深部煤岩体高温高压下的力学性质理论研究
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深部煤岩冲击力学试验研究作者:白志强来源:《科技风》2018年第30期摘要:为获得煤矿深部煤层和岩层的冲击情况,对煤层和岩层的冲击力学参数进行了试验研究。
结果表明:煤层的冲击力学参数中弹性能量指数、单轴抗压强度为强,动态破坏时间、冲击能量指数为弱,则可由煤层的冲击力学参数认为其具有强冲击性。
顶板岩层的弯曲能量指数小于120kJ,大于15kJ,即顶板岩样具有弱冲击倾向性。
底板岩样的弯曲能量指数小于15kJ,为Ⅰ类,即底板岩样具有无冲击倾向性。
关键词:冲击;煤层;动态破坏时间1 地质条件煤层煤岩类型为半暗型~半亮型,条带状结构,阶梯状断口,硬度中等,煤质较好。
该煤层为复合结构煤层,分为槽上和槽下,槽上煤层厚度在0.59~4.26m,平均厚度2.54m;槽下煤层厚度厚度在0.91~2.81m,平均厚度1.49m;槽上与槽下煤层层间距在0.20~3.17m之间,平均间距0.60m。
槽煤层位于轴部构造部位,该区煤岩层总体走向70°~110°,倾向340°~20°,倾角10°~24°,平均倾角19°。
受地质构造带的影响,百草台倒转向斜两轴附近煤层和岩层的产状以及煤层厚度变化较大,节理、裂隙发育。
槽直接顶为粉砂岩,老顶为中、细砂岩,直接底为粉砂岩。
2 煤层冲击倾向性测试利用TAW2000型电液伺服试验机及其配套的高速计算机数据采集处理系统、引伸计、载荷和位移传感器等装置,对煤的动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数、单轴抗压强度进行了测试。
1)煤动态破坏时间。
煤样的动态破坏时间试验结果表明,煤样动态破坏时间最大值为491ms,最小值为222ms,平均值为402ms,小于500ms,大于50ms,根据《煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》,煤样的冲击倾向性为Ⅱ类,即具有弱冲击倾向性。
2)煤弹性能量指数。
煤样的弹性能量指数试验结果可以看出,煤样弹性能量指数最大值为6.434,最小值为4.354,平均值为5.332,大于5,根据《煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》,认为煤样的冲击倾向性为Ⅲ类,即具有强冲击倾向性。
深部高地应力下岩石力学行为研究进展周宏伟;谢和平;左建平【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2005(35)1【摘要】越来越多的煤矿和金属矿进入深部开采.随着开采深度的增加,一系列工程灾害如岩爆、煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等日益严重,且深部开采中巷道与采场的维护理论也与浅部有十分明显的区别.人们认识到这种差别的根源在于岩石所处的赋存环境上的差异,深部与浅部在赋存环境上的差别是所谓"三高"即高地应力、高地温和高孔隙水压,尤其是高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为.简要介绍了深部开采现状、深部开采面临的技术难题以及深部岩体所处的高地应力环境,在此基础上,综述了深部高地应力条件下有关岩石力学性质的研究进展,包括高应力条件下岩石的脆-延转化特性、岩石的流变特性、岩石的强度特征、岩石的破坏特征尤其是岩爆等.文章最后指出深部条件下热-水-力耦合模型是一个值得关注的研究方向.【总页数】9页(P91-99)【作者】周宏伟;谢和平;左建平【作者单位】中国矿业大学北京校区岩石力学与分形研究所,北京,100083;四川大学,成都,610065;四川大学,成都,610065;中国矿业大学北京校区岩石力学与分形研究所,北京,100083;中国矿业大学北京校区岩石力学与分形研究所,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】O212【相关文献】1.堡镇隧道高地应力软岩地层施工力学行为分析 [J], 张浚厚2.侧压力系数对高地应力隧道力学行为的影响分析 [J], 方超;薛亚东;葛嘉诚3.深部环境下岩石声发射地应力测试及其应用 [J], 李啸;汪仁建;李秋涛;彭康4.深部高地应力下岩石双孔爆破的损伤规律 [J], 赵建平;程贝贝;卢伟;李建武5.高应力-渗流耦合下深部砂岩的力学行为 [J], 张俊文;宋治祥;王善勇因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
蒙陕地区深部煤层开采地质力学测试及应用研究摘要:本文旨在研究蒙陕地区深部煤层开采的地质力学测试及其应用.首先,从地质背景及开采技术出发概述了蒙陕地区深部煤层的特征;其次,结合实地调查诊断和检测数据,分析了蒙陕地区深部煤层开采过程中的主要地质力学问题。
随后着重论述了蒙陕地区深部煤层开采的地质力学测试方法和应用技术,包括强度实验、岩体脆性指标测试、岩层影响应力计算等;最后总结了蒙陕地区深部煤层开采地质力学测试及应用研究存在的不足,提出发展建议。
关键词:蒙陕地区深部煤层地质力学测试应用正文:1. 研究背景与意义蒙陕地区的深部煤层是华北地区重要的煤炭资源,其开采技术对于煤炭资源的有效开发利用具有重要意义。
但是,深层煤层开采能够产生显著的矿山岩体减弱与破坏,因而地质力学特性测试与控制逐渐成为深部煤层开采的重要内容。
2. 蒙陕地区深部煤层特征蒙陕地区主要深部煤层有二叠系煤,延安煤,晚白垩系煤等,其储量接近1000亿吨。
由于深部煤层赋存环境复杂,其地质力学性质的变化多,数值异常且脆性指标极其低,特别是晚白垩系深部煤层,泥灰岩带层理不整,孔隙率很高,软弱性极大,主要指标达不到煤层开采的要求,同时承受层内外地压力也较大,是一类极其脆性的开采岩体。
3. 主要地质力学测试技术及应用(1)强度实验:主要包括卸荷试验、压缩试验、剪切试验等,可以检测岩体的力学性质。
(2)岩体脆性指标测试:重点研究岩体的断裂变形规律、岩体粘聚力大小及变化规律等,以及岩体的破坏和断裂行为,以此确定岩体的脆性指标。
(3)岩层影响应力计算:可以考虑岩层厚度、变形尺度和分布类型等多种因素,并结合实测地压和岩体力学性质,计算岩层断层带影响范围内的应力变化,为断层带开采及安全性评价提供重要依据。
4. 存在问题及发展建议目前,蒙陕地区深部煤层开采的地质力学测试及应用研究存在诸多问题:一方面,现有的设备和技术可能无法满足特殊的地质力学测试需求;另一方面,目前的研究还没有考虑到蒙陕地区深部煤层断层带对开采的影响,以及深部煤层开采引起的内涝等地质灾害,因此,未来应着重研究深部煤层断层带的影响及安全性评价以及复杂地质条件下岩体力学规律的测试和定量分析。
山西建筑SHANXI ARCHITECTURE第43卷第6期2 0 2 1年3月Vci.33 No. 2Mas. 2221・35 ・文章编号:1779-6826 (2221) 06-6073-63高温单向约束对煤系砂岩物理力学特性的影响王珍珍(河南理工大学土木工程学院,河南焦作454403 )摘要:为了研究高温单向约束对煤层砂岩物理力学行为的影响,对高温后砂岩试样进行单轴压缩试验,分析了物理及力学特性 随温度的变化规律。
试验结果表明:随着温度的升高,砂岩体积增大,质量和密度不断减小。
应力应变曲线随温度升高逐渐由脆性向塑性转变。
随着温度的升高,峰值强度和弹性模量均逐渐降低,而峰值应变逐渐增大。
关键词:高温单向约束,煤层砂岩,单轴压缩中图分类号:TD310 文献标识码:A1概述高温对岩石力学行为的影响已成为目前国内外学者研 究的热点。
由于高温作用岩石物理力学性能会发生变化,对地下工程领域的安全性及稳定性产生重大影响。
因此,研究高温作用下岩石材料物理力学性能变化具有重要 意义。
近年来,很多学者针对石灰岩、花岗岩、大理岩、闪长岩 等进行了深入的研究。
如,Zhang 等[0]研究了高温对石灰 岩细观结构和力学性能的影响;朱合华等[2]对熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩3种岩石的力学性质进行了研 究;Zhang 等[,]等分析比较了高温下大理石、石灰岩和砂 岩的应力一应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量之间 的区别;杜守继[]、陈有亮等[]对经历不同高温后花岗岩的力学性能进行试验研究;陈国飞、杨圣奇等"]基于力学试验 结果,对高温作用后大理岩的力学性能、热损伤特性演化规 律及破坏规律进行了探讨。
上述学者对经历高温作用后及高温下岩石的力学性能 及破坏规律进行了详细研究,但对于高温单向约束煤层顶 板砂岩的物理力学特性研究相对较少。
基于此,本文选择合适的煤层顶板砂岩作为实验材料,对经历25 9〜740 T 不同高温单向约束后砂岩试样进行电镜扫描及单轴压缩试验,分析不同温度后砂岩试样的物理性质(如微观结构、质 量损失率、体积膨胀率和密度降低率)、应力应变曲线、强度及变形参数,研究成果可为煤炭气化等类似工程开采方案 设计、高温后围岩巷道破裂失稳的预测防治提供理论及技 术支持。
煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究一、本文概述本文旨在全面探讨和研究煤岩体水力致裂弱化的理论与应用。
水力致裂是一种利用高压水流在煤岩体中形成裂缝,进而改善煤岩体渗透性、提高开采效率的技术手段。
随着煤炭资源开采的不断深入,煤岩体弱化问题日益突出,水力致裂技术作为一种有效的煤岩体弱化方法,受到了广泛关注。
本文将从理论和应用两个层面对煤岩体水力致裂弱化进行深入分析,以期为我国煤炭资源的开采和利用提供理论支撑和实践指导。
在理论层面,本文将对煤岩体水力致裂弱化的基本原理进行阐述,包括水力致裂的物理化学过程、裂缝扩展机制以及影响因素等。
同时,通过数学建模和数值模拟,对水力致裂过程中的应力分布、流体流动和裂缝扩展等关键问题进行深入研究,揭示水力致裂弱化煤岩体的内在规律。
在应用层面,本文将对煤岩体水力致裂弱化的实际应用情况进行分析,包括水力致裂技术在煤炭开采、油气资源开发和地热能源利用等领域的应用案例。
通过对实际工程案例的剖析,总结水力致裂技术在不同煤岩体条件下的应用效果和经验教训,为相关工程实践提供借鉴和参考。
本文旨在对煤岩体水力致裂弱化的理论与应用进行全面系统的研究,以期推动水力致裂技术在煤炭资源开采和利用领域的发展和应用,为我国的能源安全和经济发展做出贡献。
二、煤岩体水力致裂弱化理论基础煤岩体水力致裂弱化技术是一种利用高压水射流或水压作用,在煤岩体中产生裂缝,从而改变其力学性质、提高瓦斯抽采效率或进行煤岩体的切割和破碎的技术。
这一技术的理论基础主要涉及到流体力学、岩石力学、断裂力学等多个学科的知识。
从流体力学的角度来看,高压水射流或水压作用会在煤岩体中形成应力场和压力场,当这些场的强度超过煤岩体的抗拉、抗压或抗剪强度时,就会在煤岩体中产生裂缝。
裂缝的产生和扩展过程受到多种因素的影响,如煤岩体的物理性质(如弹性模量、泊松比、抗拉强度等)、水力参数(如射流压力、流量、喷嘴形状等)以及环境因素(如温度、压力、地应力场等)。
新探岩石高温破坏机理1引言处理高温环境下或高温后的岩石工程问题是岩石力学的新课题。
高温对岩石介质的影响已在地质、能源、土木等许多领域中被提出来。
例如,地下煤的开采与瓦斯爆炸,煤炭开采过程中煤炭的自燃,各种硐室及地下工程在经受火灾等事故后的重建,其周围岩体均可经历一定的高温作用,导致岩体工程结构的安全性降低,为此需要对岩石高温后的物理力学性质进行深入系统的研究。
2地下煤炭开采研究现状因本课题源于煤炭地下开采问题的提出,下面先介绍煤炭地下开采的研究现状。
煤炭是21世纪的主要能源,煤炭开采方法一直是国内外专家研究的重要内容,现在煤炭开采的主要方法还是以地下采煤为主,这种采煤方法最大的弊端是工人要在地下作业,危险系数非常高。
我国产煤量占世界总产煤量的35%,稳居世界原煤产量先进行列,但是死亡人数却占80%,为了降低人员伤亡和财产损失,人们也在不断研究新的煤炭开采方法。
3岩石的物理性质岩石是一种复杂的天然介质,是地球上最普通、最常见的一种脆性地质材料。
岩石是颗粒或各种矿物晶体相互胶结在一起的聚集体,其内部存在大量的地质缺陷,如断层、节理、层理、裂纹、断裂面、孔洞等,岩石中形成了各种微裂隙和微孔洞,因而岩石材料本身的结构特点就是存在大量的缺陷。
岩石内含各种矿物结晶成分,如果将矿物结晶的方向看作随机分布,则岩的石性质仍可认为是各向同性的多相体。
因为组成岩石的各种矿物结晶颗粒各自具有不同的热膨胀系数,岩石受热后,各种矿物颗粒的变形也不同。
但是岩石是一种固体结构性连续体,在温度作用下,为了保持其变形的连续性,其内部各种矿物颗粒无法按各自固有的热膨胀系数随温度而自由变形,从而导致矿物颗粒之间产生约束,变形大的受到压缩,变形小的受到拉伸,这就是热应力。
由于它们热膨胀或冷收缩的相互牵制会产生热应力,同时,由于热膨胀失配机制线胀系数不同而导致样品内部变形不协调使原生微裂纹变得更大,在冲击载荷作用下表现为与常温状态下不一样的破碎特性。
高围压条件下岩石力学性质的温度效应
孙天泽
【期刊名称】《地球物理学进展》
【年(卷),期】1996(11)4
【摘要】以往的研究表明,深部高温高压条件下岩石力学性质与地面所看到的有很大差别。
深部岩石力学性质与深部的高温高压环境有关。
本文介绍几个典型实验实例,叙述了的岩石样品在不同的温度条件下力学性质发生的变化。
这些实验都是在高围压条件下完成的,其中围压最高超过2GPa,温度最高1400℃,控制的应变率为10-4S-1,10-5S-1和10-6S-1.本文侧重讨论温度的影响。
指出高围压条件下高温段的影响明显。
【总页数】8页(P63-70)
【关键词】岩石力学性质;温度效应;高围压;岩石介质
【作者】孙天泽
【作者单位】中国科学院地球物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TU452
【相关文献】
1.加轴压卸围压条件下岩石的力学特性与能量特征 [J], 方前程;商丽;商拥辉;陈钊峰
2.高围压高水压条件下岩石卸荷强度特性试验研究 [J], 李志敬;朱珍德;施毅;倪骁
慧
3.高围压、高水压条件下岩石卸荷力学性质试验研究 [J], 陈秀铜;李璐
4.温压条件下岩石破坏前后的力学性质与波速 [J], 方华;伍向阳
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深部开采岩体力学研究的现状深部开采岩体力学研究的现状摘要:在深部开采工程中产生的岩石力学问题是目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点,“三高一扰动”的复杂环境,是深部开采面临的挑战性、高难度课题。
虽然目前对于深部开采工程的研究已经取得了部分成果,但对深层次、注重个案、侧重技术的基础研究重视仍然不够。
今后主要研究方向应集中在深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、深部开采地表环境损伤控制以及深部厚煤层综放开采基础理论研究等方面。
关键词:深部开采;岩石力学;三高一扰动深部开采岩石力学,主要是指在进行深部资源开采过程中引发的与巷道工程及采场工程有关的岩石力学问题。
目前,对能源的需求逐步增加,开采强度也不断加大,这些都造成了浅部资源的日益减少,因而国内外的矿山都相继进入深部资源开采状态。
而开采深度的不断增加,工程灾害也随之增多,这对深部资源安全高效的开采造成了巨大威胁。
1 深部开采岩体的力学特点1.1 开采环境深部开采和浅部开采最明显的区别在于深部岩石所处的特殊环境,也就是“三高一扰动”的复杂力学环境。
“三高”主要是指高地温、高地应力和高岩溶水压。
“一扰动”主要是指强烈的开采扰动。
当进入深部开采后,岩体呈现塑性状态,即由各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超过岩石的强度,并且对岩石造成破坏。
1.2 力学行为特性深部岩石的“三高一扰动”复杂环境,对深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应产生根本性的影响。
主要表现在深部岩体动力响应的突变性,深部岩体应力场的复杂性,深部岩体的大变形和强流变性,深部岩体的脆性一延性转化,深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性等五个方面。
2 深部开采工程中的岩石力学问题目前对于深部开采工程的研究已经取得了一系列成果,但是对于侧重技术、注重个案的深层次基础研究始终没有得到足够的重视。
深部开采“三高一扰动”的复杂力学环境,使深部岩石力学行为及其深部灾害的特征与浅部开采明显不同,因而在浅部开采基础上建立的传统理论不能适应现在的研究环境。
深部煤岩体高温高压下的力学性质理论研究国内近年来随着埋藏在中、浅部煤炭资源的不断减少,以及机械化水平的提高,人们逐渐把目光转移到深部煤炭资源。
我国东部和中西部的一些大型国有矿井相继进入深部开采阶段,如大同、平顶山、阳泉等煤矿,未来几年内将不断有更多的˚大型煤矿进入800m以上的深部开采。
在深部开采中,煤岩体的力学性质发生了很大的改变,破坏机理也随之改变,最常见的是煤岩体流变和热损伤问题。
因此碰到了许多与浅部开采不同的工程问题。
随着采深的增加,矿山压力与温度都随之不断增加。
在深部条件下,地温常达到30˚C~50˚C,围压达到很大,工人作业条件差,巷道维护困难,发生冲击矿压的次数与强度将显著增加,但对采场顶板压力大小的影响并不突出。
岩石圈及岩石流变已成为大陆岩石圈研究的前沿和热点之一,受到国内外的科学家的重视。
1、高围压对岩石力学性质的影响在三向压缩条件下,随着围压的增大,岩石的屈服极限强度、强度峰值和残余强度都随之增大。
大部分岩石在一定的临界围压下出现屈服平台呈现塑性流动现象。
因此随着采深的增加,围压变大,煤岩体的极限强度变大,承载能力变强,岩石的韧性加强,使一些在浅部表现为比较坚硬的岩石在深部表现出软岩的大变形、大地压、难维护特征。
深部开采中,在自重应力和构造应力作用下,围压相比浅部高出很多,岩石承载能力和参与强度变大,脆性向延性转化,流变现象明显,破坏机理与浅部有较大区别。
王绳祖等对岩石的脆——韧性及塑性流动网络进行了深入的理论和实验研究。
他指出,随着矿物组成、粒度、流变、压力、应变速率、液体介质因素的变化,岩石有脆性—>半脆性——>半延性——>延性转化,这种变化过程涉及力学行为、宏观结构和微观物理机制,尤其是岩石共轭剪断网络和塑性流动网络的实验成果不仅深化了脆-韧性转化认识,同时为岩层多层模和塑性流动网络关系提供了实验依据。
对辉绿岩、辉长岩和石灰岩的脆-韧性转化,高温高压实验结果与上述结论是一致的。
左键平教授等对现有岩石的众多实验资料和现象进行了总结,对压力作用下的变形破坏机理作了深入讨论,得出随着围压的升高,岩石破坏时的水平应力会有所增高,峰值应力出现在更大的变形处,当围压高于某一临界值时,岩石能在较大的应变范围内不失去承载能力,岩石表现出延性性质。
孟召平教授等对结合塔里木塔河油田石炭系和三叠系砂岩所处的不同环境,剖析了不同压力对砂岩力学性质的影响,得到砂岩的力学性质与所受的地应力密切相关,刚度和强度随围压的增大而增大,但破坏机理具有在不同压力下具有较大的差异性。
王子潮等通过高围压三轴试验对几种岩石的半脆性进行蠕变研究,通过岩石的蠕变曲线,蠕变类型,蠕变的时间和速度,蠕变应变的关系,稳态蠕变速度—流动应力和蠕变破坏特征的观测分析,阐述了围压所起的作用,并且给出了围压-流动应力坐标系中的岩石的半脆性蠕变区。
2、高温对岩石力学性质的影响温度每变化1˚C可以产生0.4MPa~0.5MPa的地应力变化,因此随着温度的升高,岩石的力学性能变化很大,刚度和强度都会有所降低、同时温度对岩石矿物有热激活作用,加之温度梯度的影响,使岩石脆性降低,延性增强,流变性更加明显。
同济大学的朱何华教授等通过单轴压缩实验,对不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的力学性质进行研究,分析比较3种岩石的峰值应力、峰值应变及弹性模量随温度的变化规律,并研究了峰值应力与纵波波速、峰值应变与纵波波速的关系。
得到:3种岩石的峰值轻度均随经历温度的升高而降低,且温度越高,降幅越大;熔结凝灰岩、花岗岩的峰值应变随经历温度的升高而明显增加,流纹状凝灰角砾岩高温后峰值应变有一定幅度的降低;3种岩石的弹性模量均随受火温度的升高而降低,且经历的温度越高,降幅越大。
谢和平院士等对3种常用的流变元件、弹性元件、粘性元件和塑性元件进行了组合得到改进的西原模型用于研究深部岩体的流变过程,得到在温度和压力的耦合作用下深部岩石流变模型的本构方程。
嵁伦建等通过采用偏光显微镜、扫描电镜及岩石力学试验仪等设备研究了煤层顶板砂岩在常温到1200˚C范围内的力学性质和破坏机理。
结果表明:导致煤层顶板砂岩加热过程中强度急剧降低的温度与导致岩石内部裂隙形成和晶体变化的温度一致,说明了岩石微观结构在高温下的变化对力学性质有显著影响。
随着温度的增加,岩石热损伤现象越来越严重。
刘泉声教授通过温度作用下的脆性岩石的损伤试验得出:在达到热裂化温度前,随着温度的提高,矿物颗粒的受热膨胀造成岩石原生裂隙逐渐闭合,导致岩石的弹性模量逐渐增大;在达到热裂化温度后,随着温度的增高,矿物颗粒或者颗粒内的应力进一步增大,产生微小裂纹或者致使原生微小裂纹扩展和加宽,导致岩石的弹性模量逐渐减小。
随着温度的升高,岩石的损伤量释放率逐渐增大。
在深部条件下,在巷道局部温度较高部分,岩石由于热损伤在围压作用下挤出现象严重。
在深部采矿中,岩石受到一个变化温度场的作用,温度场对岩石材料的物理性质和力学性质都有影响。
通常随着温度的升高,岩石的力学性能劣化,岩石的刚度和强度都有所降低,但同时温度对岩石中的矿物有热激活作用,加之温度梯度的影响,最终使岩石由脆性向延性转化。
3.煤在高温高压下的性质有关煤在高温高压下的试验无论是国外还是国内都是比较少的。
国外Bustin等做有关实验,国内周建勋选择了镜质组最大放射率分别为0.67%,3.41%和4.90%的3种煤级的样品进行高温(300˚C~500˚C)高压变形实验。
这些研究取得了一定的成果,发现温度、压力和煤岩内部的产气情况对于煤的力学属性有很大的影响。
姜波等对河南、山西等地包括气煤到无烟煤5组煤岩样品进行了相同温度和压力下的高温(200˚C~700˚C)高压煤变形实验。
结果表明,煤的变形受多种因素的影响,并且在不同温度压力条件产生脆性变形和韧性变形构造。
Liu 等对沁水盆地5组煤岩样品进行同步升温和升压条件下的高温高压煤岩实验,结果表明:在不同温度压力下,煤岩的强度有显著的变化;温度对煤岩的影响要高于压力的效应,在不同的温度压力条件下产生不同的脆性变形和韧性变形构造。
煤是多孔介质,煤中水和大量吸附气的存在,也可大大降低煤岩组分韧性变形所需的温度条件,使之在较低的温度(<200˚C)下就可以发生变形.应力作用和低应变速率不仅降低煤岩变形所需的温度条件,而且对煤岩的超微尺度变形产生重要影响。
煤岩作为一种有机岩石,对温度压力等环境条件十分敏感。
当煤层围岩仍保持原生沉积特征时,煤层也可呈现强烈流变韧性变形现象,煤脆韧性变转化的温度远低于大多数围岩。
煤岩的这一属性导致周边的其他岩石仍处于脆性变形域时便发生流变,构成软弱层。
在高温高压下煤的渗透性发生很大改变。
赵阳升,万志军等教授利用自主研制的600˚C 200MN伺服控制高温高压三轴试验机系统,分别研究晋城无烟煤和兴隆庄气煤试样在恒定500m原岩应力条件下不同温度时,渗透特性的演化规律。
结果表明:(1)在室温~300˚C 中低温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个阀值温度。
当温度达到阀值温度时,渗透率降至最低。
(2)在300˚C~600˚C高温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个峰值温度,峰值温度处渗透率为该温度段内的最大值。
(3)煤体渗透率随温度的变化呈现阶段性:室温至阀值温度为第一阶段,渗透率随温度的增加而降低;阀值温度至峰值温度为第二阶段,渗透率随温度的升高而增加;高于峰值温度后,渗透率随温度的增加而降低。
(4)渗透率随温度变化的阀值温度和峰值温度与煤阶有关。
无烟煤的阀值温度是150˚C~200˚C,峰值温度为450˚C~500˚C,而气煤渗透率的温度为200˚C~250˚C。
综上所诉,处于深部高温高压下的煤岩体:刚度和强度增加,岩石的屈服极限强度、强度峰值和残余强度都随之增大。
弹性模量变小,韧性变强,弹性向粘塑性转变,脆性—>半脆性——>半延性——>延性转化,逐渐失稳向突发失稳转变,具有明显的流变性,热损伤现象严重,岩石往往出现很大的位移和变形,难维护,矿井动压现象严重。
对于煤温度对其力学性质的影响要高于压力对其的影响,温度对煤的渗透性、脆性变形和韧性变形构造影响很大。
参考文献:①郭文兵,李小双,深部煤岩体高温高压下力学性质的研究与展望②冯子军,万志军,赵阳升,李根威,,张源,王冲,朱南京,高温三轴应力下无烟煤、气煤煤体渗透特性的试验研究③朱合华,阎治国等,3种岩石高温后力学性质的试验研究④王绳组。
高温高压岩石力学——历史、现状、展望[J],地球物理学进展,1995⑤琚宜文,谭静强,侯泉林,谭永杰,武煜东,煤层流变研究现状及发展趋势⑥Busin R M,Ross J V,Rouzaud J N.Mechanisms of graphite formation from kerogen: experimental evidence [J].Jnt J of Coal Geol,1995,28 (1):1—36⑦Liu J,Yang G,Ma R.Macro - and microscopic mechanical behaviour of flow of coal samples experimentally deformed at high temperatures and pressure[J].Chinese Science Bullentin,2005,50(Supp)⑧刘泉生,许锡昌。
温度作用下脆性岩石的损伤分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19 (4):408-411⑨姜波,秦勇.变形煤的结构演化机理及其他地质意义[M].江苏徐州:中国矿业出版社,1998.1- 100.⑩左建平,谢和平,周宏伟.温度压力耦合作用下的岩石屈服破坏研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2917-2921。