一种煤基质变形力学参数测试方法

摘要

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。

主权项

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。