构造煤洞穴卸压煤层气开发脆性围岩相似材料模拟实验研究

摘要

顶底板相似材料研发是构造煤洞穴卸压煤层气开发技术室内模拟试验研究的前提。本文以安徽省淮南矿区刘庄井田为研究区，通过采集井田25#、16-1#、13-1#和11-1#主要可采煤层脆性围岩样品，研究了其岩石学特征，测试了原岩渗透性和岩石力学参数，获得了淮南典型构造煤发育区脆性围岩原岩特征。综合考虑相似材料原料选择、配比、成型条件等因素，设计了五因素、四水平的正交试验方案，测试了相似材料试件的应力敏感性和力学性质特征，并基于应力相似的原则与相似比，确定了最优的相似材料原料选择及配比方案。利用FLAC3D软件模拟了实验室构造煤中水平井眼周围脆性围岩应力、应变及位移分布特征，评价了所研发相似材料应用于室内模拟试验的合理性、安全性。论文研究主要取得了以下认识与成果： （1）研究区构造煤脆性围岩岩性主要为粉砂岩、细粒-中粒砂岩、细粒砂岩和中粒砂岩，岩石薄片观察与XRD衍射分析表明原岩矿物组成以石英、长石为主，次为暗色矿物、云母等。粉砂岩、细粒-中粒砂岩、细粒砂岩和中粒砂岩的5MPa围压下气测渗透率值分别为0.004mD、0.012mD、0.0110mD、0.028mD，且随着有效应力增加，岩样渗透率呈现下降的趋势。低有效应力下，渗透率应力敏感性强，随着有效应力增加，渗透率下降趋缓。卸载过程中，随着有效应力降低，渗透率逐渐恢复，但存在一定的渗透率损失。在15MPa围压条件下，测试原岩抗压强度为133.19~223.58MPa，弹性模量为10.99~22.72×103MPa，泊松比为0.16~0.31。 （2）基于应力相似的基本原则，对比原岩应力条件与模拟试验平台加载力条件，确定原型与模型的应力相似比Cσ、弹性模量相似比CE和抗压强度相似比Cσc为5。此外，要求脆性围岩原型与相似材料的泊松比尽可能接近。 （3）以石英砂作为骨料，石膏、高岭土作为混合胶结材料，硼砂作为缓凝剂，综合考虑砂胶比、水胶比、石土比、成型时间和养护时间对相似材料渗透性及力学特征的影响，开展了正交设计试验。结果表明，试样渗透率和抗压强度主要受砂胶比因素影响，而弹性模量和泊松比主要受水胶比和养护时间的影响。试样渗透率随着砂胶比降低而减小，抗压强度随着砂胶比降低而增大。砂胶比在1∶4水平下相似材料试样渗透率较低，能够更好的满足封闭构造煤中气体的目的。相似材料试样抗压强度、弹性模量随砂胶比、水胶比的降低而增大，泊松比随养护时间的延长而增大。综合考虑试样渗透性及岩石力学参数变化特征，认为研究区构造煤脆性围岩相似材料制备过程中砂胶比、水胶比、石土比、成型时间和养护时间的最优水平分别为1∶4、1∶3.6、3∶1、5h和4d。 （4）运用FLAC3D数值模拟软件模拟2m×2m×1.5m模型（上下两层砂岩、中间一层煤）中水平钻孔掘进对煤岩的影响，发现应力、应变和位移以钻孔为中心呈对称分布。垂直方向上，应力由钻孔向四周逐渐增大；水平方向上，应力由钻孔向周围逐渐减小。应变量自钻孔中心向四周呈环状递减，且水平方向上以压应变为主，垂直方向上以拉应变为主，垂直方向上位移量大于水平方向。

目录

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致谢

1 绪论

1.1 论文来源

1.2.1 研究背景

1.2.2 研究意义

1.3.1 相似材料原料的选择

1.3.2 相似材料原料的配比

1.3.3 存在的主要问题

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容

1.5.1 研究方法

1.5.2 技术路线

1.6 论文工作量

2 研究区地质背景

2.1 位置与交通

2.2 研究区地层特征

2.2.1 区域地层

2.2.2 井田地层

2.3.1 区域构造

2.3.2 井田构造

2.4.1 煤层

2.4.2 煤质

2.5 水文、工程与环境地质

2.5.1 水文地质条件

2.5.2 工程地质条件

2.5.3 环境地质条件

2.6 地温条件

2.7 煤层含气性

3 脆性围岩特征与模拟相似条件研究

3.1 样品采集与测试

3.2.1 脆性围岩岩石学特征

3.2.2 脆性围岩渗透性特征

3.2.3 脆性围岩岩石力学特征

3.3.1 相似理论与相似定律

3.3.2 相似准则与相似条件

3.3.3 相似参数与相似比

3.4 本章小结

4 脆性围岩相似材料原料选择

4.1 相似材料原料类型

4.2.1 填充材料

4.2.2 胶结材料

4.3 相似材料原料选择原则

4.4 相似材料原料选择结果

4.5 本章小结

5 脆性围岩相似材料优化配比实验

5.1.1 实验目的

5.1.2 实验方案设计

5.2 试验装置及过程

（1）试件制作方法

（2）渗透率的测试

（3）力学性质测试

5.3 相似材料渗透性及影响因素分析

5.3.1 砂胶比对相似材料渗透性的影响

5.3.2 水胶比对相似材料渗透性的影响

5.3.3 石土比对相似材料渗透性的影响

5.3.4 成型时间对相似材料渗透性的影响

5.3.5 养护时间对相似材料渗透性的影响

5.4 相似材料岩石力学特征及影响因素分析

5.4.1 试样岩石力学特征

5.4.2 各因素对相似材料岩石力学特征的影响

5.5 脆性围岩相似材料优化配比方案

5.6 本章小结

6 基于FLAC3D的相似材料受力变形模拟

6.1 模拟软件简介

6.2 参数设置

6.3 模拟结果分析

（1）应力变化特征

（2）应变变化特征

（3）位移变化特征

6.4 本章小结

7 结论及建议

7.1 主要结论

7.2 建议

参考文献

作者简历

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