一種煤基質(zhì)變形力學(xué)參數(shù)測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤的力學(xué)參數(shù)測(cè)定方法，尤其涉及三軸應(yīng)力條件下煤多孔隙結(jié)構(gòu)中基 質(zhì)塊的變形特征及其力學(xué)參數(shù)的測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣體運(yùn)移引起煤體變形是研究煤層氣抽采、煤與瓦斯突出和溫室氣體的地質(zhì)封存 的關(guān)鍵問(wèn)題。由于煤儲(chǔ)層不僅包含相互正交的割離（裂隙）系統(tǒng)，還包括多種尺度的微孔 隙，這種復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)賦予煤儲(chǔ)層具有與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層有明顯不同傳導(dǎo)特性，主要表 現(xiàn)為：（1)低滲透性；(2)對(duì)甲烷與二氧化碳?xì)怏w有強(qiáng)吸附性；（3)吸附氣體解吸引起煤基 質(zhì)收縮。一般認(rèn)為煤層氣體運(yùn)移以兩種形式進(jìn)行：一種是在裂隙系統(tǒng)進(jìn)行的滲流過(guò)程；另 一種是在煤基質(zhì)中發(fā)生氣體吸附與擴(kuò)散過(guò)程。煤體變形是控制滲透率變化的主控因素，在 孔隙壓力不變外部應(yīng)力增加或卸載會(huì)使煤中由有效應(yīng)力變化引起的裂隙張開(kāi)或閉合。但是 由于煤層氣體具有很強(qiáng)吸附性，能導(dǎo)致煤基質(zhì)的膨脹或收縮，使煤基質(zhì)與裂隙相互作用變 的更為復(fù)雜。
[0003] 目前觀測(cè)煤樣的整體變形的常規(guī)測(cè)試方法，一般采用引伸計(jì)或位移計(jì)，測(cè)試原理 是將煤體中有效應(yīng)力狀態(tài)直接簡(jiǎn)化為總應(yīng)力與孔隙壓力的差值。這種測(cè)試方法忽視了氣體 在流動(dòng)過(guò)程中孔隙壓力或者有效應(yīng)力對(duì)煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響。因?yàn)闅?固吸附的界面現(xiàn)象可 以在短時(shí)間內(nèi)完成，對(duì)煤體變形造成短期影響。然而煤基質(zhì)的氣體擴(kuò)散同樣可以引起煤的 孔隙壓力變化，進(jìn)而改變煤體滲透率。目前多數(shù)研究工作將煤層的滲透率歸結(jié)于裂隙的滲 透率，忽視了煤基質(zhì)變形對(duì)滲透率影響。
[0004] 因此，為深入研究煤-氣耦合問(wèn)題，很需要一種確定煤基質(zhì)塊的變形參數(shù)測(cè)試方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為獲取在位移約束條件下注氣導(dǎo)致煤體變形演化特征及其力學(xué) 參數(shù)，提出一種確定煤基質(zhì)塊的變形力學(xué)參數(shù)測(cè)試方法，變形力學(xué)參數(shù)包括煤基質(zhì)體積模 量及其孔隙壓力變化量。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種煤基質(zhì)變形力學(xué)參數(shù)測(cè)試方法，具體測(cè)試步驟如下：
[0008] 第一步：加工制作煤樣測(cè)試試件
[0009] 將整體煤塊加工成圓柱形狀，其軸向垂直于煤層理方向，環(huán)向平行于煤層理方向； 在圓柱狀煤樣外表面沿軸向粘貼軸向應(yīng)變片；將煤樣插入橡膠套中間，將應(yīng)變片的導(dǎo)線引 出來(lái)，再將兩個(gè)無(wú)蓋圓筒插進(jìn)橡膠套兩端，使煤樣兩端分別形成密閉的腔體，一端作為注氣 腔，另一端作為出氣腔，共同組成一個(gè)煤樣測(cè)試試件；
[0010] 第二步，組裝測(cè)試裝置
[0011]制作一個(gè)能放進(jìn)煤樣測(cè)試試件的夾持腔體，夾持腔體上設(shè)有進(jìn)氣接口，將煤樣測(cè) 試試件安裝在夾持腔體中，將夾持腔體的進(jìn)氣接口用管子與柱塞栗連通，并保證夾持腔體 與外界密閉；將兩個(gè)應(yīng)變片的導(dǎo)線引出與外設(shè)數(shù)據(jù)采集電腦相連；將注氣腔和出氣腔與各 自的氣壓傳感器接通；氣壓傳感器再與外設(shè)數(shù)據(jù)采集電腦相連；將氦氣源用管子與注氣腔 接通；至此測(cè)試裝置組裝完成；
[0012] 第三步，啟動(dòng)柱塞栗向夾持腔體施加氣壓，使煤樣的環(huán)向壓力升高至設(shè)定值σ 后，將應(yīng)變片的讀數(shù)清零；
[0013] 第四步：將氦氣源的氦氣導(dǎo)入注氣腔中，當(dāng)注氣腔內(nèi)氣壓升至？1后，注氣腔內(nèi)氣體 向煤樣滲透，并逐漸滲流到出氣腔內(nèi)，出氣腔內(nèi)壓力逐漸升高，最終與注氣腔內(nèi)的氣壓以及 裂隙孔隙壓力相等，滲流結(jié)束，之后，煤裂隙內(nèi)氣體開(kāi)始向煤基質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散；記錄滲透階段出 氣腔內(nèi)和注氣腔內(nèi)氣壓值，以及擴(kuò)散階段應(yīng)變片的應(yīng)變值直至應(yīng)變片數(shù)值趨于穩(wěn)定狀態(tài)， 其中的P 1值只要小于環(huán)向壓力σ即可。
[0014] 第五步：將上述第四步記錄的出氣腔內(nèi)和注氣腔內(nèi)氣壓值與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系繪制 成曲線圖，從曲線圖可以直觀看出，滲流結(jié)束時(shí)，出氣腔內(nèi)和注氣腔內(nèi)氣壓值相等，也等于 裂隙孔隙壓力值；
[0015] 將上述第四步記錄的應(yīng)變片的應(yīng)變值與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系繪制成曲線圖，從曲線圖 可以直觀看出，滲流結(jié)束時(shí)煤樣的垂直層理方向應(yīng)變片的應(yīng)變值A(chǔ) ￡±#|和擴(kuò)散結(jié)束時(shí)應(yīng) 變片的的應(yīng)變值A(chǔ) ε
[0016] 第六步，計(jì)算滲流階段煤基質(zhì)體積模量Ksm與擴(kuò)散階段基質(zhì)內(nèi)孔隙壓力變化量 Δ ;具體計(jì)算方法如下：
[0017] 1、計(jì)算滲流階段煤基質(zhì)體積模量Ksm
[0018] 在滲流結(jié)束時(shí)，煤的裂隙開(kāi)度與基質(zhì)體積變化共同控制煤的總應(yīng)變，即
[0019]
⑴
[0020] 式中：
[0021] Δ ε ±#|為煤樣在滲流結(jié)束時(shí)的垂直層理方向應(yīng)變；
[0022] Δ σ為外部應(yīng)力變化，單位MPa ;
[0023] Ap為滲流結(jié)束時(shí)，裂隙孔隙壓力變化值，等于滲流結(jié)束時(shí)出氣腔內(nèi)的氣壓變化 值，單位MPa ;
[0024] V ±為待測(cè)樣品垂直層理方向的泊松比，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)得到；
[0025] Ei為待測(cè)樣品垂直層理方向的楊氏彈性模量，單位GPa，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)得到；
[0026] K_為基質(zhì)體積模量，單位GPa ;
[0027] 由于外部應(yīng)力是恒定的，即Λ 〇 = 〇,所以式（1)改寫為
[0028] (2)
[0029] 已知Ei與V 1，由式⑵得出基質(zhì)體積模量K基質(zhì)。
[0030] 2、計(jì)算擴(kuò)散階段基質(zhì)內(nèi)孔隙壓力變化量Δ Ρ?Μ
[0031] 在擴(kuò)散階段，裂隙孔隙壓力變化值處于恒定，即Ap = 0,此時(shí)裂隙中的氣體開(kāi)始 向煤基質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散，基質(zhì)孔隙壓力升高，此時(shí)煤的應(yīng)變?yōu)槊夯|(zhì)的回彈，即
[0032]
⑶
[0033] 式中：Apie表示基質(zhì)里面孔隙壓力的變化量
[0034] 將基質(zhì)體積模量Ksm代入式（3)，根據(jù)軸向應(yīng)變曲線圖得到的擴(kuò)散階段煤的應(yīng)變 A ε丄擴(kuò)散，可算出基質(zhì)孔隙壓力變化量Apigo
[0035] 本發(fā)明針對(duì)煤層氣體具有很強(qiáng)吸附性的特點(diǎn)，兼顧氣體在流動(dòng)過(guò)程中孔隙壓力對(duì) 煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響，以及煤基質(zhì)變形對(duì)滲透率影響，提出了在三軸應(yīng)力狀態(tài)條件下煤體各 向變形參數(shù)的測(cè)試方法，為深入研究煤-氣耦合問(wèn)題提供了新的研究手段。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1是本發(fā)明測(cè)試裝置示意圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中出氣腔內(nèi)和注氣腔內(nèi)氣壓值與時(shí)間對(duì)數(shù)關(guān)系的曲線圖
[0038] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中應(yīng)變片的應(yīng)變值與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系曲線圖。
[0039] 圖例說(shuō)明，1-夾持器；2-注氣腔；3-橡膠套；4-應(yīng)變片；5-出氣腔；6-柱塞栗； 7_注氣腔傳感器；8-數(shù)據(jù)采集控制電腦；9-氣源；10-出氣腔傳感器；11-煤樣。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。本實(shí)施例通過(guò)單軸 壓縮實(shí)驗(yàn)確定垂直層理方向的楊氏彈性模量I = 2. lGPa、垂直層理方向的泊松比V ± = 0.323。
[0041] 如圖1-3所示，本發(fā)明的煤基質(zhì)變形力學(xué)參數(shù)測(cè)試方法，具體測(cè)試步驟如下：
[0042] 第一步：加工制作煤樣測(cè)試試件
[0043] 將整體煤塊加工成圓柱形狀，其軸向垂直于煤層理方向，環(huán)向平行于煤層理方向； 在圓柱狀煤樣11外表面沿軸粘貼軸向應(yīng)變片4 ;將煤樣11插入橡膠套3中間，將軸向應(yīng)變 片4的導(dǎo)線引出來(lái)，再將兩個(gè)無(wú)蓋圓筒插進(jìn)橡膠套3兩端，使煤樣11兩端分別形成密閉的 腔體，一端腔體作為注氣腔2,另一端腔體作為出氣腔5,共同組成一個(gè)煤樣測(cè)試試件，如圖 1所示；
[0044] 第二步，組裝測(cè)試裝置
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