[发明专利]一种煤基质变形力学参数测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤的力学参数测定方法，尤其涉及三轴应力条件下煤多孔隙结构中基质块的变形特征及其力学参数的测定方法。

背景技术

气体运移引起煤体变形是研究煤层气抽采、煤与瓦斯突出和温室气体的地质封存的关键问题。由于煤储层不仅包含相互正交的割离(裂隙)系统，还包括多种尺度的微孔隙，这种复杂的孔隙结构赋予煤储层具有与常规天然气储层有明显不同传导特性，主要表现为：(1)低渗透性；(2)对甲烷与二氧化碳气体有强吸附性；(3)吸附气体解吸引起煤基质收缩。一般认为煤层气体运移以两种形式进行：一种是在裂隙系统进行的渗流过程；另一种是在煤基质中发生气体吸附与扩散过程。煤体变形是控制渗透率变化的主控因素，在孔隙压力不变外部应力增加或卸载会使煤中由有效应力变化引起的裂隙张开或闭合。但是由于煤层气体具有很强吸附性，能导致煤基质的膨胀或收缩，使煤基质与裂隙相互作用变的更为复杂。

目前观测煤样的整体变形的常规测试方法，一般采用引伸计或位移计，测试原理是将煤体中有效应力状态直接简化为总应力与孔隙压力的差值。这种测试方法忽视了气体在流动过程中孔隙压力或者有效应力对煤孔隙结构的影响。因为气-固吸附的界面现象可以在短时间内完成，对煤体变形造成短期影响。然而煤基质的气体扩散同样可以引起煤的孔隙压力变化，进而改变煤体渗透率。目前多数研究工作将煤层的渗透率归结于裂隙的渗透率，忽视了煤基质变形对渗透率影响。

因此，为深入研究煤-气耦合问题，很需要一种确定煤基质块的变形参数测试方法。

发明内容

本发明的目的是为获取在位移约束条件下注气导致煤体变形演化特征及其力学参数，提出一种确定煤基质块的变形力学参数测试方法，变形力学参数包括煤基质体积模量及其孔隙压力变化量。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种煤基质变形力学参数测试方法，具体测试步骤如下：

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；记录渗流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，从曲线图可以得到渗流结束时，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，从曲线图可以得到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；

ν_⊥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；