【摘要】：煤層氣資源由于其清潔、高效、儲量巨大等特點,已成為當前能源開發(fā)的重要構成部分。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鍵因素。煤體內的連通孔隙、裂隙是氣體擴散、滲流、運移的重要通道,該通道的演化、變形不僅與煤體周圍長期存在的溫度場和應力場有關,還隨時間增長呈現(xiàn)出顯著的時間依賴性。一方面高溫會降低煤體強度,導致裂隙延伸、礦物脫水及氣化,從而改變煤體孔隙率;另一方面,長期流變使煤體內孔隙壓密、裂隙延伸,甚至造成煤體局部失穩(wěn),由此勢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YDY-100型單軸巖石蠕變試驗機對煤樣進行了分級加載下的單軸壓縮蠕變試驗,研究了煤體的蠕變特性。結果表明,煤體蠕變變形存在起始應力閾值。當軸向應力未達到蠕變起始應力閾值時,煤樣變形僅為瞬時應變;當軸向應力達到或者超過蠕變起始應力閾值時,煤樣變形呈現(xiàn)出時間相關的衰減蠕變和穩(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。在較低應力水平下(煤體單軸抗壓強度的24.37%~34.11%),煤樣軸向、徑向變形均表現(xiàn)為瞬時應變,變形較為一致;在中級應力水平下(煤體單軸抗壓強度的34.11%~43.86%,應力達到軸向蠕變起始應力閾值但尚未達到徑向蠕變起始應力閾值),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應變;在高級應力水平下(煤體單軸抗壓強度的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)通過微型巖石單軸試驗機對煤樣進行了應力松弛實驗,研究了煤體的應力松弛特性。煤樣應力松弛過程經歷快速松弛、緩慢松弛和穩(wěn)定松弛三個階段。應力松弛中,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。破壞前應變等級下,垂直層理煤樣的破壞強度、應力松弛量和瞬時應力松弛速率較大。在破壞級應變下,平行層理煤樣的剩余應力比更小,松弛速率更大。3)基于煤體蠕變試驗過程中的瞬時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理。瞬時彈性模量增大能直觀地反映煤樣硬化效應前后的強度變化,黏滯系數(shù)減小能反映煤樣蠕變過程中的損傷劣化。低應力下煤樣在瞬時應變階段僅有硬化效應,當應力達到蠕變起始應力閾值時煤樣逐漸出現(xiàn)損傷,硬化效應與損傷效應共同作用下,煤樣表現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變變形。長期蠕變過程中煤樣強度經歷先強化再弱化的過程,最終因累計損傷過大而失穩(wěn)破壞。4)通過顯微CT掃描對比分析了微型煤樣不同應變下應力松弛后各掃描層位,研究了煤樣應力松弛機理。應力松弛過程中,煤樣初期先壓密而后隨應變增加出現(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,在最大應變下煤樣失穩(wěn),密度損傷增量降低顯著。煤樣應力松弛過程中,內部微結構不斷調整并釋放能量,主要表現(xiàn)在水平方向沿試樣徑向方向擴容和沿試樣軸向方向的相對滑移。5)通過YDY-100型巖石蠕變試驗機和高溫滲流系統(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)律和考慮蠕變時不同溫度、應力下煤體蠕變-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變緩。考慮蠕變變形時,煤樣的滲流演化基本經歷三個蠕變變形階段:蠕變起始應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,煤樣滲透率演化與體積時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,煤樣蠕變的起始應力閾值減小,極限破壞強度降低。蠕變過程中,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折點應力值減小。溫度較高時,蠕變對煤樣滲透率降低的影響較大,煤樣滲透率損失最大可達40.35%。6)在廣義開爾文模型的基礎上建立了精度更高的分數(shù)階統(tǒng)一流變模型;結合煤體的硬化-損傷蠕變機理和應力松弛機制,引入了硬化函數(shù)和損傷函數(shù),建立了基于煤體流變機制的損傷流變模型。熱-力耦合作用下,煤體蠕變過程中,試樣彈性模量與溫度呈現(xiàn)二次非線性關系,黏滯系數(shù)與溫度呈線性負相關,基于上述關系建立了溫度相關的煤體流變本構模型,該模型適宜描述不同溫度、應力下煤體的蠕變變形。在此基礎上,基于孔隙度與滲透率之間的聯(lián)系,將不同溫度、應力下的煤體的溫度相關性流變本構模型引入到滲透率模型中,建立了考慮不同溫度、應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程中滲透率降低階段的演化規(guī)律。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD712.6
【圖文】：

實驗所用煤樣Fig.2-1Experimentalsamples

YDY-100型單軸巖石蠕變試驗機Fig.2-2YDY-100uniaxialrocktestingmachine

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

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本文編號：2801694