作为三大传统能源之一,煤炭一直是我国能源结构的重要组成部分。随着浅部优质煤炭资源的不断减少,社会对煤炭资源需求的不断增大,以褐煤为代表的埋藏较浅的低变质程度煤炭资源受到越来越多的关注。然而,由于水分、挥发分含量较高,且燃点较低、易风化,褐煤的生产利用仍具有很多的局限性。如何清洁、高效地开采利用褐煤,成为一大难题。针对这一问题,提出了原位注热开采褐煤的构想。褐煤的原位注热开采是一个极其复杂的多场耦合过程,不仅有应力场、温度场的作用,还有渗流场的影响等。因此,非常有必要对热-力耦合作用下褐煤的物性特征进行深入而系统的研究。本文以内蒙古锡林浩特褐煤为研究对象,通过试验研究、理论分析并结合数值模拟,围绕热-力耦合作用下褐煤的热力学参数演化特征规律、变形规律、结构演化等进行了一系列深入研究。现将本文试验内容及结论总结如下:(1)利用DIL402PC型热膨胀仪研究了温度场作用下褐煤升温变形特征规律,发现:温度场作用下,褐煤升温变形可以划分为三个阶段:缓慢变形阶段、快速压缩变形阶段和缓慢压缩变形阶段;褐煤升温热变形特征受层理影响明显。(2)通过褐煤热-力耦合作用试验,研究了300m埋深应力水平下褐煤变形随蒸汽压力、温度演化特征,发现:三轴应力作用下,褐煤升温变形分为三个阶段:缓慢膨胀阶段、快速压缩阶段及缓慢压缩阶段。蒸汽温度相同时,褐煤轴向升温应变随蒸汽压力升高而逐渐减小;蒸汽压力相同时,褐煤轴向应变随温度的升高而逐渐增大。恒温恒载阶段,褐煤轴向应变随恒温温度的升高而呈现出先增大后减小的变化,并在200℃处获得最大轴向应变。蒸汽压力较低时,褐煤在升温阶段压缩变形远大于恒温恒载阶段压缩变形;较高的蒸汽压力下,褐煤升温阶段压缩变形减弱,而恒温恒载试验阶段的压缩变形增强,即蒸汽压力的作用使褐煤升温热变形滞后。(3)热解温度相同时,随着蒸汽压力的增大,褐煤升温阶段、恒温恒载阶段轴向总应变均逐渐降低。100℃、200℃时,褐煤恒温恒载条件下的轴向总应变大于升温阶段轴向总应变;300℃、400℃时,褐煤升温阶段轴向总应变大于恒温恒载阶段。蒸汽压力相同时,随着温度的升高,褐煤升温阶段轴向总应变基本表现为逐渐增大,恒温恒载阶段褐煤轴向总应变则表现为先增大后减小,转折温度为200℃。(4)通过对褐煤显微CT图片的重建与分析,得到了褐煤径向应变与体积应变随蒸汽压力、温度演化规律。蒸汽压力相同时,褐煤径向应变、体积应变随温度的升高而逐渐增大;蒸汽温度相同时,褐煤径向应变、体积应变随蒸汽压力的增大而减小。(5)温度对褐煤热解失重效应显著。100℃,褐煤失重率基本在3%左右;200℃,褐煤失重率为25%左右;300℃时,褐煤失重率为37%左右;400℃时,褐煤失重率达到最大,为40%~45%。褐煤组分受热散失、分解是褐煤失重随温度起伏变化的决定因素。(6)应用显微CT、压汞、液氮吸附解吸方法综合分析了褐煤1.1nm以上孔裂隙演化特征,得到蒸汽温度与压力对褐煤孔裂隙结构的影响规律。由试验得到的结论如下:褐煤中纳米级孔隙主要以狭缝孔及一端封闭的不透气孔为主,微孔数量较少,介孔(2nm~20nm)较多。褐煤的进汞曲线可以分为三种:反“S”形曲线、向上凸弧形曲线及向上凸折线形曲线。通过显微CT分析发现:在100℃的条件下煤样内部结构变化不大;200℃~400℃,褐煤中孔裂隙发育十分明显,煤体中产生了大量纵横交错的大尺度裂缝,且在蒸汽注入通道处产生了贯穿煤体横截面的裂缝。随着蒸汽压力的增大,100℃蒸汽温度下,褐煤1.1nm以上孔裂隙的总孔隙率变化并不明显;200℃蒸汽温度下,褐煤孔隙率由20.5%增大到25.4%,增长量较小;300℃时,褐煤孔隙率由16.7%(0.1MPa蒸汽压力)增大到20.7%,增长量仅为4%;当蒸汽温度达到400℃时,褐煤孔隙率则由11.9%急剧增大到32%,增长幅度高达20.1%。(7)应用DSC 200 F3型差示扫描量热仪研究了褐煤比热容随温度演化的特征规律,发现:温度对褐煤比热容影响明显。随温度升高,褐煤原煤比热容表现为先增大后减小,原煤比热容曲线存在一个非常明显的波峰,峰值比热容对应的温度为128.2℃;对于烘干煤样而言,随着温度的升高,褐煤比热容表现为先增大后减小,并在300℃以后迅速降低。比热容峰值出现在200℃,峰值比热容为0.882J/(g·K)。基于褐煤组分演化的温度区间,将褐煤原煤比热容实测曲线进行分段拟合,得到了褐煤原煤比热容随温度演化规律。褐煤中组分的种类和含量是影响褐煤比热容的决定因素,按照不同组分脱除的温度区间,可以将褐煤比热容随温度演化过程划分为四个阶段。(8)应用LFA447导热分析仪研究褐煤的热扩散系数随温度演化的规律,发现褐煤的热扩散系数随温度演化具有明显的各向异性特征。温度相同时,褐煤平行于层理方向的热扩散系数略高于垂直于层理方向的热扩散系数。随着温度的升高,褐煤平行于层理方向及垂直于层理方向的热扩散系数均表现为先增大后减小,峰值温度为150℃左右。褐煤热扩散系数与温度具有较好的指数函数关系。(9)运用数值模拟的方法,对褐煤原位注热过程中,煤层的温度、应力及变形特征进行了分析,发现:持续注入蒸汽条件下,煤层温度由注热井向生产井逐渐扩散,且温度场表现为非均匀分布;煤层中压裂层温度扩散明显快于非压裂煤层。随着注热时间的延长,生产区域煤层应力状态逐渐由压应力转变为拉应力,且拉应力区域范围逐渐增大;注热井与生产井之间区域地表逐渐发生隆起;隆起范围与隆起量随注热时间逐渐增大。