《煤層流變行為及其機理研究》是依託中國科學院大學，由琚宜文擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：煤層流變行為及其機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：琚宜文
- 依託單位：中國科學院大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
岩石圈介質的流變研究已成為大陸岩石圈研究最重要的前沿和熱點之一，廣泛地受到國內外科學家的矚目和重視。而淺、表岩石圈中煤岩是含氣、含水多相介質的有機岩，其流變行為更為強烈，且與無機岩類差異較大。本項研究以天然條件下煤層流變不同尺度（巨觀和微觀）的觀測研究為基礎，進行不同溫壓變形實驗，並與天然條件下煤岩流變特徵進行對比分析，以闡明含氣和含水多相介質的煤層流變行為；通過實驗室條件下模擬天然煤岩的流變過程，研究煤層流變的條件尤其是煤岩脆韌性轉換條件，建立流變模式；進而揭示煤層流變的機理與制約因素。這些研究可豐富和發展對地球介質流動的認識，並為煤層有效開採、煤層氣勘探開發與煤礦瓦斯突出防治提供科學依據。
結題摘要
煤岩是含氣、含水多相介質的有機岩，其流變行為在地殼淺層脆性構造域中比無機岩類更為強烈。本項研究以沁水盆地、兩淮煤田和閩西南地區為研究對象，以天然條件下不同尺度的煤層流變特徵觀測研究為基礎，完成了不同溫壓的煤岩變形實驗以及天然和實驗煤樣X-射線衍射、高分辨透射電鏡和紅外光譜等測試，開展了構造變形煤宏微觀裂隙及孔隙系統的研究；通過實驗條件下與天然條件下煤岩流變特徵的對比與分析，闡明了多相介質的煤層流變行為，建立了流變模式，探討了煤層流變的機理與制約因素，豐富和發展了地球介質流動的認識，並為煤層有效開採、煤層氣勘探開發與煤礦瓦斯突出防治提供了科學依據。 按照項目任務書規定的研究內容，經過三年的煤層流變現場觀測、室內測試實驗及綜合研究，達到了預期目標，獲得了如下主要成果和認識： （1）複雜地質條件下煤層受到構造應力作用容易發生流變，主要流變類型有韌性流變、脆性流變和脆韌性流變。煤層流變在巨觀上不僅會引起煤層厚度和形態的變化，而且還產生不同的流變構造，包括煤層揉皺、穿刺和岩楔構造、煤層順層滑動構造和複合煤層流變組合等；微觀觀察發現從脆性流變至韌性流變，煤岩大分子結構從滑移向蠕變轉變，從無序向有序轉變，尤其是韌性流變煤的基本結構單元呈定向排列。通過X射線衍射和高分辨透射電鏡等研究表明，不同類型的流變煤表現出多個基本結構單元之間的內部滑移或蠕變特徵。 （2）在短時實驗條件下，當高煤級原生結構的乾燥煤樣實驗溫度達到400℃，圍壓大於70MPa，應變速率小於10-5/s時，達到脆韌性轉化條件。在400℃條件下應力指數為7.2，屬於脆韌性流變範圍，在350℃條件下應力指數為24.6，屬於脆性流變範圍，而在天然條件下溫度與壓力較低，應變速率也更低，煤層就會發生韌性流變。實驗條件下流變煤岩在顯微鏡下可見脆性和脆韌性變形特徵。 （3）在構造應力作用下, 煤岩脆性流變主要是通過破裂面上快速機械摩擦發生滑移與流動，發育更多的次生裂隙；而韌性流變主要是通過局部區域應變能的積累而引起煤岩基本結構單元的蠕變和有序排列。與脆性流變相比，韌性流變作用更容易造成煤大分子結構單元發生滑移和蠕變，儲存大量應變能，產生大量次生結構缺陷和微孔隙，因此易於發生煤與瓦斯突出。
