【摘要】：煤的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)直接影響煤對瓦斯的吸附、解吸特性以及瓦斯在煤體中的流動性。研究煤樣孔隙、裂隙的演化規(guī)律及損傷機理對改善低滲透煤層的滲透特性具有重要意義。為了研究煤體的原生孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)損傷擴展過程,以液氮作為超低溫制冷試劑,通過開展不同含水飽和度、不同初始溫度、不同圍壓及不同低溫環(huán)境下煤樣循環(huán)冷加載實驗,分析冷加載作用下煤樣結(jié)構(gòu)損傷與含水飽和度、溫度、圍壓、冷加載周期之間的關(guān)系;結(jié)合激光共聚焦顯微鏡、超聲波檢測分析儀及CT掃描等技術(shù),研究煤體表面裂隙寬度變化量、煤樣的波速衰減率及孔隙量、煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度及孔隙率變化規(guī)律,分析冷加載作用下煤樣結(jié)構(gòu)損傷和累積損傷規(guī)律;以實驗結(jié)果為基礎(chǔ),揭示了冰楔膨脹應(yīng)力、溫度應(yīng)力對煤樣結(jié)構(gòu)損傷的作用機理,建立了含水飽和度、溫度、圍壓等單因素及耦合因素作用下的結(jié)構(gòu)損傷力學模型及損傷判據(jù),通過波速衰減率為參數(shù)的損傷因子驗證理論損傷程度與實驗結(jié)果的匹配性。研究結(jié)果表明:(1)不同含水狀態(tài)下的煤樣形成的冰楔膨脹應(yīng)力,使煤樣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部損傷,當局部損傷發(fā)生周期性累積時,煤樣孔隙、裂隙逐漸擴展,直至破壞。(2)液氮浸泡作用使煤樣由于溫度降低產(chǎn)生了溫度應(yīng)力,導致煤樣孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)尖端發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,當應(yīng)力強度因子超過煤樣裂隙的斷裂韌度時,造成煤樣結(jié)構(gòu)損傷和新裂隙生成。(3)在相同的冷加載周期條件下,煤樣結(jié)構(gòu)損傷程度隨圍壓的增加而增大;在圍壓相同的條件下,煤樣結(jié)構(gòu)損傷程度隨冷加載周期的增加而增大。(4)在相同的低溫環(huán)境下,含水飽和煤樣表面裂隙寬度隨冷加載周期的增加而逐漸增大;在相同的冷加載周期下,煤樣整體結(jié)構(gòu)損傷程度隨環(huán)境溫度的降低而逐漸增大。(5)液氮冷加載對于煤樣原生裂隙結(jié)構(gòu)損傷擴展效果顯著,在單周期冷加載條件下,煤樣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微損傷,但從宏觀角度并未破壞,隨著冷加載周期的增加,煤樣微觀孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)逐漸貫通,造成宏觀上的破壞;在低溫條件下形成的冰楔膨脹應(yīng)力與溫度應(yīng)力是煤樣結(jié)構(gòu)損傷的主要因素;預(yù)測了冷加載條件下不同含水飽和度、溫度、圍壓煤樣結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的最小周期。研究成果為低滲煤體注入液氮致裂改性提供理論基礎(chǔ),為沖擊地壓災(zāi)害防治、瓦斯突出治理與低滲瓦斯抽采提供了新的思考。
【圖文】：

遼寧工程技術(shù)大學博士學位論文煤化程度較低，孔隙量較大、含水分較多、在驟然升溫過程中水分突然析出，會使塊煤逡逑裂而降低熱穩(wěn)定性，甚至不同煤層長焰煤熱穩(wěn)定性波動較大。逡逑實驗選用阜新盆地長焰煤，孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)均勻，層（節(jié)）理清晰，，煤樣結(jié)構(gòu)包括表逡逑裂隙結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，獨立孔隙或裂隙結(jié)構(gòu)，聯(lián)通孔隙或裂隙結(jié)構(gòu)，層（節(jié)）逡逑結(jié)構(gòu)。煤樣為抗壓強度大于抗拉強度的脆性材料，表面裂隙與層理多具有一定的角度。逡逑驗對表面裂隙結(jié)構(gòu)，整體孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)進行觀察和測量。逡逑

基質(zhì)以及孔隙、裂隙中水進行降溫和凍結(jié)；另一部分液氮氣化產(chǎn)生的低溫則通過煤樣的固逡逑體介質(zhì)向煤樣中心位置傳遞，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，引起煤基質(zhì)熱脹冷縮形變。液氮浸泡實驗示逡逑意圖如圖２．２。逡逑／邐孔（裂）隙逡逑液氮面邐／邐／邐／逡逑，邐＼邐ＩＺＺＬ．．．．．．．．．／逡逑邐？一液氮逡逑＊■：．邐邐逡逑邐邋＾邐亨逡逑＾邋５１邐．．．．．．邐▲．．．逡逑＾邋＊邐NB’邐液？氣化溫度泛」逡逑／邐柑垤逡逑■邋＾邐煤樣邐熱量傳遞ｆ向邐＾逡逑（ａ）浸泡示意圖邐（ｂ）溫度傳遞示意圖逡逑圖２．２邋液氮浸泡實驗示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｌｉｑｕｉｄ邋ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ逡逑在溫度變化的條件下，煤基質(zhì)產(chǎn)生溫度應(yīng)變，即逡逑ｓ，邋＝邋ａＡｔ邐（２．１）逡逑式中：ｅ，為溫度應(yīng)變；為線膨脹系數(shù)，１／°Ｃ；邋Ａ／為溫度差，°Ｃ。逡逑由于煤樣組分不同，線膨脹系數(shù)不同，造成煤樣變形的不均勻性，引起結(jié)構(gòu)拉伸或擠逡逑壓損傷，孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)尺寸增大。當煤樣孔隙、裂隙中的液態(tài)水在液氮凍結(jié)作用下形成逡逑固態(tài)冰楔，體積膨脹對煤樣的孔隙、裂隙造成擠壓，形成膨脹應(yīng)力。當膨脹應(yīng)力大于煤樣逡逑的強度極限時
【學位授予單位】：遼寧工程技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD712;TQ531.1

【參考文獻】

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本文編號：2686477