煤的双重孔隙结构等效特征及对其力学和渗透特性的影响机制

作者

郭海军

学校

中国矿业大学

摘要

煤是一种复杂的双重孔隙结构介质,由包含孔隙的煤基质和切割煤基质的裂隙组成,其内丰富的孔、裂隙体积和巨大的比表面积使其可以储存大量瓦斯并提供瓦斯运移的空间。煤中瓦斯渗流特性和渗透性演化规律同其基质孔隙-裂隙系统是密切相关的,但鉴于煤自身结构的复杂性,在进行相关理论研究时,通常将构成其双重孔隙结构的元素(即基质和裂隙)简化为具有规则形状的几何体,该几何体的尺度特征即煤基质和裂隙的等效尺度特征。本文立足于研究煤的双重孔隙结构等效特征及对其力学和渗透特性的影响机制,以理论分析、实验室试验和数值模拟为主要手段,探讨了煤的等效基质尺度和等效裂隙宽度的定量表征方法,实验与理论相结合分析了煤中瓦斯的吸附解吸和运移动力学特征以及煤的双重孔隙结构等效特征对其力学特性和渗透性演化规律的影响,构建了基于双重孔隙结构等效特征煤的渗透率演化模型并将其应用于现场煤层渗透率的预测。本文获得的主要结论如下:  

1)根据分形理论的方法对煤样的孔裂隙测试结果进行分析后可知,煤样的孔、裂隙尺度分界点为33.06~35.42 nm;根据煤样的初始结构渗透率和初始裂隙率反算得出,原煤样的等效基质尺度为0.2696 mm,是型煤样的3.51~76.23倍,而原煤样的等效裂隙宽度为0.7279μm,是型煤样的0.23~1.68倍;型煤的等效基质尺度和等效裂隙宽度均随压制型煤的煤粉粒径的增大而增大;同时还发现,煤的渗透率是基质尺度和裂隙宽度共同作用的结果,二者缺一不可。  

2)研究发现,虽然煤粉和对应粒径煤粉压制的型煤以及原煤的孔裂隙结构测试结果的绝对值存在差别,但其具有相同的变化规律,因此,利用煤粉的瓦斯吸附/解吸和运移特性来定性地描述标准煤样的特性具有一定的可行性。根据实验可知,随着煤粉粒径的增大,煤样的朗格缪尔体积 VL和极限解吸量均呈现降低的趋势,而且煤的吸附等温线基本上分成四个明显的阶段;煤的粒径小于1 mm时, pL随粒径发生变化的幅度不明显,只有当粒径为1-3 mm时才突然大幅度增大至0.9318 MPa。通过对比分析发现,利用非恒定扩散系数模型可以很好地描述煤基质内瓦斯的运移特征。  

3)实验研究发现,相同条件下煤样的峰值应力随等效基质尺度的增大呈现出先减小后增加的趋势,单轴加载时峰值应力对应的体应变随等效基质尺度的增大呈现出先增加后减小的趋势,而三轴加载时的体应变则未显示出明显的规律性;原煤的应力应变曲线主要包括弹性阶段、应变软化阶段和残余强度阶段,而型煤的非线性弹塑性阶段和理想塑性阶段亦比较突出;原煤的宏观破坏主要是脆性破坏,而型煤以剪切扩容或者多重剪切破坏为主并有显著的延展性特点;随着煤的等效基质尺度的增加,其内聚力和弹性模量均呈现出先减小后增大的变化趋势,而泊松比呈现出先增加后减小的趋势;瓦斯对煤的强度有着显著的削弱作用并受到煤的双重孔隙结构等效特征的影响,而且煤的最大吸附膨胀应变随着煤的等效基质尺度的增大而减小。  

4)煤的渗透性演化规律受到有效应力、煤基质吸附膨胀变形和煤基质吸附特征不均衡性的多重控制,最终的演化规律是多种因素相互竞争的结果,而当型煤的等效基质尺度过大,即压制型煤的煤粉粒径过大时,煤颗粒的相对不均匀性导致型煤中渗流空间发育更加复杂,此时,在有效应力相等而瓦斯吸附平衡压力增大时,各因素均不足以单独对型煤渗透率的衰减造成绝对的影响,其渗透率衰减程度已无法显现出明显的规律性。  

5)相同条件下,不同双重孔隙结构等效特征煤在全应力应变过程的弹性阶段,其渗透率随轴向应变的增加而缓慢递减;在非线性弹塑性阶段,煤的渗透率随轴向应变的增加而缓慢增大;在理想塑性和应变软化阶段,渗透率随轴向应变的增加而迅速增大,其中,原煤可增加300~500倍,型煤最大亦增加超过100倍;而到了残余强度阶段,渗透性基本趋于稳定,相同条件下,煤在残余强度阶段的渗透率随煤的等效基质尺度的增加呈现出先减小后增加的趋势。在对煤的双重孔隙结构进行合理假设的基础上,分别构建了弹性阶段和非弹性阶段基于双重孔隙结构等效特征煤的渗透率演化模型(ECDP模型),并分别探讨了等效基质尺度和等效裂隙宽度对煤的渗透率演化规律的影响。  

6)通过对比分析发现,ECDP模型不仅考虑了有效应力和基质吸附膨胀变形对煤的渗透性演化规律的影响,而且该模型既能够反映煤的渗透性的整体分布情况,又可以赋予单个渗透率绝对的意义,同时,由于ECDP模型在构建过程中引入了煤的双重孔隙等效特征的元素,因此,在煤损伤破坏后其等效基质尺度和等效裂隙宽度均发生很大变化的情况下,使用该模型将能更好地从本质上揭示煤的渗透率演化规律。根据现场工程试验可知,利用ECDP模型预测的煤层渗透率和现场实测渗透率具有相同的数量级且有很高的吻合度,以此说明ECDP模型在指导现场工程实践方面是合理的。

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