加卸载应力条件下原煤力学与渗透特性研究

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本论文以取自川煤集团芙蓉公司某煤矿C1煤层的原煤煤样为研究对象,通过对原煤进行微观孔隙裂隙测试和瓦斯渗透实验、不同轴向加载速率下的原煤力学与渗透特性实验、不同加卸载应力条件下的原煤力学与渗透特性实验、以及加卸载应力条件下的煤岩流固耦合数值模拟,以期得出原煤全应力-应变过程中的力学和渗透特性。具体内容如下:(1)原煤的物理性质主要有:煤样的孔直径主要分布在160nm以下,其中100nm以下的小孔及微孔占比为81.5%,100nm以上的中孔占比为18.5%,煤岩颗粒的孔隙率为5.65%;煤岩颗粒符合II型等温线的变化特征,且不存在滞后环现象,BET比表面积为0.7192m2/g,平均孔径为317?(31.7nm),孔体积为0.00098cm3/g;扫描电镜成像中,可见植物组织孔、变质气孔和不平行板状结构下的颗粒间孔三种孔隙结构;在弹性阶段加载时,原煤渗透率与围压和轴压满足K=(Aσ1+B)e3的动态函数关系。(2)不同轴向加载速率下的力学与渗透特性实验中:煤岩破坏时应力迅速跌落,脆性特征较为明显;体积扩容应力、峰值应力、弹性模量和变形模量四种力学指标,均随轴向加载速率增大而增大;煤样能量耗散在应力峰前阶段绝大部分转化为可释放弹性应变能,耗散应变能增加的速率较缓,应力峰后阶段弹性应变能急剧下降,大量释放并转化为耗散应变能,同时应力峰值处的总能量随轴向加载速率的增大而增大;在原煤静水压力之后的加载阶段,渗透率-轴线应变曲线总体呈现“V”字形的变化特征,在全应力-应变过程中,煤岩渗透率与轴向应变之间满足二次多项式函数关系K=Aε12+Bε1+C,且该函数关系在轴向加载速率较小时更为适用。(3)不同加卸载应力条件下的力学与渗透特性实验中:同一加卸载控制点下,原煤破坏时的体积应变随加卸载速率比的增大而减小,径向应变和轴向应变随加卸载速率比的增大而增大,原煤破坏形态随加卸载速率比增大,逐渐向单一宏观断裂面的破坏形态发展;同一加卸载速率比下,原煤的强度随着加卸载控制点的增大而增大,原煤破坏后的破坏角随加卸载控制点的增大而降低;随着加卸载速率比的减小,屈服阶段内的渗透率阶梯状变化特征越发明显,同时屈服阶段内的渗透率响应变化量和应变响应变化量与加卸载速率比均呈线性关系。(4)流固耦合下的加卸载RFPA2D-Flow数值模拟中:煤岩的破坏形态为剪切破坏,随着围压卸载速率的增加,其破坏形态更松散;围压卸载的速率与煤样的峰值应力之间呈负相关关系;声发射能量为单峰型,峰值点前会出现明显的声发射能量耗散,能够预测各个围压卸载速率下煤岩的破坏前兆,应力峰值点处的声发射能量表现为随围压卸载速率的增加而增加;压密与弹性阶段渗透率随加载步增加而逐渐降低,直至趋近于0,屈服阶段随着围压的持续卸载,煤样内部产生累积性损伤,导致渗透率小幅升高,破坏与残余变形阶段的渗透率急剧陡增。
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