汪家寨煤岩各向异性的力学特性研究_赵凌云.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022汪家寨煤岩各向异性的力学特性研究赵凌云1,2,魏元龙1,2,刘伟1,3,张雄3(1.复杂构造区非常规天然气评价与开发重点实验室,贵阳,550081;2.贵州省油气勘查开发工程研究院,贵阳,550081;3.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,400044)摘要:煤岩具有典型的层理构造,导致煤岩具有显著的各向异性特征。采集贵州大河边向斜区内汪家寨煤矿井下工作面 11 号原煤,制备了与层理面呈不同夹角(0/30/45/60/90)的煤岩试样,系统开展了超声波速测试、单轴和三轴压缩试验研究,从各个角度研究煤岩各向异性特征。结果表明:超声波速显示煤岩的各向异性明显,说明与层理不同夹角方向煤岩内部密实程度不同;单轴压缩试验下,抗压强度和弹性模量均表现出高度的角度效应,0和 90试样最高、45最低,整体呈近似“U”形分布;三轴压缩试验下,强度和变形也具有显著的角度效应,0和 90试样的峰值强度和峰值应变均较大,且均为穿层理剪切破坏,中间角度的强度和变形能力相对较弱,以顺层理或与层理呈小夹角剪切破坏为主;黏聚力和内摩擦角随层理交角大体呈两边高、中间低的变化趋势,其本质上反应的是基质与层理的抗剪性能差异;可以用横观各向同性模型表征煤岩的各向异性特征,并获得了 5 个独立参数。该研究揭示了汪家寨煤岩的各向异性的变形与强度特征,可为同类煤储层井壁稳定性评价、压裂设计及缝网扩展分析等提供重要理论依据及技术指导。关键词:原煤;各向异性;层理角度;强度和变形;横观各向同性中图分类号:TD313文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0603-08Study on the Mechanical Properties of Anisotropy of Wangjiazhai Coal-RockZhao Ling Yun1,2,Wei Yuan Long1,2,Liu Wei1,3,Zhang Xiong3(1.Key Laboratory of Unconventional Natural Gas Evaluation and Development in Complex Structural Area,Guiyang 550081,P.R.China;2.Guizhou Oil and Gas Exploration and Development Engineering Research Institute,Guiyang 550081,P.R.China;3.State Key Laboratory for Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,P.R.China)Abstract:Coal-rock has a typical bedding structure,which results in obvious anisotropy of coal-rock.No.11 raw coal was collected from Wangjiazhai Coal Mine in the syncline area of Dahebian,Guizhou,and coal samples with different angles(0/30/45/60/90)to bedding were prepared.To study the anisotropic characteristics of coal-rock from different angles,ultrasonic velocity tests,uniaxial and triaxial compression tests were systematically carried out.The results show that:Ultrasonic velocity has an obvious influence on the anisotropy of coal and rock,which indicates that the internal compactness degree of coal-rock at different angles is different.Under the condition of the uniaxial compression test,the compressive strength and elastic modulus show a great angular effect.The compressive strength of 0 and 90 samples is the highest,and the compressive strength of 45 收稿日期:2022-02-16(修改稿)作者简介:赵凌云(1986),男,贵州铜仁人,高级工程师,主要从事复杂区非常规天然气开发的研究与工程。E-mail:zhaolingyun-554 通讯作者:刘伟(1986),男,四川德阳人,博士,研究员,主要从事非常规天然气储层的渗流力学与岩石力学研究。E-mail:whrsmliuwei 基金项目:贵州省地质勘查基金项目(208-9912-JBN-UTS0);国家科技重大专项项目(2016ZX05044003-007)samples is the lowest,showing a U shape distribution.Under the condition of the triaxial compression test,the strength and deformation also have an obvious angular effect.The peak strength and peak strain of 0 and 90 specimens are larger,which are all destroyed by bedding shear.The strength and deformability of the middle corner are much weaker,mainly due to shear failure along with bedding or at a small angle to bedding.The cohesion and internal friction angle tend to be higher at both ends and lower at the middle with the increase of bedding intersection angle.In essence,it reflects the difference of shear properties between matrix and bedding.The transversely isotropic model can be used to characterize the anisotropy of coal and rock,and five independent parameters are obtained.The study reveals the anisotropic deformation and strength characteristics of Wangjiazhai coal-rock mass,which provides an important basis for coalbed methane fracturing design and reservoir reconstruction in this block and similar structural areas.Keywords:raw coal;anisotropic;bedding angle;Strength and deformation;transverse isotropy0前言我国煤层大多属于低渗储层,一般都需通过储层压裂改造,形成“人造”裂缝系统来提高渗透率,进而实现煤层气的商业开采1-3。贵州作为南方十四省唯一的产煤大省,其域内的上二叠统可采煤层的煤层气地质资源量高达 3.05 万亿立方米4。但贵州为扬子陆块级构造单元内的上扬子陆块级构造单元,经历了多期次的构造运动叠加,构造变形较为强烈,复杂的地质构造也是导致其煤层气勘探开发进程缓慢的原因。围绕贵州煤储层的构造、储层特性及压裂改造的研究,已成为支撑贵州未来煤层气大规模商业开发、缓解贵州煤矿安全瓶颈的重要基础。煤层属于沉积构造,一般具有显著的层理特性,导致其具有典型的各向异性。认识煤层的各向异性是制定煤层气开发方案的基础。一般的岩石都具有典型的各向异性,围绕岩石各向异性的研究,历来便是地质矿产及油气领域的重要方向。陈天宇等5利用试验手段研究了页岩力学各向异性与渗透各向异性;宫伟力等6结合 CT 扫描、图像处理研究了煤岩微、细观结构的各向异性;刘凯德等7研究了淮南矿区煤岩各向异性,及割理系统对各向异性的影响;李玉伟等8从试验手段研究了煤岩的抗压强度、弹性模量及泊松比等的各向异性;衡帅等9基于变角度直剪试验,研究了龙马溪页岩的各向异性。姚家李等10以片麻岩为研究对象,对垂直和平行层理的岩样分别进行了点荷载试验和单轴压缩试验,分析片麻岩在这两种试验下的各向异性力学特性,并研究其点荷载强度与单轴抗压强度之间的相关性,得出了在点荷载和单轴压缩试验中,片麻岩的各向异性力学特征表现得十分明显,垂直层理的强度明显大于平行层理的强度。张伯虎等11通过不同层理角度页岩试样的单轴、三轴压缩试验和超声波试验,研究了页岩力学参数的各向异性特征,揭示了其力学性能和强度特征。向前等12在各向异性材料的弹性本构的基础上,基于应变迭加原理推导了贯穿节理岩体变形的等效弹性本构模型。应用该等效本构模型,分析了含有一组节理、两组节理和三组节理正交的空间各向异性。刘小平等13利用弹性矩阵系数,识别出覆岩“三带”各向异性为 HTI 介质属性,计算出不同深度岩体的各向异性参数及工程力学参数,对比分析了覆岩“三带”与各向异性参数、工程力学参数之间的关系。研究成果使岩体力学及勘探地震学正演计算不再依赖目标介质各向异性类型,开辟了岩体工程力学特性研究的新方向。Xiao 等14研究了神华亚烟煤(SH)的低温氧化性能和氧吸附增重动力学。采用热重试验研究了不同粒径、不同升温速率、不同煤种的煤在低温氧化过程中的氧吸附质量阶段。Wang 等15为充分认识煤渗透性有效孔隙度和应力敏感性的各向异性规律,考虑煤层天然裂缝分布的影响,建立了改进的渗透率模型及相应的应力敏感性各向异性评价指标。基于塔山煤矿获得的各向异性煤样,系统评价了不同应力条件下 3个正交方向的有效孔隙度和渗透率,定量分析了渗透率 应 力 敏 感 性 的 各 向 异 性 演 化 规 律。Zhang等16对 120 个不同煤田的矿井水样进行了水文地球化学分析,并对其饮用水、生活用水和灌溉用水进行了水质评价。一些学者17-18通过单三轴试验、冲击荷载和声发射试验结合能量耗散理论和损伤本构模型建立对煤岩力学特性、能量演化规律和406地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷损伤特征进行了研究。部分学者19-20对煤岩组合体开展了力学实验研究,揭示了倾角不同的煤岩组合体强度和变形破坏特征和得出煤岩组合体破坏过程的能量传递机制较好地揭示了岩石组分破坏的滞后现象。杜学领21为获得贵州西部六盘水地区煤系地层的特征,采用文献调研和统计的方法,对六盘水地区 15 座高产矿