CN114778311A - 一种破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，包括完整试样制备、破断试样制备、加载前内部裂隙表征、施加三向压力、施加围压、施加气体压力、加载试验、停止加载试验、加载后内部裂隙表征、更换试样十个步骤，相比于现有技术中缺乏对于破断煤体各向异性强度和渗透率的测试，导致目前人们对现场破断煤岩体失稳致灾机制的了解较少的问题，本发明可基于现有真三轴试验测试装置制备破断煤体试样、测试获得其各向异性强度参数及渗流参数，有助于了解现场煤层破断区域动力灾害演化过程，具有现实的指导意义和重要的研究价值。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩测试技术领域，具体涉及一种破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法。
背景技术
我国埋深超过1000m的煤炭资源量约占总量的一半以上，越来越多的矿井即将进入深部开采阶段。深部开采过程煤岩体所受应力和内部裂隙形式均会发生较大变化，工作面前方破断煤岩体分布区域将进一步扩大，在开采扰动下会发生二次破坏。煤岩体破断区域是煤与瓦斯突出或冲击地压动力灾害的高发地带，煤岩体破断区域的变形破坏特征及渗透率的研究对于防治井下开采工作的各种动力灾害具有重要意义。煤岩体具有很强的各向异性，现有技术中，已有部分针对完整煤岩体强度和渗透率的测试研究，但是针对破断煤体各向异性强度和渗透率的测试尚未开展，主要原因是局限于室内试验装备和试验测试方法的缺乏，难点在于如何再现煤体破断区域及其测试方法。现有技术中缺乏针对破断煤体各向异性强度和渗透率的测试也导致了目前人们对现场破断煤岩体失稳致灾机制的了解较少，难以从理论上评价深部开采煤岩体的稳定性和安全性。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对现有技术中缺乏对于破断煤体各向异性强度和渗透率的测试，导致目前人们对现场破断煤岩体失稳致灾机制的了解较少的问题，提供一种破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，包括如下步骤：
S1：完整试样制备，设定若干个不同的煤块层理倾斜角度为目标角度，调整相同数量的完整煤块的层理倾斜角度分别至所述目标角度，随后将所述完整煤块加工成立方体；
S2：破断试样制备，将步骤S1中制得的其中一个试样置于真三轴试验测试装置中的真三轴密封腔体内，对所述试样沿X、Y、Z三个方向施加压力至目标应力值，然后沿竖直方向按照一定的位移加载速度加载所述试样至破坏峰值强度，之后继续加载达到试样残余强度，随后卸载X、Y、Z方向的加载力，最后取出试样；
S3：加载前内部裂隙表征，将所述试样放入CT系统中扫描，获取所述试样内部三维裂隙分布形态；
S4：施加三向压力，将所述试样置于所述真三轴密封腔体内，对所述试样沿X、Y、Z三个方向施加压力至目标应力值，并保持压力稳定；
S5：施加围压，在所述真三轴密封腔体内注满液压油；
S6：施加气体压力，向所述试件内部注入瓦斯气体，保持瓦斯气体注入压力不变，关闭排气阀，所述试样吸附瓦斯气体一段时间后，打开排气阀；
S7：加载试验，沿竖直方向按照一定的位移加载速度加载所述试样至破坏峰值强度，之后继续加载达到试样残余强度；在该加载过程动态测定以下参数：围压，X、Y、Z三向的加载应力，试件X、Y、Z三向位移，瓦斯气体排气流量；
S8：停止加载试验，停止注入瓦斯气体，排出液压油，卸载X、Y、Z方向的加载力，取出所述试样；
S9：加载后内部裂隙表征，将所述试样放入CT系统中扫描，获取所述试样内部三维裂隙分布形态；
S10：更换试样，更换另一个步骤S1中制备的试样，重复步骤S2-S9，直至所有试样测试完成。
采用前述技术方案的本发明，首先制备层理角度不同的若干个立方体完整煤体试样，为后续煤体各向异性强度测试做准备，再利用现有技术中的真三轴试验测试装置加载破坏该完整煤体试样以获得用于模拟煤层破断区的破断煤体试样，然后利用现有的真三轴试验测试装置对破断煤体试样进行X、Y、Z三向不等应力加载，并注入液压油及瓦斯气体，模拟煤层真实三向应力环境，并在加载过程中实时测定破断煤体试样的各向异性强度参数和渗流参数，同时结合CT扫描系统对破断煤体试样破坏前后内部裂隙形态进行对比，了解其内部裂隙变化与渗透率的关系，相比于现有技术中缺乏对于破断煤体各向异性强度和渗透率的测试，导致目前人们对现场破断煤岩体失稳致灾机制的了解较少的问题，本发明可基于现有真三轴试验测试装置制备破断煤体试样、测试获得其各向异性强度参数及渗流参数，有助于了解现场煤层破断区域动力灾害演化过程，具有现实的指导意义和重要的研究价值。
进一步的，步骤S1中通过将完整煤块放置于可调整倾斜角度的楔形垫块上，以调整完整煤块的层理倾斜角度至目标角度，通过使用楔形垫块调整层理角度，调整方便快捷，且只要设定好楔形垫块的倾斜角度即可确保煤块层理角度准确。
进一步的，所述楔形垫块包括活动板和固定板，所述活动板的一端与所述固定板的一端铰接，所述固定板的另一端设有带角度刻度的弧形支架，所述弧形支架上开设有弧形槽，所述活动板的另一端设有凸出的连接头，所述连接头卡接在所述弧形槽内，所述活动板转动可带动所述连接头在所述弧形槽内滑动，将完整煤块放置于活动板上，转动活动板即可调整其层理倾斜角度，同时，该楔形垫块结构简单，易于制造。
进一步的，步骤S1中立方体试样的六个表面平整度均在0.02mm以内，保证加载时每个面上受力均匀。
进一步的，步骤S2中位移加载速度为0.02mm/s，该加载速度适中，获得的破断煤体试样质量较佳。
进一步的，步骤S2中的所述试样外壁紧密包裹有热缩管，保证试样的完整性，防止实验过程中碰撞刮伤试样。
进一步的，步骤S7中位移加载速度为0.02mm/s，该加载速度适中，加载时间长度合适，便于在该加载过程中测定以下参数：围压，X、Y、Z三向的加载应力，试件X、Y、Z三向位移，瓦斯气体排气流量。
进一步的，步骤S5中液压油对所述试样的围压压力比渗流气体压力高2％，防止试样内渗流气体溢出。
进一步的，步骤S6中试样吸附瓦斯气体的时间为48小时，保证试样充分吸附瓦斯气体。
本发明的有益效果为：本发明可基于现有真三轴试验测试装置制备破断煤体试样、测试获得其各向异性强度参数及渗流参数，有助于了解现场煤层破断区域动力灾害演化过程，具有现实的指导意义和重要的研究价值。
附图说明：
图1为楔形垫块结构示意图；
图2为真三轴试验测试装置正剖视图；
图3为真三轴试验测试装置左剖视图；
图4为图3中A的放大图；
图5为图3中B的放大图；
图6为Y方向垂直于层理方向时破断煤体的应力-应变-渗透率曲线图；
图7为Y方向垂直于端割理方向时破断煤体的应力-应变-渗透率曲线图；
图8为Y方向垂直于面割理方向时破断煤体的应力-应变-渗透率曲线图。
图中标记：1-活动板，2-固定转轴，3-固定板，4-连接头，5-弧形支架，6-弧形槽，7-角度刻度，8-试样，9-压头，10-液压伺服油缸，11-真三轴密封腔体，12-进油口，13-排油口，14-第一进气流道，15-第二进气流道，16-透气板，17-第一出气流道，18-第二出气流道。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，该方法包括如下步骤：
S1：完整试样制备，设定若干个不同的煤块层理倾斜角度为目标角度，调整相同数量的完整煤块的层理倾斜角度分别至目标角度，随后将完整煤块加工成立方体；
步骤S1中通过将完整煤块放置于可调整倾斜角度的楔形垫块上，以调整完整煤块的层理倾斜角度至目标角度；楔形垫块的结构如图1所示，楔形垫块包括活动板1和固定板3，活动板1的一端与固定板3的一端铰接，固定板3的另一端设有带角度刻度7的弧形支架5，弧形支架5上开设有弧形槽6，活动板的另一端设有凸出的连接头4，连接头4卡接在弧形槽6内，活动板1转动可带动连接头4在弧形槽6内滑动；具体的，将完整煤块放置于活动板1上，转动活动板1至连接头4指向目标角度刻度后，再固定住活动板1，使用岩石切割机将完整煤块切割成立方体，通过研磨机对立方体各端面进行磨平处理和倒角处理，控制六个端面的平整度均在0.02mm以内；
S2：破断试样制备，将步骤S1中制得的其中一个试样(试样的外壁紧密包裹有热缩管)置于真三轴试验测试装置中的真三轴密封腔体内，对试样沿X、Y、Z三个方向施加压力至目标应力值，然后沿竖直方向按照一定的位移加载速度加载所述试样至破坏峰值强度，之后继续加载达到试样残余强度，随后卸载X、Y、Z方向的加载力，最后取出试样；
具体的，可用热风枪使试样表面快速升温，保证热缩管和试样紧密接触；竖直方向的位移加载速度为0.02mm/s；取Y方向为竖直方向，X和Z方向为相互垂直的水平方向，Y方向的目标应力值为最大主应力值，X方向的目标应力值为中间主应力值，Z方向的目标应力值为最小主应力值，在卸载X、Y、Z方向的加载力时，首先以0.05kN/s的速度卸载Y方向的最大主应力值至中间主应力值，然后以0.05KN/s的速度卸载X和Y方向的中间主应力值至最小主应力值，最后X、Y、Z三个方向应力均以0.05kN/s的速度卸载至0；
该真三轴试验测试装置为现有装置，在公开的文献资料中，装置具体结构不尽相同，但可以进行煤样的真三轴流固耦合试验，以模拟煤层的真实三向应力环境即可。本实施例中，该装置的上下(Y)、左右(X)、前后(Z)方向设置有高精度液压伺服油缸10，油缸上连接有用于压紧立方体试样8的压头9，包裹于试样8及压头9外部设有真三轴密封腔体11，上下的压头9内部分别开设有进气流道(包括第一进气流道14和第二进气流道15)和出气流道(包括第一出气流道17和第二出气流道18)，真三轴密封腔体11顶部和底部分别开设有进气口和排气口，进气流道和出气流道分别与进气口和排气口连通，进气口用于注入瓦斯气体，瓦斯气体可从进气流道进入破断煤体试样内部，排气口排出瓦斯气体，进气口和排气口分别设有进气阀和排气阀；在试样8和上压头之间设置一层透气板16，使得瓦斯气体更加均匀地进入破断煤体试样；真三轴密封腔体11上还设有进油口12和排油口13，用于注入和排出液压油，液压油可对试样8施加围压；
S3：加载前内部裂隙表征，将试样放入CT系统中扫描，获取试样内部三维裂隙分布形态；具体的，采用Avizo等CT灰度图分析软件，采用分水岭算法差值分析基质、矿物、裂隙密度阈值差异，重构破断煤体内部三维裂隙分布情况；
S4：施加三向压力，将试样置于真三轴密封腔体内，对试样沿X、Y、Z三个方向施加压力至目标应力值，并保持压力稳定；Y方向的目标应力值最大，记为最大主应力值，X方向的目标应力值其次，记为中间主应力值，Z方向的目标应力值最小，记为最小主应力值；在施加三向压力之前，也可在试样外部再包裹一层热缩管，利用热风枪使试件表面快速升温，保证热缩管与试件和压头紧密接触。
S5：施加围压，在真三轴密封腔体内注满液压油；具体的，利用独立的高压油泵在真三轴密封腔体内部注入液压油，对试件施加围压，保证围压压力高于渗流气体压力的2％；
S6：施加气体压力，向所述试件内部注入瓦斯气体，保持瓦斯气体注入压力不变，关闭排气阀，所述试样吸附瓦斯气体一段时间后，打开排气阀；
具体的，试样吸附瓦斯气体的时间设定为48小时；
S7：加载试验，沿竖直方向按照一定的位移加载速度加载所述试样至破坏峰值强度，之后继续加载达到试样残余强度；在该加载过程动态测定以下参数：围压(压力传感器测定)，X、Y、Z三向的加载应力(压力传感器测定)，试件X、Y、Z三向位移(位移传感器测定)，瓦斯气体排气流量(数字流量计测定)；
S8：停止加载试验，停止注入瓦斯气体，排出液压油，卸载X、Y、Z方向的加载力，取出所述试样；
具体的，关闭瓦斯气体进气阀，利用独立的高压油泵以0.01MPa/s的速度卸载围压，以0.05kN/s的速度卸载Y方向的最大主应力值至中间主应力值，然后以0.05KN/s的速度卸载X和Y方向的中间主应力值至最小主应力值，最后X、Y、Z三个方向应力均以0.05kN/s的速度卸载至0；
S9：加载后内部裂隙表征，将所述试样放入CT系统中扫描，获取所述试样内部三维裂隙分布形态；具体的，采用Avizo等CT灰度图分析软件，采用分水岭算法差值分析基质、矿物、裂隙密度阈值差异，重构破断煤体内部三维裂隙分布情况；
S10：更换试样，更换另一个步骤S1中制备的试样，重复步骤S2-S9，直至所有试样测试完成。
在步骤S1中，煤块层理倾斜角度的目标角度数量根据具体情况而定，在这里，仅就设定3个特殊的目标角度为例进行说明，这3个目标角度分别满足如下要求：1)加载时最大主应力方向(Y方向)垂直于层理方向；2)加载时最大主应力方向(Y方向)垂直于端割理方向；3)加载时最大主应力方向(Y方向)垂直于面割理方向，调整3个完整煤块的层理倾斜角度分别至这3个目标角度，随后将完整煤块加工成立方体。之后按照步骤S2-S10进行试验，可得到如图6-8所示的破断煤体三个不同方向的应力-应变-渗透率曲线。
采用前述技术方案的本发明，首先制备层理角度不同的若干个立方体完整煤体试样，为后续煤体各向异性强度测试做准备，再利用现有技术中的真三轴试验测试装置加载破坏该完整煤体试样以获得用于模拟煤层破断区的破断煤体试样，然后利用现有的真三轴试验测试装置对破断煤体试样进行X、Y、Z三向不等应力加载，并注入液压油及瓦斯气体，模拟煤层真实三向应力环境，并在加载过程中实时测定破断煤体试样的各向异性强度参数和渗流参数，同时结合CT扫描系统对破断煤体试样破坏前后内部裂隙形态进行对比，了解其内部裂隙变化与渗透率的关系，相比于现有技术中缺乏对于破断煤体各向异性强度和渗透率的测试，导致目前人们对现场破断煤岩体失稳致灾机制的了解较少的问题，本发明可基于现有真三轴试验测试装置制备破断煤体试样、测试获得其各向异性强度参数及渗流参数，有助于了解现场煤层破断区域动力灾害演化过程，具有现实的指导意义和重要的研究价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：完整试样制备，设定若干个不同的煤块层理倾斜角度为目标角度，调整相同数量的完整煤块的层理倾斜角度分别至所述目标角度，随后将所述完整煤块加工成立方体；
S2：破断试样制备，将步骤S1中制得的其中一个试样置于真三轴试验测试装置中的真三轴密封腔体内，对所述试样沿X、Y、Z三个方向施加压力至目标应力值，然后沿竖直方向按照一定的位移加载速度加载所述试样至破坏峰值强度，之后继续加载达到试样残余强度，随后卸载X、Y、Z方向的加载力，最后取出试样；
S3：加载前内部裂隙表征，将所述试样放入CT系统中扫描，获取所述试样内部三维裂隙分布形态；
S4：施加三向压力，将所述试样置于所述真三轴密封腔体内，对所述试样沿X、Y、Z三个方向施加压力至目标应力值，并保持压力稳定；
S5：施加围压，在所述真三轴密封腔体内注满液压油；
S6：施加气体压力，向所述试件内部注入瓦斯气体，保持瓦斯气体注入压力不变，关闭排气阀，所述试样吸附瓦斯气体一段时间后，打开排气阀；
S7：加载试验，沿竖直方向按照一定的位移加载速度加载所述试样至破坏峰值强度，之后继续加载达到试样残余强度；在该加载过程动态测定以下参数：围压，X、Y、Z三向的加载应力，试件X、Y、Z三向位移，瓦斯气体排气流量；
S8：停止加载试验，停止注入瓦斯气体，排出液压油，卸载X、Y、Z方向的加载力，取出所述试样；
S9：加载后内部裂隙表征，将所述试样放入CT系统中扫描，获取所述试样内部三维裂隙分布形态；
S10：更换试样，更换另一个步骤S1中制备的试样，重复步骤S2-S9，直至所有试样测试完成。
2.根据权利要求1所述的破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，其特征在于，步骤S1中通过将完整煤块放置于可调整倾斜角度的楔形垫块上，以调整完整煤块的层理倾斜角度至目标角度。
3.根据权利要求2所述的破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，其特征在于，所述楔形垫块包括活动板(1)和固定板(3)，所述活动板(1)的一端与所述固定板(3)的一端铰接，所述固定板(3)的另一端设有带角度刻度(7)的弧形支架(5)，所述弧形支架(5)上开设有弧形槽(6)，所述活动板的另一端设有凸出的连接头(4)，所述连接头(4)卡接在所述弧形槽(6)内，所述活动板(1)转动可带动所述连接头(4)在所述弧形槽(6)内滑动。
4.根据权利要求1所述的破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，其特征在于，步骤S1中立方体试样的六个表面平整度均在0.02mm以内。
5.根据权利要求1所述的破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，其特征在于，步骤S2中位移加载速度为0.02mm/s。
6.根据权利要求1所述的破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，其特征在于，步骤S2中的所述试样外壁紧密包裹有热缩管。
7.根据权利要求1所述的破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，其特征在于，步骤S7中位移加载速度为0.02mm/s。
8.根据权利要求1所述的破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，其特征在于，步骤S5中液压油对所述试样的围压压力比渗流气体压力高2％。
9.根据权利要求1所述的破断煤体各向异性强度及渗透性测试方法，其特征在于，步骤S6中试样吸附瓦斯气体的时间为48小时。
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