié)合煤體的硬化-損傷蠕變機(jī)理和應(yīng)力松弛機(jī)制,引入了硬化函數(shù)和損傷函數(shù),建立了基于煤體流變機(jī)制的損傷流變模型。熱-力耦合作用下,煤體蠕變過(guò)程中,試樣彈性模量與溫度呈現(xiàn)二次非線性關(guān)系,黏滯系數(shù)與溫度呈線性負(fù)相關(guān),基于上述關(guān)系建立了溫度相關(guān)的煤體流變本構(gòu)模型,該模型適宜描述不同溫度、應(yīng)力下煤體的蠕變變形。在此基礎(chǔ)上,基于孔隙度與滲透率之間的聯(lián)系,將不同溫度、應(yīng)力下的煤體的溫度相關(guān)性流變本構(gòu)模型引入到滲透率模型中,建立了考慮不同溫度、應(yīng)力下煤體蠕變變形行為的煤體溫度-流變-滲透率模型。該模型能很好地描述熱力耦合作用下煤體蠕變過(guò)程中滲透率降低階段的演化規(guī)律。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD712.6
【圖文】：

實(shí)驗(yàn)所用煤樣Fig.2-1Experimentalsamples

YDY-100型單軸巖石蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)Fig.2-2YDY-100uniaxialrocktestingmachine

（c）c-3# （d）c-4#圖 2-3 單軸壓縮多級(jí)蠕變連續(xù)變形曲線Fig. 2-3 continuous creep curves in multistage uniaxial compression軸向應(yīng)變由式（2-1）計(jì)算得到，徑向變形由煤樣某一截面的周長(zhǎng)變化量和式子（2-2

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本文編號(hào)：2801694