CN105158144A - 一种煤基质变形力学参数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤基质变形力学参数测试方法，它是将煤样测试件放进一个密闭的夹持腔体中，从而在煤样两端分别形成注气腔和出气腔，将氦气导入注气腔中，氦气先渗流到煤裂隙内，之后开始扩散到煤基质内，将气压值与和应变值与时间对数的关系分别绘制成曲线图，根据曲线图得到渗流结束时应变值和裂隙孔隙压力值，以及扩散结束时应变值；最后计算出渗流阶段煤基质体积模量与扩散阶段基质内孔隙压力变化量。本发明针对煤层气体具有很强吸附性特点，兼顾气体在流动过程中孔隙压力对煤孔隙结构的影响，以及煤基质变形对渗透率影响，提出了在三轴应力状态条件下煤体各向变形参数的测试方法，为深入研究煤-气耦合问题提供了新的研究手段。

Description

一种煤基质变形力学参数测试方法

技术领域

本发明涉及煤的力学参数测定方法，尤其涉及三轴应力条件下煤多孔隙结构中基质块的变形特征及其力学参数的测定方法。

背景技术

气体运移引起煤体变形是研究煤层气抽采、煤与瓦斯突出和温室气体的地质封存的关键问题。由于煤储层不仅包含相互正交的割离(裂隙)系统，还包括多种尺度的微孔隙，这种复杂的孔隙结构赋予煤储层具有与常规天然气储层有明显不同传导特性，主要表现为：(1)低渗透性；(2)对甲烷与二氧化碳气体有强吸附性；(3)吸附气体解吸引起煤基质收缩。一般认为煤层气体运移以两种形式进行：一种是在裂隙系统进行的渗流过程；另一种是在煤基质中发生气体吸附与扩散过程。煤体变形是控制渗透率变化的主控因素，在孔隙压力不变外部应力增加或卸载会使煤中由有效应力变化引起的裂隙张开或闭合。但是由于煤层气体具有很强吸附性，能导致煤基质的膨胀或收缩，使煤基质与裂隙相互作用变的更为复杂。

目前观测煤样的整体变形的常规测试方法，一般采用引伸计或位移计，测试原理是将煤体中有效应力状态直接简化为总应力与孔隙压力的差值。这种测试方法忽视了气体在流动过程中孔隙压力或者有效应力对煤孔隙结构的影响。因为气-固吸附的界面现象可以在短时间内完成，对煤体变形造成短期影响。然而煤基质的气体扩散同样可以引起煤的孔隙压力变化，进而改变煤体渗透率。目前多数研究工作将煤层的渗透率归结于裂隙的渗透率，忽视了煤基质变形对渗透率影响。

因此，为深入研究煤-气耦合问题，很需要一种确定煤基质块的变形参数测试方法。

发明内容

本发明的目的是为获取在位移约束条件下注气导致煤体变形演化特征及其力学参数，提出一种确定煤基质块的变形力学参数测试方法，变形力学参数包括煤基质体积模量及其孔隙压力变化量。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种煤基质变形力学参数测试方法，具体测试步骤如下：

第一步：加工制作煤样测试试件

将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向；在圆柱状煤样外表面沿轴向粘贴轴向应变片；将煤样插入橡胶套中间，将应变片的导线引出来，再将两个无盖圆筒插进橡胶套两端，使煤样两端分别形成密闭的腔体，一端作为注气腔，另一端作为出气腔，共同组成一个煤样测试试件；

第二步，组装测试装置

制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体，夹持腔体上设有进气接口，将煤样测试试件安装在夹持腔体中，将夹持腔体的进气接口用管子与柱塞泵连通，并保证夹持腔体与外界密闭；将两个应变片的导线引出与外设数据采集电脑相连；将注气腔和出气腔与各自的气压传感器接通；气压传感器再与外设数据采集电脑相连；将氦气源用管子与注气腔接通；至此测试装置组装完成；

第三步，启动柱塞泵向夹持腔体施加气压，使煤样的环向压力升高至设定值σ后，将应变片的读数清零；

第四步：将氦气源的氦气导入注气腔中，当注气腔内气压升至P₁后，注气腔内气体向煤样渗透，并逐渐渗流到出气腔内，出气腔内压力逐渐升高，最终与注气腔内的气压以及裂隙孔隙压力相等，渗流结束，之后，煤裂隙内气体开始向煤基质内扩散；记录渗透阶段出气腔内和注气腔内气压值，以及扩散阶段应变片的应变值直至应变片数值趋于稳定状态，其中的P₁值只要小于环向压力σ即可。

第五步：将上述第四步记录的出气腔内和注气腔内气压值与时间对数的关系绘制成曲线图，从曲线图可以直观看出，渗流结束时，出气腔内和注气腔内气压值相等，也等于裂隙孔隙压力值；

将上述第四步记录的应变片的应变值与时间对数的关系绘制成曲线图，从曲线图可以直观看出，渗流结束时煤样的垂直层理方向应变片的应变值Δε_⊥渗流和扩散结束时应变片的的应变值Δε_⊥扩散；

第六步，计算渗流阶段煤基质体积模量K_基质与扩散阶段基质内孔隙压力变化量Δp_基质；具体计算方法如下：

1、计算渗流阶段煤基质体积模量K_基质

在渗流结束时，煤的裂隙开度与基质体积变化共同控制煤的总应变，即

式中：

Δε_⊥渗流为煤样在渗流结束时的垂直层理方向应变；

Δσ为外部应力变化，单位MPa；

Δp为渗流结束时，裂隙孔隙压力变化值，等于渗流结束时出气腔内的气压变化值，单位MPa；

ν_⊥为待测样品垂直层理方向的泊松比，通过单轴压缩试验得到；

E_⊥为待测样品垂直层理方向的杨氏弹性模量，单位GPa，通过单轴压缩试验得到；

K_基质为基质体积模量，单位GPa；

由于外部应力是恒定的，即Δσ＝0，所以式(1)改写为

已知E_⊥与ν_⊥，由式(2)得出基质体积模量K_基质。

2、计算扩散阶段基质内孔隙压力变化量Δp_基质

在扩散阶段，裂隙孔隙压力变化值处于恒定，即Δp＝0，此时裂隙中的气体开始向煤基质内扩散，基质孔隙压力升高，此时煤的应变为煤基质的回弹，即

式中：Δp_基质表示基质里面孔隙压力的变化量

将基质体积模量K_基质代入式(3)，根据轴向应变曲线图得到的扩散阶段煤的应变Δε_⊥扩散，可算出基质孔隙压力变化量Δp_基质。

本发明针对煤层气体具有很强吸附性的特点，兼顾气体在流动过程中孔隙压力对煤孔隙结构的影响，以及煤基质变形对渗透率影响，提出了在三轴应力状态条件下煤体各向变形参数的测试方法，为深入研究煤-气耦合问题提供了新的研究手段。

附图说明

图1是本发明测试装置示意图；

图2是本发明实施例中出气腔内和注气腔内气压值与时间对数关系的曲线图

图3是本发明实施例中应变片的应变值与时间对数的关系曲线图。

图例说明，1-夹持器；2-注气腔；3-橡胶套；4-应变片；5-出气腔；6-柱塞泵；7-注气腔传感器；8-数据采集控制电脑；9-气源；10-出气腔传感器；11-煤样。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本实施例通过单轴压缩实验确定垂直层理方向的杨氏弹性模量E_⊥＝2.1GPa、垂直层理方向的泊松比ν_⊥＝0.323。

如图1-3所示，本发明的煤基质变形力学参数测试方法，具体测试步骤如下：

第一步：加工制作煤样测试试件

将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向；在圆柱状煤样11外表面沿轴粘贴轴向应变片4；将煤样11插入橡胶套3中间，将轴向应变片4的导线引出来，再将两个无盖圆筒插进橡胶套3两端，使煤样11两端分别形成密闭的腔体，一端腔体作为注气腔2，另一端腔体作为出气腔5，共同组成一个煤样测试试件，如图1所示；

第二步，组装测试装置

制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体1，夹持腔体1上设有进气接口，将煤样测试试件安装在夹持腔体1中，将夹持腔体1的进气接口用管子与柱塞泵6连通，并保证夹持腔体1与外界密闭；将轴向应变片4的导线引出与外设数据采集电脑8相连；将注气腔2与气压传感器器7接通，出气腔5与气压传感器器10接通；气压传感器器7和气压传感器器10再与外设数据采集电脑8相连；将氦气源9用管子与注气腔2接通；至此测试装置组装完成；

第三步，启动柱塞泵6向夹持腔体1施加气压，使煤样11的环向压力升高至设定值σ后，将轴向应变片4的读数全部清零；

第四步：将氦气源9的氦气导入注气腔2中，当注气腔2内气压升至P₁后，注气腔2内气体向煤样11渗透，并逐渐渗流到出气腔5内，出气腔5内压力逐渐升高，最终与注气腔2内的气压以及裂隙孔隙压力相等，渗流结束，之后，煤裂隙内气体开始向煤基质内扩散；记录渗透阶段出气腔5内和注气腔2内气压值，以及扩散阶段应变片4的应变值直至应变片4数值趋于稳定状态，其中的P₁值只要小于环向压力σ即可。

第五步：将上述第四步记录的出气腔5内和注气腔2内气压值与时间对数的关系绘制成曲线图件图2，从图2看出，渗流结束时，出气腔5内和注气腔2内气压值相等，也等于裂隙孔隙压力值，从而得到渗流结束时裂隙孔隙压力变化值Δp＝2.6MPa；从图2也可以看出：在扩散过程中，由于气源9一直开启，裂隙孔隙压力处于恒定，即裂隙孔隙压力变化值Δp＝0

将上述第四步记录的应变片4的应变值与时间对数的关系绘制成曲线图见图3，从图3可以看出，渗流结束时煤样11的垂直层理方向应变片的应变值Δε_⊥渗流＝327×10^-6，扩散结束时应变片的的应变值Δε_⊥扩散＝154×10^-6；

需要说明的是：由于气体从注气腔2流入出气腔5表示煤样整体完成渗流时间，所以图2中注气腔2和出气腔5到达渗流结束时的时间，与图3中应变片到达渗流结束时的时间不同步。

第六步：计算渗流阶段煤基质体积模量K_基质与扩散阶段基质内孔隙压力变化量Δp_基质；具体计算方法如下：

1、计算渗流阶段煤基质体积模量K_基质，见公式(4)

由于外部应力是恒定的，即Δσ＝0，所以式(4)改写为

将事先通过单轴压缩实验确定的E_⊥＝2.1GPa和ν_⊥＝0.323、根据图3得到的Δε_⊥渗流＝327×10^-6以及根据图2得到的Δp＝2.6MPa代入式(5)得出式(6)。

根据得K_基质＝7.78GPa

2、计算扩散阶段基质内孔隙压力变化量Δp_基质，计算公式见公式(7)

将事先通过单轴压缩实验确定的E_⊥＝2.1GPa和ν_⊥＝0.323，以及根据图3得到的Δε_⊥扩散＝154×10^-6，代入式(7)得到

得Δp_基质＝1.37MPa。

Claims (1)

1.一种煤基质变形力学参数测试方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：加工制作煤样测试试件

将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向；在圆柱状煤样外表面沿轴向粘贴轴向应变片；将煤样插入橡胶套中间，将应变片的导线引出来，再将两个无盖圆筒插进橡胶套两端，使煤样两端分别形成密闭的腔体，一端作为注气腔，另一端作为出气腔，共同组成一个煤样测试试件；

第二步，组装测试装置

制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体，夹持腔体上设有进气接口，将煤样测试试件安装在夹持腔体中，将夹持腔体的进气接口用管子与柱塞泵连通，并保证夹持腔体与外界密闭；将两个应变片的导线引出与外设数据采集电脑相连；将注气腔和出气腔与各自的气压传感器接通；气压传感器再与外设数据采集电脑相连；将氦气源用管子与注气腔接通；至此测试装置组装完成；

第三步，启动柱塞泵向夹持腔体施加气压，使煤样的环向压力升高至设定值σ后，将应变片的读数清零；

第四步：将氦气源的氦气导入注气腔中，当注气腔内气压升至P₁后，注气腔内气体向煤样渗透，并逐渐渗流到出气腔内，出气腔内压力逐渐升高，最终与注气腔内的气压以及裂隙孔隙压力相等，渗流结束，之后，煤裂隙内气体开始向煤基质内扩散；记录渗透阶段出气腔内和注气腔内气压值，以及扩散阶段应变片的应变值直至应变片数值趋于稳定状态，其中的P₁值只要小于环向压力σ即可；

第五步：将上述第四步记录的出气腔内和注气腔内气压值与时间对数的关系绘制成曲线图，从曲线图可以直观看出，渗流结束时，出气腔内和注气腔内气压值相等，也等于裂隙孔隙压力值；

将上述第四步记录的应变片的应变值与时间对数的关系绘制成曲线图，从曲线图可以直观看出，渗流结束时煤样的垂直层理方向应变片的应变值Δε_⊥渗流和扩散结束时应变片的的应变值Δε_⊥扩散；

第六步，计算渗流阶段煤基质体积模量K_基质与扩散阶段基质内孔隙压力变化量Δp_基质；具体计算方法如下：

(1)计算渗流阶段煤基质体积模量K_基质

在渗流结束时，煤的裂隙开度与基质体积变化共同控制煤的总应变，即

式中：

Δε_⊥渗流为煤样在渗流结束时的垂直层理方向应变；

Δσ为外部应力变化，单位MPa；

Δp为渗流结束时，裂隙孔隙压力变化值，等于渗流结束时出气腔内的气压变化值，单位MPa；

v_⊥为待测样品垂直层理方向的泊松比，通过单轴压缩试验得到；

E_⊥为待测样品垂直层理方向的杨氏弹性模量，单位GPa，通过单轴压缩试验得到；

K_基质为基质体积模量，单位GPa；

由于外部应力是恒定的，即Δσ＝0，所以式(1)改写为

已知E_⊥与v_⊥，由式(2)得出基质体积模量K_基质；

(2)计算扩散阶段基质内孔隙压力变化量Δp_基质

在扩散阶段，裂隙孔隙压力变化值处于恒定，即Δp＝0，此时裂隙中的气体开始向煤基质内扩散，基质孔隙压力升高，此时煤的应变为煤基质的回弹，即

式中：Δp_基质表示基质里面孔隙压力的变化量

将基质体积模量K_基质代入式(3)，根据轴向应变曲线图得到的扩散阶段煤的应变Δε_⊥扩散，算出基质孔隙压力变化量Δp_基质。