三轴等压条件下400内褐煤变形及结构衍化实验研究

第36卷第7期岩石力学与工程学报Vol.36No.72017年7月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJuly，2017收稿日期：2017–01–17；修回日期：2017–03–12基金项目：国家杰出青年科学基金项目(51225404)；国家青年科学基金项目(51504158)；山西省基础研究项目(2015021128)SupportedbytheNationalScienceFundforDistinguishedYoungScholars(GrantNo.51225404)，NationalScienceFundforYoungScholars(GrantNo.51504158)andBasicResearchProjectofShanxiProvince(GrantNo.2015021128)作者简介：于伟东(1986–)，男，2009年毕业于山东科技大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事褐煤原位注热开采及岩石力学方面的研究工作。E-mail：[e-mail]。通讯作者：梁卫国(1972–)，男，博士，现任教授、博士生导师。E-mail：[e-mail]：10.13722/j.cnki.jrme.2017.0061三轴等压条件下400℃内褐煤变形及结构衍化实验研究于伟东1，2，梁卫国1，2，于艳梅1，2，钱强1，2(1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西太原030024)摘要：为深入研究褐煤原位注热开采过程物性特征的衍变，应用高温高压实验平台，研究7MPa三轴等压条件下，Φ50mm×100mm褐煤以3℃/min升温速率由室温升高到400℃过程中及恒温恒载5h的变形特征规律。并应用显微CT、压汞、液氮吸附解吸方法综合分析褐煤不同孔径范围的孔裂隙衍化规律。研究发现：热力耦合作用下，褐煤变形过程可以划分为缓慢膨胀阶段(室温～170℃)、剧烈压缩阶段(170℃～289℃)及缓慢压缩阶段(289℃～400℃)，褐煤脆性–韧性转变临界温度为180℃。恒温恒载5h过程中，褐煤轴向线应变终值随温度的升高先增大后减小，昀大值为2.5%(200℃)，昀小值为1.3%(100℃)。褐煤昀大径向累积压缩应变约为19%(400℃)，昀大体积累积压缩应变约为41%(400℃)。热力耦合作用下，褐煤变形对其结构衍化有重要影响。随着温度的升高，褐煤总孔隙率表现为先增大后减小，孔裂隙率极大值为21.46%(200℃)，昀小孔裂隙率为7.61%(23℃)；主要孔裂隙的孔径逐渐增大。褐煤孔裂隙率衍化具有较好的分形特征，随着温度的升高，孔裂隙率的分形维数表现为先减小后增大、分形初值则先增大后减小。关键词：岩石力学；褐煤；三轴等压应力；结构衍化中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2017)07–1718–08Experimentinvestigationoflignitedeformationandstructureevolutionundertriaxialconstantstressattemperaturebelow400℃YUWeidong1，2，LIANGWeiguo1，2，YUYanmei1，2，QIANQiang1，2(1.CollegeofMiningEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan，Shanxi030024，China；2.KeyLaboratoryofIn-situProperty-improvingMiningofMinistryofEducation，TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan，Shanxi030024，China)Abstract：Toinvestigatethedeformationandstructurevariationofligniteunderthethermal-mechanicalaction，experimentswereperformedtothelignitesamplesof50mmindiameterand100mminlengthwiththehightemperatureandtrixialstresstestingplatform.ThestructurevariationwasstudiedwithMicro-CT，mercuryintrusionandliquidnitrogenadsorptionmethods.Severalfundamentalcharacteristicsoflignitedeformationwereobtainedwhenthetemperaturerosefrom23℃to400℃atarateof3℃/minunderthetriaxialconstantstressof7MPa.Thedeformationprocessoflignitecanbedividedintothreestages：aslowlyswellingstagewiththetemperaturerisingfrom23℃to170℃，arapidlycompressingstagewiththetemperaturerisingfrom170℃to289℃andarelativelyslowlycompressingstagewiththetemperaturerisingfrom289℃to400℃.The第36卷第7期于伟东等：三轴等压条件下400℃内褐煤变形及结构衍化实验研究•1719•criticaltemperatureofthebrittle-ductiletransitionforligniteisabout180℃.Duringtheconstantloadandtemperatureprocess，thefinalvalueoftheaxialstrainincreasedfirstlythendecreasedwiththelargestvalueof2.5%at200℃andthesmallestvalueofabout1.3%at100℃.Thelargesttotalradialstrainisabout19%andthelargesttotalvolumestrainisabout41%at400℃.Thelignitedeformationhasgreateffectonitsstructureevolution.Thetotalporosityofligniteincreasedfirstlythendecreasedwiththetemperaturerising.Thelargesttotalporosityis21.46%at200℃whilethesmallesttotalporosityisonly7.61%at23℃.Thediameterofthemainfissuresincreasedwiththetemperaturerising.Theligniteporosityintheheatingprocesshasgoodfractalcharacteristics.ThefractaldimensionvaluedecreasedfirstlythenincreasedwhilethevalueoflnA0increasedfirstlythendecreasedwiththetemperaturerising.Keywords：rockmechanics；lignite；trixialconstantstress；structuralevolution1引言煤的原位注热开采作为一种非常规开采技术，早已成为能源开发的研究热点[1]。原位注热开采过程中，煤体处于高温三轴应力状态。其变形不仅受温度、应力水平制约，还具有明显的时间效应。且这种时间效应与煤体变质程度密切相关。一般而言，煤变形的韧性机制主要发生在煤级较低阶段，而较高煤级的煤变形则以脆性机制为主[2-3]。随着煤级的提高，煤脆性–韧性转变临界温度随煤级的提高而升高。如：气煤的脆性–韧性转变临界温度为220℃左右[4]，而无烟煤的脆性–韧性转变临界温度则为400℃～450℃[5]。此外，热力耦合作用下，煤变形的影响因素具有阶段性，小变形阶段，温度是主要影响因素；大变形阶段，围压对煤体变形的影响则更为显著[6-7]。针对热力耦合作用下煤体变形的复杂性，冯子军等[5，8]分别对其变形机制进行了研究分析，认为热力耦合作用下热解产气是煤体变形的关键因素。但是，热解产气来源于煤体组分的热分解，其只是煤体结构衍化的一个因素。热力耦合作用下，煤体热破裂及晶格变化亦会导致骨架结构剧烈变化。因此，只有深入研究热力耦合作用下煤体结构衍化规律，才能从本质上认识煤体变形的机制。目前，国内外学者针对煤体结构随温度、孔隙压力衍化特征进行了大量研究。Y.M.Yu等[9]应用显微CT研究了φ1mm瘦煤在18℃～600℃范围内的孔裂隙衍化规律。通过对孔径0.4um以上孔裂隙统计发现18℃～200℃，瘦煤孔隙率略有降低；200℃～400℃，瘦煤孔隙率迅速上升；400℃～600℃，瘦煤孔隙率转而迅速下降。且随着温度的升高，煤体中昀大孔裂隙孔径亦会逐渐增大。孟巧荣等[10]采用同样的实验手段研究了φ7mm左右褐煤热破裂随温度变化关系。其研究认为：随着温度的升高，煤体中占主导地位的裂隙尺寸逐渐减小。褐煤孔隙率衍化经历了略有增大，快速增大，缓慢增大3个阶段。J.Tomeczek和S.Gil[11]研究了热解压力对次烟煤孔裂隙结构的影响，发现随着热解压力的增大，次烟煤孔隙率逐渐减小，孔径为300～5000nm孔占据主导地位。然而，已有文献只针对毫米级煤样某一孔径范围的孔裂隙特征进行了研究，并不能全面深入地研究不同尺度下煤体结构的衍化规律，其研究结果具有一定的适用局限性。此外，高温三轴应力下煤体结构衍化相关的文献研究鲜见。本文应用自研的高温高压配套实验设备深入研究了褐煤在热力耦合作用下的变形特征规律，并综合应用显微CT、压汞、液氮吸附解析方法研究了褐煤1.1nm以上孔裂隙衍化规律。从微观到宏观综合分析了热力耦合作用下褐煤变形的结构衍化特征。对褐煤原位注热提质、开采油气具有重要的意义。2实验概况2.1实验设备煤岩体高温高压测试平台：能实现室温～450℃、埋深1000m以内的地应力条件下的高温高压实验，可以实现的蒸汽压力范围为0.1～20MPa。根据褐煤矿区褐煤埋藏深度，实验用轴压、围压均设定为7MPa，蒸汽压力选为0.1MPa。实验过程中，轴压采用刚性加载，围压传压介质采用鳞片状石墨粉(见图1)。•1720•岩石力学与工程学报2017年图1煤岩体高温高压测试平台Fig.1Hightemperatureandtriaxialstressplatformμ225kV显微CT：主要包括X光机、探测器、机械转台、电子系统。该系统放大倍数为1～400倍，昀小分辨尺寸约为0.5μm。本实验中，褐煤试件的放大倍数为7.3倍，分辨尺寸约为26.6μm。PoreMaster33型压汞仪：其可测压力范围为1.5～231MPa(0.2～33000PSI)，可测孔径范围为0.007～1000μm，测试分为低压(1.5～350kPa)和高压(140kPa～231MPa)两个阶段。本次实验采用压汞分析25nm～100μm范围孔裂隙特征。NOVA2000E比表面积及孔径分析仪：分析褐煤1.1～25nm范围内孔裂隙特征，煤样粒径为0.2～0.5mm。实验前，将样品放置在80℃氮气分为内烘干24h。2.2褐煤煤样概况本次实验采用的煤样取自内蒙古锡林浩特大唐东二号露天矿5#褐煤。其中用于高温高压实验及显微CT测试的试件尺寸为φ50mm×100mm标准试件，