超临界CO_2作用后煤微观结构与渗透率变化规律实验研究

在宏观超临界CO_2增透实验基础上进行微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,自编Matlab程序,计算孔隙率,得到煤各微区孔隙率和渗透率矩阵,绘制孔隙率和渗透率等值线图。结果表明:增透实验前后煤微观结构差别显著,经超临界CO_2作用后,煤微观孔隙充分发育,孔隙的数量、尺寸明显增加,孔隙率是增透前的9.11倍;随着孔隙压力的增大,煤中粒间孔隙数量增多,孔隙之间的连通性增加,孔隙率呈指数增大的趋势,煤体各微区孔隙率等值线密集程度增加;煤体的渗透率随着孔隙率的增加呈正指数递增的趋势,且随着孔隙压力的增加,渗透率呈指数递增的变化规律,渗透率等值线的密集程度增加,宏微观实验结果是一致的,随着注入超临界CO_2孔隙压力的增加,煤微观孔隙结构的发育程度提高,为煤层气的运移提供更多的通道,有效提高了煤体的渗透性。     

超临界CO_2作用下煤体膨胀变形规律试验研究

为解决采用应变片对超临界CO_2作用下煤体膨胀变形进行点测量时,试验结果离散性大、超临界CO_2作用导致应变片易脱离破损等问题,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温度、压力的超临界CO_2作用下,煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO_2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高,达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加,膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定膨胀变形所需时间随孔隙压力的升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO_2作用下,煤体体积应变随温度和孔隙压力均呈"S型"Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温度和孔隙压力的变化率具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区跨临界区高临界区。     

液氮作用下煤样结构损伤规律研究

为研究液氮浸泡对低渗煤体结构损伤增透的影响,对不同尺寸煤样进行周期性液氮浸泡实验。通过CT扫描观测煤样浸泡前后内部孔隙、裂隙变化情况,采用高倍照相机观测煤样表面形貌,利用超声测速仪测定煤样波速变化,分析液氮浸泡周期对不同尺寸煤样内部结构损伤规律的影响,提出了液氮作用下煤样损伤模型,解释了液氮作用下煤样损伤机理。结果表明:同尺寸煤样,其内部孔隙率、表面裂隙尺寸及波速衰减率随液氮作用周期数的增加而增大,煤样损伤加剧;同周期浸泡条件下,随着煤样尺寸的增大,液氮作用后的煤样孔隙率逐渐降低;液氮作用周期为1T时,煤样孔隙率增加相对显著,损伤效果明显,1T后煤样孔隙率增加幅度逐渐减小;液氮的超低温作用使煤岩基质收缩,煤岩内部产生新微孔隙,多次作用后,微孔隙发育、扩展和贯通使煤岩出现宏观裂纹并发生破坏。     

页岩渗透特性受热力条件影响的实验研究

利用自行研制的三轴渗流实验装置,开展了考虑孔隙压力、体积应力和温度影响的页岩中CH_4气体渗流规律研究。研究表明:(1)孔隙压力施加路径是影响CH_4渗透率的主要因素,孔隙压力由2MPa升高到8MPa,页岩渗透率随孔隙压力的升高而降低,降低幅度达到63.5%,后期降低速度逐渐变慢;孔隙压力由8MPa降低到2MPa,页岩渗透率随孔隙压力的升高而升高,升高速度逐渐加快。(2)渗透率随体积应力的升高逐渐降低,体积应力由9MPa增加到27MPa,页岩渗透率降低了58.5%,降低速度逐渐变慢。(3)相同孔隙压力和体积应力下,渗透率随温度的升高而逐渐降低,温度由20℃增加到50℃,页岩渗透率降低幅度达到62.1%,降低速度逐渐变慢,最后达到临界值。     

有机/酸复合溶液化学作用下低煤阶煤体破坏微观机制研究

为了探讨有机/酸复合溶液化学作用对煤体物理力学特性的影响,采用扫描电镜、粉晶X射线衍射、压汞实验和力学性能测试等手段,对经有机/酸复合溶液浸泡前后的煤样表观形貌、矿物质含量变化、内部孔隙结构及单轴抗压强度进行表征。分析煤的微观结构随时间变化规律,得出有机/酸复合溶液破坏煤体的微观机制,并通过单轴压缩实验验证煤样微观破坏机理。结果表明:经有机/酸复合溶液浸泡48h后,煤样表面的孔隙尺寸大于10μm,大部分表面被溶蚀成小于1μm的小碎屑颗粒;方解石、白云石和黄铁矿的溶解率为54.54%、36.36%、34.29%,伊利石、高岭石、蒙脱石的含量增加了51.74%、60%、40%,石英几乎不反应;煤样孔径分布曲线随时间增加,逐渐由单峰分布变成双峰分布,煤样微孔体积减少了69.01%,大孔体积增加了72.85%;煤样弹性模量为377.2MPa,峰值强度为4.02MPa,达到峰值强度时,应变值为21.61%。煤样与有机/酸复合溶液之间的化学作用可从微细观上改变煤样的矿物组成与结构,使其产生孔洞、孔隙等,增加其孔隙率,影响其渗透率,进而改变其峰值强度和弹性模量等宏观力学性质。     

卸压开采损伤煤岩气体渗透率试验研究

我国煤系地层的煤岩体渗透率普遍较低,直接影响煤矿瓦斯抽采效果。卸压开采使采场围岩受采动应力作用具备了峰后力学行为,其渗透率也大幅度增加,有助于瓦斯的高效抽采。本文基于MTS815.02型电液伺服岩石渗透试验系统,对卸压开采后损伤煤岩的气体渗透率进行了测试。研究表明:(1)卸压损伤煤岩石的渗透率在10-5～10-4 m2之间,较受采动影响前要大107～108倍;(2)卸压过程中,煤样的气体渗透率与围压近似呈线性关系,与岩样呈双曲线关系;(3)卸压损伤煤岩逐渐加围压,气体渗透率近似为线性下降,卸压阶段,其渗透率增加;(4)加卸围压对煤岩的气体渗透率有很大影响。研究结果可为卸压瓦斯高效抽采提供理论依据。     

SDS水溶液作用下低煤阶煤体物理力学特性及损伤实验研究

为了探究SDS水溶液对低阶煤煤体物理力学特性的影响及损伤程度,采用十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液为有机溶液,以低煤阶煤体(阜新长焰煤)为研究对象,通过电镜扫描、压汞实验、纵波波速实验和单轴压缩实验,对SDS水溶液浸泡前后煤样的微观孔隙结构、孔隙率、纵波波速、峰值强度及弹性模量进行表征,分析煤样在SDS水溶液作用下物理力学特性随浸泡温度的变化规律,并建立了SDS水溶液作用下受荷载煤样的损伤演化模型,探讨煤样损伤机制。结果表明:(1)经SDS水溶液作用后,煤样微观孔隙分布不均匀,孔隙率随浸泡温度增加而增加,在55℃时,孔隙率为57%,比原煤样孔隙率增加了46%;煤样纵波波速、峰值强度和弹性模量均随浸泡温度增加而降低,在55℃时,纵波波速、峰值强度和弹性模量分别为571m/s、6.73MPa、356MPa,比原煤样分别降低了416m/s、5.12MPa、1129MPa;(2)SDS水溶液与荷载的共同作用加剧了煤样的总损伤程度,表现出明显的非线性特征,煤样损伤在微观上表现为矿物质组成与结构的改变过程,宏观上表现为煤样力学强度的降低及抵抗破坏的能力减弱;(3)运用新的浸泡实验结果验证所提出的损伤演化模型,实验结果与损伤演化模型十分吻合,相关系数R~2=0.999,由此可见,该损伤演化模型具有良好的可靠性。     

超临界CO_2气爆致裂爆生气体压力沿破裂面变化规律实验研究

为了揭示超临界CO_2气爆致裂煤岩体过程中爆生气体压力沿破裂面的变化规律和不同超临界压力对爆生气体压力分布的影响,利用自主研发的超临界CO_2气爆实验系统进行爆生气体压力分布测试实验。采用气爆孔周预制弱层的方法,解决了气爆实验传感器难以捕捉裂纹位置的问题。得到了破裂面爆生气体压力与到气爆孔距离和时间的关系式。实验结果表明:气爆过程中破裂面任一点处的爆生气体压力随时间衰减曲线,与气爆孔底爆生气体压力衰减曲线的变化特征相似,服从负指数曲线变化规律,随时间增加,衰减曲线斜率逐渐减小;破裂面任一时刻爆生气体压力,满足近气爆孔处气体压力大于远孔位置的气体压力的规律;随着超临界压力增大,各监测点爆生气体压力峰值增大,相邻监测点压力峰值差增大,监测点达到压力峰值对应时间减小,相邻监测点达到压力峰值的时间间隔变短。     

超临界CO_2-水两相流与CO_2毛细捕获:微观孔隙模型实验与数值模拟研究

CO_2毛细捕获机制是CO_2地质封存中的关键科学问题,然而有关孔隙尺度下(微米极)超临界CO_2毛细捕获的研究较少.采用高压流体-显微镜-微观模型实验装置,开展超临界CO_2条件(8.5 MPa,45?C)下CO_2驱替水(排水)和水驱替CO_2(吸湿)实验,采用高分辨率照相机采集CO_2水两相流运动图像,并借助光学显微镜直接观测孔隙尺度下CO_2毛细捕获特征.同时,采用计算流体动力学方法对实验过程进行三维数值模拟.数值模拟不仅反映了实验过程中两相流驱替锋面的推进过程,还刻画了孔隙尺度下被捕获的CO_2液滴/团簇三维空间形态特征.最后,基于数值模拟给出了CO_2初始饱和度与残余饱和度曲线,即毛细捕获曲线,并对比分析了3种毛细捕获曲线预测模型(即Jurauld模型、Land模型和Spiteri模型)的优劣.分析表明,Jurauld模型的描述能力稍优于Land模型,Spiteri模型的描述能力较弱.由于Land模型只需单个参数,且参数具有明确的物理意义,因此在实际工程中,建议优先采用Land模型.     

液氮冷加载作用下煤样渗透特性研究

为了研究液氮冷加载对煤样渗透特性的影响,采用试验研究和理论分析相结合的方法,对不同冷加载周期煤样的孔隙、裂隙结构损伤破坏变化规律、各物理力学性质以及渗透特性展开研究,通过电镜扫描、波速测试、渗透试验和单轴压缩试验分别得到不同冷加载周期前后煤样裂隙的发育情况、波速衰减率、孔隙量、抗压强度以及渗透率的变化。试验结果表明：(1)液氮冷加载能促进煤样裂隙萌生和发育,有效地连接相对独立的裂隙结构,形成交织的裂隙网络,增大煤样气体流量,从而提高煤样渗透率。(2)温差效应与水冰相变的共同作用对煤样渗透性也有较强的促进作用。(3)随着冷加载周期的循环,煤样裂隙扩展宽度、扩展率均逐渐增大,力学性能减弱,抗压能力越来越差,煤样整体损伤程度严重,渗透率呈指数增长,比煤样初始渗透率提高了16.76倍。     

不同应力差条件下超临界CO_2气爆煤岩体气楔作用次生裂纹扩展规律研究

为研究超临界CO_2气爆技术应用于低渗煤岩增透抽采瓦斯和气爆采掘煤岩过程中,爆生气体楔入爆孔周围破裂区产生次生裂缝的规律,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置对不同应力差条件下边长为0.4m的立方体煤岩试件进行了气爆致裂实验,得到了气爆冲击荷载作用时不同应力差条件下试件各监测点应变和爆生气体压力时程曲线及爆后试件的分区破裂特征。近孔煤岩破坏由应力波引起,气楔作用产生的拉应力导致远孔次生裂纹扩展,依据实验规律建立了超临界CO_2气爆煤岩体应力波和气楔作用复合破坏机制的力学模型,数值模拟分析了不同应力差条件下爆生气体气楔致裂规律。结果表明:当水平和垂直方向初应力不等时,爆生气体气楔作用使次生裂纹向垂直最小初应力方向偏转;当初应力相等时,次生裂纹沿原方向扩展,随着初应力增加,裂隙扩展长度和张开度减小;数值模拟得到的气体压力时程曲线、试件破坏特征与实验测得的气爆冲击压力时程曲线、试件破坏特征一致;基于爆生气体劈裂模型的数值模拟结果与实验结果吻合。     

不同孔隙率的碾压混凝土力学性能试验研究

混凝土的破坏受其内部缺陷影响,为了研究孔隙含量对碾压混凝土力学性能的影响,探讨碾压混凝土的力学性能和尺寸效应随孔隙率的变化规律,采用预制孔隙法模拟碾压混凝土中的孔隙开展力学性能试验,分析3种尺寸C20碾压混凝土试件在4种不同孔隙率情况下的抗压强度和劈拉强度的变化情况。结果表明：同一尺寸下,C20碾压混凝土的抗压强度和劈拉强度随着孔隙率增加逐渐降低,碾压混凝土孔隙含量增加对其强度产生了负面影响;碾压混凝土拥有明显的尺寸效应,孔隙率越大,碾压混凝土强度的尺寸效应越显著。     

不同温压超临界CO_2气爆喷孔冲击应力变化规律实验研究

为研究不同温压条件下超临界CO_2气爆过程中气爆管喷孔喷射的爆生气体对被爆物体产生的冲击应力变化规律,自主设计了超临界CO_2气爆实验系统及数据采集装置,实验得到了在不同初始温度和压力下对称双喷孔喷射的超临界CO_2气爆爆生气体冲击应力变化规律:喷孔喷出的爆生气体作用于被爆物体的冲击应力经历应力激增、应力剧减和应力减速衰减三个阶段。冲击应力时程变化曲线呈脉冲波形曲线特征,且冲击应力衰减阶段持续时间大于冲击应力激增持续时间。冲击应力随初始温度和初始压力的增大而增加,初始压力变化引起的气爆冲击应力变化比初始温度变化明显,增大超临界态CO_2的初始压力提高气爆冲击应力优于提高超临界态CO_2的初始温度。最后得到了冲击应力峰值P_(max)与初始温度T和初始压力P的关系P_(max)=ɑT+bP+C。     

充填泥沙裂隙岩石渗流特性的实验研究

对人工充填泥沙裂隙岩石在MTS815.02电液伺服岩石试验系统上进行渗流实验,同时结合岩石孔隙电子显微照片,探讨了泥沙颗粒对裂隙岩石渗透特性的影响规律.实验表明,在泥沙颗粒的作用下,裂隙岩样渗透率明显减小;泥沙颗粒在岩样宏观裂隙中运移达到重新平衡之后,裂隙岩样渗透率随时间逐渐增大并最终趋于稳定.     

高温焙烧草木灰-钢渣-膨润土复合材料渗储特性实验研究

为解决天然膨润土渗透性差,直接作为吸附固化剂去除土壤重金属离子污染物效率低的问题,本文优化了草木灰、钢渣和膨润土配比,高温焙烧改性制备一种新的复合材料,并进行了改性膨润土复合材料试件的渗储实验。实验结果表明:改性膨润土复合材料既能高效净化污水,对水中浓度为10mol/L的Cu~(2+)的去除率达到98%以上,又具良好的渗储作用,其渗透率上限是天然膨润土渗透率的105倍,污水通过改性膨润土的渗流速度与压力梯度呈正指数变化的非达西渗流;渗透率随含水率的增加呈负指数变化规律,由于渗流过程受水体中固体沉淀污染物的影响,渗透率随渗流时间的增加而减小,在吸湿和脱湿过程中,含水率随时间呈双线性变化规律。     

幂律流体在多孔介质中径向渗流的分形模型

基于分形理论及毛细管模型,本文研究了非牛顿幂律流体在各向同性多孔介质中径向流动问题,推导了幂律流体径向有效渗透率的分形解析表达式．研究结果表明,幂律流体径向有效无量纲渗透率模型和Chang and Yortsos’s模型吻合很好;同时还得出幂律流体径向有效渗透率随孔隙率、幂指数的增加而增加,随迂曲度分形维数的增加而减少．     

钢基铝镀层陶瓷氧化膜的摩擦磨损特性研究

对Q235钢表面铝镀层进行不同时间的微弧氧化处理从而在铝镀层表面获得不同厚度的陶瓷氧化膜.采用硬度测试仪、摩擦磨损试验机和扫描电子显微镜分别研究了氧化时间对陶瓷氧化膜厚度、表面硬度、摩擦磨损特性以及磨损试验后的磨痕形貌和微观结构的影响规律.结果表明:随微弧氧化时间的延长,铝镀层陶瓷氧化膜的厚度和硬度迅速增加,经微弧氧化处理30min后铝镀层的表面硬度较处理前增加了近7倍;在干摩擦条件下,铝镀层陶瓷氧化膜的磨痕宽度和磨损体积随微弧氧化时间的延长逐渐减小,而摩擦系数逐渐下降,表明耐磨性随微弧氧化时间的延长逐渐提高.铝镀层的磨损形式为表面压溃和锉削式磨粒磨损,处理时间为20min和30min的磨损形式为低应力擦伤性磨粒磨损,而处理10min的磨损形式介于上述二者之间.     

考虑CO2吸附和滑脱效应影响的页岩渗透率演化机制研究

为探究气体吸附以及滑脱效应对页岩渗透率的影响规律,利用自主研制的渗流装置,开展了CO₂的脉冲衰减渗流试验。试验结果表明：在低孔隙压力下,CO₂吸附对渗透率计算结果影响较大,随着孔隙压力增大,CO₂吸附对渗透率的影响逐渐减小;通过修正后的滑脱效应渗流公式对渗透率进行拟合,发现修正后的滑脱效应公式与渗透率变化趋势更加贴合;利用滑脱效应贡献率量化分析滑脱效应对渗透率的影响规律,孔隙压力为2.5MPa～4MPa时,滑脱效应对渗透率影响较大,贡献率达到27.78%,随着孔隙压力的增大,贡献率逐渐下降至8.44%,在低孔隙压力条件下,滑脱效应影响更加明显,随着孔隙压力的增大,滑脱效应影响呈指数形式逐渐减小。     

不排水条件下土石混合料双轴压缩离散元模拟

基于离散单元法构建了考虑碎石形状的柔性边界不排水双轴压缩模型,研究了11组不同含石量土石混合料在不排水条件下的宏细观力学特性。研究发现,(1)土石混合料强度随含石量增加先增后减,含石量超过约60%时形成碎石骨架,强度快速增长;含石量约80%时强度和内摩擦角最大;含石量增加,混合料黏聚力逐渐减小。(2)不排水受载下,土石混合料孔隙水压力先正后负、先增后减。含石量较小时,含石量增加,混合料孔隙水压力变化较小,混合料在碎石骨架形成初期孔隙水压力增加;碎石骨架完全形成后最大孔隙水压力减小。(3)含石量小于约30%时,混合料应变局部化呈规则剪切带,随后含石量增加破坏规则剪切带,当含石量约为80%时,混合料再次形成规则剪切带。含石量增加,配位数逐渐减小,颗粒间接触力在含石量小于60%时随含石量增加缓慢增长,超过70%时则快速增长。     

掺合料混凝土早期碳化的微观分析

为探明掺合料混凝土早期碳化过程中微观性能的变化,通过测试pH值研究了掺合料混凝土早期碳化后内部pH值沿试件深度的分布规律;对比pH值和酚酞试剂测试结果的差异,探讨了酚酞试剂测试早期碳化测试方法的适用性;通过化学成分分析研究了早期碳化过程中物质成分的变化规律。研究表明:从表面向内部方向,混凝土试块pH值不断增大并稳定于一定值;随着掺合料掺量的增加,混凝土孔隙液的pH值沿着试件的深度方向减小,掺合料混凝土的碱性减弱,砂浆试件可碳化的Ca(OH)2含量减小;混凝土孔隙液的pH值随着养护时间的延长而逐渐增大,且其增大量随着试件深度的增加而减小;随着试验龄期的延长,表层混凝土孔隙液pH值逐渐减小,而混凝土内部孔隙液的pH值随试验龄期的延长变化不大;酚酞溶液测得的碳化深度约为pH值法测得的完全未碳化深度的0.53倍;沿砂浆试件表层向内部方向,CaCO3含量逐渐减小而Ca(OH)2含量逐渐增大,二者最终都趋于定值。