煤炭地下氣化覆岩高溫損傷微細觀裂隙演化機理研究

《煤炭地下氣化覆岩高溫損傷微細觀裂隙演化機理研究》是依託山東科技大學，由辛林擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：煤炭地下氣化覆岩高溫損傷微細觀裂隙演化機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：辛林
• 依託單位：山東科技大學

項目摘要

為了從微細觀角度揭示煤炭地下氣化覆岩高溫損傷裂隙演化機理，首先針對覆岩受熱狀態，以覆岩中砂岩頂板為典型研究對象，自建可模擬岩石端面單向加熱的實驗裝置，進行砂岩在單向受熱狀態下的熱應力和熱破裂聲發射實驗，從聲發射角度研究熱破裂隨溫度分布的演化規律。然後採用CT掃描和數字圖像處理技術研究隨溫度分布的孔隙裂隙細觀結構，從分形角度研究熱損傷裂隙演化規律，得到裂隙演化分形維數與溫度的函式關係；採用X射線衍射儀和SEM掃描電鏡研究砂岩熱損傷微細觀物化組構特性以及隨溫度的變化規律，得到有機物和無機物變化對孔隙裂隙的形成和擴展影響規律；基於損傷力學、傳熱學和熱彈性力學等多學科交叉理論，建立熱-力耦合作用下熱破裂數學模型，數值模擬熱損傷裂隙演化過程。最後提出基於溫度分布的熱損傷變數及分形損傷演化模型，由分形損傷的觀點來描述熱損傷演化過程和裂隙演化機理，為煤炭地下氣化覆岩巨觀力學特性和破壞機理提供理論依據。

結題摘要

煤炭地下氣化采場附近頂底板岩層經受高溫熱作用，使圍岩發生燒變損傷，熱固耦合作用引起的熱破裂加劇了覆岩裂隙發育並導致圍岩強度降低。為了進一步揭示覆岩在高溫作用的下的熱損傷破裂特性和機理，本項目自製岩石單向受熱和單向約束試驗裝置，開展了單向受熱狀態下軸向溫度和熱應力分布以及熱破裂聲發射特性研究；單向受熱的岩石在高度方向上具有梯度變化的溫度，本項目對加熱後不同高度上的砂岩試樣開展了XRD、SEM、CT掃描和壓汞測試分析，從微細觀角度分析加熱後砂岩的物化組構、孔裂隙特徵隨溫度的變化規律；最後對單向加熱模擬試驗裝置進行了數值模擬。通過開展上述研究，可以得出：試樣經600℃單向加熱後，高度方向上岩石顏色發生顯著變化，各試樣的直徑稍微增大，高度降低，質量和密度降低；沿高度方向上最高溫度基本呈非線性降低；在加熱階段，軸向熱應力呈非線性增加，加熱停止後呈線性減低，最高熱應力達到了11 kN；大部分聲發射事件發生在試樣升溫階段，在停止加熱之後，聲發射事件或振鈴計數很少；在加熱盤快速升溫階段（前500s內），砂岩內即產生了大量的聲發射事件；在整個加熱過程中，主頻基本分為幾個頻率範圍，即20 kHz左右低頻區、90 ~ 100 kHz中高頻區、110 ~ 120 kHz高頻區以及150 kHz左右超高頻區；通過CT圖像掃描得出，CT數隨溫度升高呈降低趨勢，反映出受熱後砂岩密度降低，擬合得到了加熱前後CT數差值隨溫度的變化函式，可作為表征砂岩熱損傷的特徵量；從SEM掃描圖像可知，大於400℃高溫下，砂岩熱破裂產生了大量小尺度的顆粒，在基質體裂隙邊界處顆粒熱破裂越明顯；通過XRD分析可知主要礦物成分為石英組分，其圖譜受溫度變化不明顯；通過壓汞分析可知，孔體積分布主要以中孔和大孔為主，孔隙率在20%左右，溫度越大大孔和中孔越發育。通過開展本課題的研究，從微細觀層面進一步揭示了梯度溫度作用下砂岩的微細觀物化組構和孔裂隙特徵變化規律，為進一步研究覆岩燃空區擴展以及圍岩穩定性控制等具有重要的理論價值。