安全高效地提高煤層滲透性一直是礦井瓦斯開(kāi)采研究的重點(diǎn)和難點(diǎn),煤層注液氮提高煤層增透性作為一種無(wú)水化致裂增透措施,其特點(diǎn)是在煤層增透過(guò)程中擺脫對(duì)水資源的依賴,由液氮的低溫特性使煤層孔裂隙發(fā)育,改變煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而達(dá)到對(duì)煤層高效增透致裂的目的。目前,國(guó)內(nèi)外在對(duì)液氮致裂增透煤體實(shí)驗(yàn)中,對(duì)液氮注射參量與煤體致裂效果的耦合關(guān)系研究不足,同時(shí)缺乏圍壓環(huán)境下對(duì)煤樣的液氮注射研究,而且關(guān)于液氮注射對(duì)煤層吸附解吸特性的影響也缺少研究。針對(duì)上述問(wèn)題,本文以理論與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的分析方法,建立了模擬圍壓環(huán)境液氮注射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可模擬不同賦存環(huán)境的煤體受力狀態(tài),并在該受力狀態(tài)下對(duì)煤樣進(jìn)行不同注射參量的液氮實(shí)驗(yàn),探究了圍壓下不同液氮注射參量對(duì)煤體致裂增透影響的實(shí)驗(yàn)規(guī)律以及液氮作用過(guò)后的煤體對(duì)礦井瓦斯的吸附和解吸擴(kuò)散特性。液氮循環(huán)作用煤體,在煤體內(nèi)部產(chǎn)生水冰相變產(chǎn)生的凍脹力、循環(huán)變化的熱應(yīng)力和液氮汽化的氣體膨脹力綜合作用力,這些應(yīng)力不斷地對(duì)煤體孔隙裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞,不斷產(chǎn)生新的孔隙裂隙并擴(kuò)展原有的孔隙裂隙。液氮注射循環(huán)過(guò)程使煤體內(nèi)部逐漸形成多孔隙結(jié)構(gòu),多孔隙之間相互貫通形成裂隙網(wǎng)絡(luò)并最終改變煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu),... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：81 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

論文技術(shù)路線圖

土介質(zhì)中小孔擴(kuò)張或收縮是一維邊值問(wèn)題，基于煤體、巖土體材料復(fù)雜的本構(gòu)模型已經(jīng)有了大量的解析分析，并且也已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了涉及巖土工程、煤巖開(kāi)挖等實(shí)際工程當(dāng)中，因此針對(duì)煤的力學(xué)特性，可以通過(guò)構(gòu)建彈塑性模型對(duì)凍脹力進(jìn)行解析。根據(jù)煤體固有的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)屬性，當(dāng)有一定含水率的煤體在低溫凍結(jié)過(guò)程中，由于水冰介質(zhì)相面膨脹作用使得裂隙中的水會(huì)產(chǎn)生一定的凍脹力，并作用于形成于煤體裂隙表面，因此會(huì)在煤的孔裂隙表面與水冰介質(zhì)之間形成相互作用力[75]。對(duì)于這種界面凍脹力，可以根據(jù)小孔擴(kuò)張理論對(duì)其進(jìn)行分析，如圖2-1所示為該理論的力學(xué)模型，在此為了簡(jiǎn)化研究，提出以下四個(gè)模型假設(shè)條件[76]:1)煤體裂隙為圓形的平面力學(xué)模型。2)裂隙為含水飽和狀態(tài)，煤體滲透性忽略不計(jì)，且不向外發(fā)生水分遷移。3)小孔周圍煤體及水冰介質(zhì)具有均質(zhì)性和各向同性。4)在含有裂隙的煤體液氮凍結(jié)過(guò)程中，煤體與水冰介質(zhì)間處于接觸狀態(tài)，即裂隙表面正應(yīng)力相等和法向位移相等，始終滿足變形協(xié)調(diào)條件。圖2-1煤體裂隙凍脹力模型Figure2-1Frostheavemodelofcoalfracture根據(jù)假設(shè)條件，可以將煤體裂隙凍脹力的孔擴(kuò)張力學(xué)模型看作是煤體和裂隙兩個(gè)部分。根據(jù)該力學(xué)模型，可以將復(fù)雜的裂隙煤體凍脹力問(wèn)題簡(jiǎn)化為中心為圓形的水冰介質(zhì)與煤體裂隙表面的相互作用力問(wèn)題，且煤體邊界取無(wú)窮遠(yuǎn)，即煤體的半徑r趨近于無(wú)窮大。在該模型中，水冰介質(zhì)產(chǎn)生的凍脹力P0作用在煤體表面，在孔外側(cè)煤體受到的恒定壓力為P，因此可以對(duì)液氮凍結(jié)裂隙煤體過(guò)程中小孔周圍的應(yīng)力、位移進(jìn)行定量分析。在裂隙煤體中，其應(yīng)力和位移公式可由孔擴(kuò)張理論[74]得到:=+(0)()2（2-1）

2液氮致裂機(jī)理有煤體結(jié)構(gòu)特征11圖2-2液氮汽化膨脹力學(xué)模型Figure2-2Mechanicalmodelofvaporizationandexpansionofliquidnitrogen如圖所示，汽化后的高壓氮?dú)庵苯幼饔迷诿后w原始裂隙空間中或者以射流的形式?jīng)_擊孔壁形成初始裂紋，并在煤體空間內(nèi)部對(duì)煤體產(chǎn)生應(yīng)力作用。借助斷裂力學(xué)和文獻(xiàn)[79-83]可以得到，煤體裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：=√[(12/)](2-12)式中：Kr為裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，N/m3/2；l為裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度，m；Pm為孔隙壁面壓力，MPa；σ為地應(yīng)力，MPa。從上式可以看出，當(dāng)?shù)貞?yīng)力一定時(shí)，孔隙壁面壓力越大，即氮?dú)馀蛎浟υ酱�，也相�?yīng)的線性增大，而裂隙失穩(wěn)擴(kuò)展的條件為：≥(2-13)式中：為該煤炭材料的斷裂韌性，N/3/2。在同一煤層中，煤炭材料的斷裂韌性相對(duì)固定，因此只要高壓氮?dú)猱a(chǎn)生的應(yīng)力作用滿足煤體裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于斷裂韌性的條件，就會(huì)對(duì)煤體裂隙進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，促進(jìn)裂隙的發(fā)育。但是，在距離液氮注射孔較遠(yuǎn)的位置，液氮滲流量降低，氮?dú)馄瘻p少，產(chǎn)生的壓力降低，應(yīng)力強(qiáng)度因子相應(yīng)衰減，汽化作用將不再擴(kuò)展裂隙。上述各方面的綜合作用下液氮注射致裂煤體的破壞過(guò)程可以具體歸納為：當(dāng)煤體溫度受液氮注射影響降低到冰點(diǎn)以下時(shí)，由于煤體材料的非均質(zhì)性會(huì)使煤體內(nèi)部產(chǎn)生非均勻熱應(yīng)力，同時(shí)煤體材料導(dǎo)熱性能低，當(dāng)煤體內(nèi)部溫度下降不均衡時(shí)，相鄰溫度區(qū)的煤體顆粒會(huì)發(fā)生不同程度的收縮變形；另外，賦存在煤體孔隙內(nèi)部的液態(tài)水開(kāi)始物理凝結(jié)，水冰相變過(guò)程中的體積膨脹會(huì)對(duì)煤體產(chǎn)生剪切應(yīng)力；同時(shí)，在煤體內(nèi)部賦存礦井瓦斯的孔隙空間和裂縫內(nèi)，液氮汽化產(chǎn)生的高壓氮?dú)怛?qū)替礦井瓦斯擠占空間，進(jìn)一步對(duì)煤體產(chǎn)生應(yīng)力作用，在裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，擴(kuò)展裂縫。在熱應(yīng)力、

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3049631