循环荷载下深部低渗砂岩的渗透率演化规律研究

论文摘要

随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。岩石的基本物理力学性质随着深度的增加而变化,与浅部岩石相比,深部岩石的力学性质更加复杂,面临的工程风险也更大。砂岩是煤矿开采中最常见的岩石种类之一,研究其力学性质及渗透规律对矿产资源开采及深部空间开发利用等都具有重要意义。本文以埋深约1050 m的平煤12矿顶板砂岩以及同等应力条件下的人工砂岩为研究对象,通过围压加卸载渗透实验、轴压循环加卸载渗透实验以及CT扫描等实验,综合利用耗散能理论、分形理论、岩石损伤理论等,系统研究了深部低渗砂岩的渗透演化规律,并进一步建立应力及损伤的渗流模型。本文的研究工作主要包括以下六个方面:（1）人工砂岩制作。人工砂岩具有组成成分、物理力学性质以及孔隙结构可控的优点,易于得到实验所需性质的岩石样品。本文人工砂岩采用高压胶结的方法制作,主要材料为100-200目细粒、70-140目粗粒及60-70目大粒三种粒径范围的石英砂以及常见的蒙脱石黏土与伊利石黏土。高压胶结的粘结剂选用环氧树脂,压制应力参照深部工作面最大地应力状态设置为40 MPa。黏土与石英砂配比以质量分数为基准,分为黏土占总质量的5%、10%、15%、20%、25%、30%共六种。（2）砂岩力学性质分析及孔隙结构特征研究。岩样的物理力学性质及孔隙结构特征对获取岩石在循环荷载下的渗透率演化规律具有重要意义。采用X衍射实验测量得到顶板砂岩的物质组成,通过单轴、三轴压缩实验得到岩样的力学参数,使用覆压渗透仪测量得到岩样的孔隙度及渗透率,利用CT扫描实验得到岩样的灰度分布情况以及孔隙结构特征,使用高压压汞实验获取了岩样的孔喉半径特征。为岩样在循环荷载下的渗透率演化规律的研究提供参数支持。（3）砂岩三轴围压加卸载渗透实验研究。采用TOP三轴实验系统进行人工砂岩在相同应力路径下的围压加卸载气体渗透实验。实验使用氮气作为渗流流体,在渗透压力1 MPa,轴压1 MPa,围压加卸载路径为4→5→4 MPa的应力条件下,得到了不同黏土含量的人工岩样力学性质及渗透率随围压的变化规律。结合达西定律与泊肃叶定律,建立了渗透率与围压关系模型。结果表明,岩样黏土含量较低时渗透率与围压满足幂律型关系;黏土含量较高时渗透率与围压满足负指数型关系。围压的压密作用能够使岩样的应力应变关系曲线向线性变化,表现为渗透率与围压从负指数关系向幂律关系转化。（4）砂岩三轴轴压循环加卸载声发射渗透实验研究。循环加卸载声发射渗透实验是研究岩石在应力作用下渗透率演化规律的有效手段,本文采用MTS815力学实验系统对深部工作面顶板砂岩进行了三轴循环加卸载声发射渗透实验,结果表明:应力对岩石的作用机制可以分为压密作用与压裂作用两种,应力水平较低的循环中主要表现为压密作用,渗透率随应力的增大而降低。当应力增大到屈服强度的60%时其主要起压裂作用,此时渗透率随应力的增大小幅提升。循环加卸载过程中渗透率与应力-应变特征、耗散能密度在循环加卸过程中的占比以及累计声发射事件数都具有显著的演化规律。渗透率在循环荷载下具有四个阶段特征:渗透率先因较低应力的压密作用减小,后由较大应力的压裂作用小幅增大,在破坏阶段骤增,破坏后再因应力的压密作用降低。（5）循环荷载下砂岩损伤与渗透率演化规律研究。基于声发射分形维数和岩石压缩参数对渗透率的演化规律进行研究。结果表明:循环荷载下岩石声发射具有分形特征,其中声发射b值与关联维数的变化情况能够表征岩石的损伤。当声发射分形值增大时表明岩石处于压密阶段,损伤不明显,此时渗透率表现为降低;声发射分形值突降时表明岩石发生损伤,此时渗透率表现为大幅上升。引入弹性模量定义的压缩参数表征岩石的压密及损伤状态,通过建立弹性模量与孔隙度关系模型进一步推导出渗透率与压缩参数之间的关系模型。（6）砂岩分形渗流模型研究。基于CT扫描及图像处理,得到分形渗流模型下人工砂岩与顶板砂岩的渗透率,对分形渗流模型进行了验证与研究。结果表明:由孔裂隙结构分形渗流模型得到的渗透率与围压演化规律与实验结果一致,使用孔隙结构分形模型计算得到的顶板砂岩岩样渗透率与实验值较为接近,说明采用CT图像处理的方法利用孔裂隙结构分形渗流模型研究岩石的渗透率是可行的。

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摘要

Abstract

1 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩石力学性质实验研究现状

1.2.2 渗透率与应力关系实验研究

1.2.3 人工砂岩制作研究现状

1.2.4 渗透率模型研究现状

1.3 研究内容

1.4 技术路线

2 深部顶板砂岩与人工砂岩性质研究

2.1 顶板砂岩及人工砂岩岩样制备

2.1.1 顶板砂岩取样

2.1.2 顶板砂岩岩芯加工

2.1.3 顶板砂岩尺寸及密度测量

2.1.4 顶板砂岩成分分析

2.1.5 人工砂岩制作

2.2 岩样性质的实验研究

2.2.1 物理力学性质研究

2.2.2 孔隙及结构性质研究

2.3 顶板砂岩与人工砂岩的深部低渗性质分析

2.3.1 顶板砂岩性质

2.3.2 人工砂岩性质

2.3.3 顶板砂岩与人工砂岩性质对比

2.4 本章小结

3 围压循环荷载下人工砂岩渗透率演化规律的实验研究

3.1 实验方法与步骤

3.1.1 实验仪器及实验样品

3.1.2 渗透率测量方法

3.1.3 实验步骤

3.2 人工砂岩围压加卸载应力-应变特征

3.3 围压加卸载-渗透率演化规律

3.3.1 围压与渗透率关系模型

3.3.2 实验结果与分析

3.4 本章小结

4 轴压循环荷载下深部顶板砂岩渗透率演化规律研究

4.1 实验方法与步骤

4.2 实验结果与分析

4.2.1 渗透率随应力-应变的演化规律

4.2.2 渗透率与能量特征演化规律

4.2.3 渗透率与累计声发射事件数演化规律

4.2.4 破裂面形式及围压对渗透率的影响

4.3 轴压循环加卸载下渗透率的演化规律

4.4 本章小结

5 顶板砂岩循环荷载下渗透率与损伤关系模型

5.1 声发射分形特征的变化情况表征损伤

5.1.1 声发射b值

5.1.2 声发射关联维数

5.1.3 渗透率与声发射b值及关联维数分形特征的演化规律

5.2 弹性模量表征损伤

5.2.1 岩石等效单元模型

5.2.2 弹性模量与孔隙度关系模型

5.2.3 弹性模量孔隙度关系模型验证

5.2.4 弹性模量与孔隙度演化阶段特征

5.2.5 基于弹性模量的压缩参数表征损伤

5.3 基于弹性模量的压缩参数表征损伤与渗透率演化规律

5.4 本章小结

6 基于孔裂隙结构分形特征的渗流模型研究

6.1 孔裂隙结构分形渗流模型

6.2 分形渗流模型在人工砂岩孔隙结构中的应用

6.3 分形渗流模型在顶板砂岩裂隙结构中的应用

6.3.1 CT扫描试验

6.3.2 CT图像处理

6.3.3 孔裂隙结构CT图像重构

6.3.4 分形维数计算结果

6.3.5 孔裂隙分形特征与渗透率关系

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵阳

导师: 周宏伟

关键词: 砂岩,渗透率,循环加卸载,扫描,声发射

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: TU45

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000067

总页数: 142

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