煤系地層岩石的溫壓耦合導熱特性實驗研究

《煤系地層岩石的溫壓耦合導熱特性實驗研究》是依託中國礦業大學，由張源擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：煤系地層岩石的溫壓耦合導熱特性實驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張源
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

在高地壓、高地溫和開挖（采）擾動共同影響下，深部礦井圍岩的完整性會逐漸遭到破壞而產生裂隙，進而使岩體的導熱性能發生改變。岩體導熱性能的改變會使地溫再分布，從而對井下的氣象環境和深井軟岩的穩定性產生影響。項目擬從溫度和壓力共同作用下岩石的熱物理性質入手，以“600℃ 20MN伺服控制高溫高壓岩體三軸試驗機”為實驗平台，採用圓柱體試樣瞬態徑向熱流法，在煤系地層的地壓和地溫尺度上，研究溫度和壓力共同作用下岩石在裂隙產生、擴展和貫通演化過程中的等效導溫係數和導熱係數的變化規律。項目研究將揭示深部工程岩體的溫壓耦合傳熱特性，可為深部礦井熱害防治、深部軟岩穩定性控制，甚至礦山地熱資源的提取利用提供理論指導和依據。

結題摘要

高溫高壓條件下岩體的傳熱特性是諸如深部礦井開採、乾熱岩開採、煤炭地下氣化、煤炭地下原位熱解開採等深地工程中的關鍵科學問題之一。本項目綜合採用理論分析、實驗室實驗和數值計算等方法，對溫度和壓力作用下岩石的導熱特性進行了研究。 項目基於傅立葉導熱定律，通過合理簡化和科學假設，建立了一維半無限大的岩石試樣徑嚮導熱物理模型和數學模型，提出了基於圓柱體岩石試樣非穩態溫度場實測數據的岩石導熱係數反演計算方法，並自主研製了圓柱體試樣岩石導熱係數測試儀，為測量溫度和壓力作用下圓柱體岩石試樣的導熱係數提供了方法保障；採用差示掃描量熱法和高溫岩石力學試驗方法，分別測試了室溫~500℃範圍內砂岩、泥岩和無煙煤的比熱容及室溫~800℃範圍內砂岩、泥岩的強度和變形參數，得出了岩石比熱受晶格振動能增加、結晶水脫水吸熱、礦物氧化放熱等因素影響而表現出的階段性變化特徵，揭示了在溫度作用下岩石比熱容的演化規律和岩石的實時高溫力學特性，為導熱係數的實測和反演計算提供了支撐；採用自主研製的岩石導熱係數測試儀，測試了室溫~400℃和80%極限強度範圍內砂岩、泥岩和無煙煤的導熱係數，得出了砂岩、泥岩的導熱係數與溫度之間近似符合指數函式關係、與軸壓之間近似符合冪函式關係的結論，揭示了岩石導熱性質的溫度效應和應力效應，為研究高溫高壓條件下岩體的傳熱過程提供了依據；基於砂岩、泥岩和煤的高溫熱物性，開展了煤炭地下氣化采場圍岩溫度場的數值模擬研究，揭示了煤炭地下氣化采場圍岩溫度分布的演化規律。 研究成果在保障深地資源開採的高效、安全和可持續性等方面具有一定的理論和現實意義。