【摘 要】
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我国大部分地区煤碳质地致密,随着能源抽采进入深部区,瓦斯突出等现象越发严重,深部瓦斯抽采也遇到了前所未有的困难,煤体自身的物理性质,包括节理结构、含水饱和度、所受围压及外界环境温度等是影响煤层气存储能力和渗流能力的主要因素,本文针对现有提高煤储层渗透性实验方法的优缺点,利用液氮作为制冷液、低温保存箱创造低温环境,以辽宁省阜新盆地长焰煤为研究对象,利用物理增透的方式,开展了低温冻融作用下不同节理煤岩
【基金项目】
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冻融作用下煤样结构损伤改性规律研究.国家自然科学基金青年基金资助项目（51704142）； 西露天矿区环境地质灾害风险评估.国家重点研发计划专项（2017YFC1503102）； 节理煤岩低温累积损伤机理研究.辽宁省博士科研启动基金计划项目（2019-BS-115）；
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我国大部分地区煤碳质地致密,随着能源抽采进入深部区,瓦斯突出等现象越发严重,深部瓦斯抽采也遇到了前所未有的困难,煤体自身的物理性质,包括节理结构、含水饱和度、所受围压及外界环境温度等是影响煤层气存储能力和渗流能力的主要因素,本文针对现有提高煤储层渗透性实验方法的优缺点,利用液氮作为制冷液、低温保存箱创造低温环境,以辽宁省阜新盆地长焰煤为研究对象,利用物理增透的方式,开展了低温冻融作用下不同节理煤岩试样损伤规律的实验,基于电镜观测、维度测量、声发射、单轴压缩实验等技术对冻融前后不同节理煤样力学性质进行检测,提出液氮冻融作用下不同节理煤样的损伤规律,建立了含水饱和度、温度、围压等单因素及耦合因素作用下的损伤判据。并利用液氮作为制冷剂下煤样的单周期低温加载、传热的影响范围进行数值模拟,旨为实际工程中高效的瓦斯抽采及抽采半径的设定提供理论基础。主要研究内容和成果如下:（1）实验将不同节理煤样大致分为贯穿型节理、半贯穿型节理（节理长度是煤样宽度的1/3～2/3）及未贯穿型节理三种节理。在不同因素的影响之下,液氮冻融煤样后,三种节理都有相应发育,其中贯穿型节理扩展速率最快,实验中煤样均率先发生宏观破碎;其次为半贯穿型节理,而未贯穿型节理扩展速率最为缓慢,煤样所存在的原生节理贯穿程度会影响煤体的破碎周期;（2）实验在不同贯穿程度节理的基础上将节理的角度煤样大致分为与层理呈15°±5°、45°±5°、60±5°三种角度节理,液氮冻融后,相同贯穿程度下与层理呈45°±5°的节理扩展最为迅速,其次为15°±5°节理,60±5°的节理扩展最为缓慢;煤样所存在的原生节理角度会影响煤体的破碎周期;（3）煤样不同节理的损伤程度与含水饱和度及围压呈正相关,随着含水饱和度的提高或所处围压环境压应力增大而加剧。相对于含水饱和度的不同,煤样所处的围压环境对煤体的损伤程度更大,在含水饱和度达到100%的条件下,实验煤样经过4T便开始逐渐发生破碎,而煤样处于4MPa围压环境下时仅需2T便开始逐渐发生破碎。（4）将不同节理煤样置于45℃、-30℃、-15℃三种低温环境进行单周期低温加载,随着阶梯冻融温度的升高,不同节理煤样表面节理的扩展量在逐渐减小,降低速率也随之逐渐减小。并且所建立的传热模型,在不考虑的温度发散的情况下,模型左端接触液氮低温随着接触液氮煤岩表面距离的增加,温度逐渐升高,数值模拟中,经过4h低温作用,100%含水饱和度模型传热至-15℃对应的作用半径为3.56m,所用时长为2701.2s,含水饱和度抑制着传热影响范围,高含水饱和度下抑制更为严重。该论文有图63幅,表17个,参考文献93篇。
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