Estudio experimental sobre la mecánica uniaxial de muestras de carbón saturadas de agua basado en la simulación de fractura de vetas de carbón

Proyectos de financiación: Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Nº 41030422; 40972131) Proyecto del Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo Básico (973) (Nº 2009); b 219601); Proyecto Principal Nacional de Ciencia y Tecnología (2009 zx 05039-003); Proyecto Prioritario Estratégico de Ciencia y Tecnología de la Academia de Ciencias de China (proyecto xda 05030100 financiado por el Fondo de Doctorado de la Universidad de Ingeniería de Hebei);

Acerca del autor: Yan Zhifeng, nacido en 1969, hombre, becario postdoctoral en Handan, provincia de Hebei, se dedica desde hace mucho tiempo a la geología energética y la geología estructural. Correo electrónico: yanzf@gucas.ac.cn.

(1. Facultad de Ciencias de la Tierra, Escuela de Graduados de la Academia China de Ciencias, Beijing 1000492. Facultad de Energía, Universidad de Geociencias de China, Beijing 100083).

Resumen: Para simular el efecto de la fracturación hidráulica de yacimientos de carbón, se realizaron pruebas de compresión uniaxial convencionales y pruebas de emisión acústica en condiciones de saturación sobre muestras de carbón. El análisis de los resultados muestra que en condiciones de compresión uniaxial convencionales, existen diferencias direccionales en las propiedades mecánicas del carbón en planos paralelos. La resistencia a la compresión última uniaxial en la dirección de escisión de los planos paralelos es mucho mayor que la resistencia a la compresión última uniaxial en la dirección de escisión. de planos verticales, su módulo elástico también es mucho mayor. El módulo elástico e en la dirección de escisión vertical de la muestra de carbón aumenta con el aumento de la resistencia a la compresión última uniaxial σc, y la correlación es alta. El módulo elástico e en la dirección de escisión paralela aumenta al aumentar la resistencia a la compresión, pero de forma discontinua. Bajo compresión uniaxial, las curvas tensión-deformación completas de las muestras de carbón se pueden resumir en tres tipos.

Palabras clave: prueba de compresión uniaxial, propiedades mecánicas, división anisotrópica de agua saturada

Prueba mecánica uniaxial de muestras de carbón saturadas de agua para simular la fractura de la veta de carbón

Yan Zhifeng 1 Ju Yiwen 1 HOU Quan Lin 1 Tang Shuheng 2

(1. Escuela de Ciencias de la Tierra, Escuela de Graduados de la Academia China de Ciencias, Beijing 100049 2. Escuela de Energía, Universidad de Geociencias de China (Beijing), Beijing 100083

Resumen: Para simular el efecto de la fracturación hidráulica de yacimientos de carbón, se realizaron pruebas de compresión uniaxial convencionales y pruebas de emisión acústica en muestras de carbón saturadas de agua. Los resultados muestran que las propiedades mecánicas son paralelas. El plano del carbón tiene diferencias direccionales. En condiciones de compresión uniaxial convencionales, la resistencia a la compresión última uniaxial en la dirección del listón del plano paralelo es mucho mayor que la resistencia a la compresión última uniaxial en la dirección vertical, y lo mismo ocurre con el módulo de elasticidad del carbón. la resistencia a la compresión aumenta, pero la correlación es mayor en la dirección perpendicular de la cornamusa y la dispersión es mayor en la dirección paralela. La forma completa de la curva tensión-deformación mostrada por la deformación de la muestra de carbón bajo compresión uniaxial se puede resumir aproximadamente en tres. tipos

Palabras clave: prueba de compresión uniaxial; propiedades mecánicas; contenido de agua saturada; cuña

1 Introducción

El metano del lecho de carbón es un gas no convencional almacenado en el carbón. vetas El gas natural, la mayor parte del cual contiene más del 90% de CH4, es una energía de gas natural limpia y de alta calidad (Shan, 2005). Según los resultados de la nueva ronda nacional de metano de yacimientos de carbón, China es rica. Evaluación de recursos, hay vetas de carbón en 19 cuencas carboníferas importantes en China. La cantidad de recursos de gas potenciales se estima en 36,8 billones de m3, lo que es adecuado para la exploración de metano en capas de carbón dentro del rango de profundidad de entierro de 300 a 2000 mm. Existe principalmente en la veta de carbón en estado adsorbido, y una pequeña cantidad existe en los poros y fracturas en estado libre (Smith D M, 1984). En términos de estructura de poros, la estructura de poros del carbón se puede dividir en poros de fisuras y. poros del lecho de roca. La gente también está acostumbrada a llamar al sistema de fisuras endógenas en la escisión de la roca de carbón. Entre ellos, los listones planos tienen buena continuidad. Es la grieta principal del carbón. Es una grieta que es básicamente perpendicular a los listones planos. Solo se desarrolla entre dos listones planos y divide el lecho de roca en varios bloques de roca oblongos (Li, 2004 /p>

Las vetas de carbón de alta permeabilidad tienden a tener una mayor producción de gas, mientras que las vetas de carbón de baja permeabilidad tienen una menor producción de gas). La estimulación por fracturación hidráulica es el método principal para aumentar la producción de pozos de metano en yacimientos de carbón en el país y en el extranjero. Sin embargo, los yacimientos de metano en yacimientos de carbón de mi país tienen una baja producción de gas, y en general son yacimientos de carbón de baja permeabilidad. la permeabilidad de las vetas de carbón en mi país es en su mayoría inferior a 50×10-3μm2 (Zhang Qun, 2001). Por lo tanto, el método de terminación más utilizado para los pozos de metano de lechos de carbón en China es la terminación por fractura. Las características litológicas de las vetas de carbón son muy altas. diferentes de las de la arenisca, y las reglas de propagación de grietas en las vetas de carbón también son diferentes de las de la arenisca. Para comprender las características de fractura y los efectos de fractura de las vetas de carbón, es necesario simular la fractura de las vetas de carbón y estudiar la mecánica. Propiedades de las vetas de carbón. Realizar investigaciones.

A través de investigaciones experimentales sobre las propiedades mecánicas del carbón y la roca, se descubrió que el carbón y la roca tienen un efecto de tamaño, es decir, el tamaño del carbón y la roca afecta los resultados de las pruebas. Daniel y Moor señalaron en 1907 (Daniels J, 1907) que el límite elástico de un cubo pequeño es mayor que el de un cubo grande. Cuando el área de la base permanece constante, su límite elástico disminuye a medida que aumenta la altura del bloque de prueba. Bunting (Bunting m. 1911) también estudió el efecto del tamaño del carbón y la roca. Hirt y Shakoor (Hirt A M, 1992), Med-Hurst y Brown (Med Hurst T P, Brown E T A, 1998), (1997), Liu · (1998), Jin ·.

Dado que los resultados de las pruebas de propiedades mecánicas uniaxiales están restringidos por factores como el tamaño y la forma, existen ciertos requisitos para el procesamiento de muestras cuando se realizan pruebas de compresión uniaxial en rocas. La pieza de prueba generalmente se convierte en un cilindro, con un diámetro de 48 ~ 54 mm y una relación altura-diámetro de 2,0 ~ 2,5. La cara del extremo de la pieza de prueba es lisa y plana, y ambos extremos son paralelos y perpendiculares. el eje.

2 Descripción del método de prueba

Bajo la acción de una tensión de compresión uniaxial, el carbón sufrirá compresión longitudinal y expansión transversal. Cuando la tensión alcanza un cierto nivel, el volumen del macizo rocoso comenzará a expandirse, causando grietas iniciales, y luego las grietas continuarán desarrollándose, lo que eventualmente conducirá a la falla (Yan Lihong, 2001). Para evitar la influencia de otros factores, se utiliza la misma muestra, se pegan galgas extensométricas y el valor de deformación se mide con galgas extensométricas de resistencia durante la prueba de resistencia.

2.1 Preparación de la muestra de carbón y método de prueba

La muestra de carbón experimental se tomó de la veta de carbón número 3 de la mina de carbón Sihe del Grupo Jinmei en la cuenca sur de Qinshui. Los métodos de preparación y prueba de muestras de carbón se basan en la República Popular China y en el estándar de la industria nacional "Especificaciones de prueba de rocas para la conservación del agua y la ingeniería hidroeléctrica (SL264-2001)" (República Popular China y Ministerio de Recursos Hídricos. 2001). ), así como el laboratorio de la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas y los "Métodos recomendados para pruebas de mecánica de rocas" de campo proporcionados por el Comité de Estandarización de Pruebas (Zheng Yutian, 65438). Se perforó una muestra cilíndrica con un diámetro de 50 mm y una altura de 100 mm a partir de un gran bloque de carbón a lo largo del plano del lecho. La dirección axial de la muestra de carbón era paralela al plano del lecho de roca de carbón. Para estudiar la diferencia en las propiedades mecánicas de las rocas de carbón en las direcciones de escisión del plano paralelo y del plano vertical, se prepararon dos conjuntos de muestras de carbón. Un grupo de muestras de carbón es paralelo a la dirección de escisión, con 10 muestras numeradas DP 1-DP 10; el otro grupo de muestras de carbón es perpendicular a la dirección de escisión, con 10 muestras numeradas DC1-DC10. Antes de las pruebas, las muestras de carbón se trataron con agua saturada (durante 48 horas). El equipo experimental de un solo eje es la máquina de prueba universal de pantalla controlada por microcomputadora WEP-600. El equipo de registro es un sensor de presión de 30 toneladas y un registrador programable 7V14. El equipo de procesamiento de datos es la computadora Lenovo Tianyang E4800 y su correspondiente trazador e impresora. Antes del trabajo experimental, se probaron las propiedades físicas de las muestras de carbón y se saturaron con agua. Las condiciones de prueba de compresión uniaxial de muestras de carbón se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1 Condiciones de la muestra de carbón

2.2 Fórmula de cálculo

Fórmula de cálculo de la resistencia a la compresión uniaxial

Progreso de la tecnología de metano de lecho de carbón de China: Actas de 2011 de el Simposio Académico sobre Metano de Capas de Carbón.

Donde: σc es la resistencia a la compresión uniaxial del carbón y la roca, MPaPmax es la carga máxima de falla de la muestra de carbón y roca, n es el área de compresión de la muestra, mm2.

Fórmulas de cálculo del módulo elástico e y relación de Poisson μ:

Progreso en la tecnología de metano de capas de carbón de China: Actas del Simposio académico sobre metano de capas de carbón de 2011.

En la fórmula: e es el módulo elástico de la muestra, GPaσc(50) es el 50% de la resistencia a la compresión uniaxial de la muestra, MPaεh(50) es la compresión axial correspondiente en σc(50) Deformación; εd(50) es la deformación de tracción radial correspondiente en σc(50); μ es la relación de Poisson.

3 Resultados y análisis de las pruebas

3.1 La dirección del eje de carga tiene un impacto significativo en la resistencia a la compresión σc y el módulo de elasticidad del carbón.

Los datos de los resultados de la prueba se muestran en la Tabla 2. Se puede ver en la tabla que la resistencia a la compresión última uniaxial en la dirección de escisión del plano paralelo es mucho mayor que la resistencia a la compresión última uniaxial en la dirección de escisión del plano vertical, y su módulo elástico también es mucho mayor. La resistencia a la tracción promedio es 2/3 mayor y el módulo de elasticidad es el doble. Esto muestra que incluso al nivel del carbón paralelo, sus propiedades mecánicas son direccionales y sus valores son significativamente diferentes en diferentes direcciones.

Tabla 2 Resultados de la prueba de resistencia a la compresión uniaxial de muestras de carbón

Nota: DP9 se fracturó a lo largo de la superficie de fractura y no participó en el análisis de propiedades mecánicas.

El carbón es una roca sedimentaria y el entorno de formación y la edad de la misma veta de carbón son los mismos dentro de un área pequeña. Se puede considerar que la composición y calidad del carbón son uniformes en el plano de pequeña escala paralelo al carbón, y los cambios son muy pequeños, por lo que la diferencia en las propiedades mecánicas a lo largo del plano tiene poco que ver con la calidad y composición del carbón. el carbón. Se especula que la razón es que la tensión tectónica es direccional y tiene diferentes magnitudes en diferentes direcciones, por lo que el carbón en diferentes direcciones está sujeto a diferentes tensiones in situ, lo que resulta en diferentes estructuras de carbón en diferentes direcciones, mostrando así diferentes propiedades mecánicas en direcciones diferentes. Cuando la tensión es relativamente alta, las direcciones grandes pueden exhibir una mayor intensidad. Bajo la acción de fuerzas tectónicas, es más probable que se desarrollen grietas a lo largo de la dirección de la tensión principal máxima, y ​​el grado de desarrollo debería ser bueno, pero el grado de desarrollo a lo largo de la dirección de la tensión principal mínima es pobre. Las grietas bien desarrolladas tienden a formar escisiones superficiales, por lo que la resistencia a la compresión y el módulo elástico en la dirección paralela a la escisión de la superficie son altos, mientras que la resistencia a la compresión y el módulo elástico en la dirección perpendicular a la escisión de la superficie son relativamente pequeños.

3.2 La relación entre la resistencia a la compresión última uniaxial del carbón y la roca y otras propiedades

La Tabla 2 muestra que la resistencia a la compresión de las muestras de carbón es discreta ¿Cuáles son los factores que influyen? ¿Cuáles son los efectos de la densidad del carbón y el contenido de humedad sobre la resistencia a la compresión uniaxial? El análisis es el siguiente:

La Figura 1-a muestra la relación entre la resistencia a la compresión última σc y la densidad saturada ρ w. Se puede ver en la figura si es el grupo C, el grupo P o. En todas las muestras, el bloque de carbón La resistencia a la compresión última tiene una tendencia a aumentar con el aumento de la densidad saturada, lo que indica que la resistencia a la compresión tiene una tendencia a aumentar con el aumento de la densidad saturada.

Figura 1 σc y otras propiedades

La Figura 1-b muestra la relación entre la resistencia a la compresión última σc y la tasa de absorción de agua saturada ω s. En la figura se puede ver que el Grupo C. prueba La resistencia a la compresión de la muestra tiende a disminuir con el aumento de la absorción de agua saturada, mientras que la correlación entre la resistencia a la compresión uniaxial y la absorción de agua saturada de la muestra del grupo P es muy baja. Por lo tanto, se puede considerar que la saturada. La tasa de absorción de agua tiene un efecto importante en la muestra del grupo p. Sin impacto. Se puede observar que el aumento en la absorción de agua saturada reduce la resistencia a la compresión en la dirección vertical, pero tiene poco efecto sobre la resistencia a la compresión última uniaxial en la dirección paralela.

La Figura 1-c muestra la relación entre la resistencia a la compresión última uniaxial σc y el módulo elástico e. Se puede ver en la figura que la resistencia a la compresión última uniaxial σc y el módulo elástico del grupo C hay una. correlación positiva obvia entre e, es decir, la resistencia a la compresión última uniaxial perpendicular a la dirección de escisión de la superficie aumenta con el aumento del módulo elástico, mientras que existe una correlación positiva lineal obvia para las muestras en el grupo P., es decir, la resistencia última uniaxial La resistencia a la compresión σc paralela a la dirección de escisión de la superficie aumenta con el aumento del módulo elástico e, pero la discreción es grande.

La Figura 1-d muestra la relación entre la resistencia a la compresión última uniaxial σc y el índice de Poisson μ. Se puede ver en la figura que existe una correlación negativa obvia entre la resistencia a la compresión uniaxial de la muestra del grupo C y la relación de Poisson. Es decir, la resistencia a la compresión uniaxial perpendicular a la escisión del plano aumenta con la relación de Poisson. aumentando mientras que la correlación de las muestras del grupo P es muy baja, es decir, la resistencia a la compresión última uniaxial σc paralela a la dirección de escisión del plano no tiene nada que ver con el cambio de la relación de Poisson.

3.3 Relación entre el módulo elástico y otras propiedades

La Figura 2-a muestra la relación entre el módulo elástico e y el índice de Poisson μ. Se puede ver en la figura que la correlación entre las muestras del grupo C, las muestras del grupo P y todas las muestras no es obvia. Los resultados muestran que los cambios en el módulo elástico y el índice de Poisson no se afectan entre sí.

Figura 2 La relación entre el módulo elástico E y otras propiedades

La Figura 2-b muestra la relación entre el módulo elástico e y la densidad saturada ρ w. Como se puede ver en. En la figura, independientemente de si es el grupo C o el grupo P, la correlación entre el módulo elástico de la muestra y la densidad saturada es muy débil y puede considerarse irrelevante. Se puede observar que el módulo elástico no se ve afectado por cambios en la densidad saturada.

La Figura 2-c muestra la relación entre el módulo elástico e y la tasa de absorción de agua saturada ω s. Se puede ver en la figura que el módulo elástico de la muestra del grupo C tiene una alta correlación con el. tasa de absorción de agua saturada, que muestra que existe una correlación negativa obvia, mientras que la correlación de las muestras del grupo P es muy baja y casi irrelevante; Dado que las muestras del Grupo C están dominadas por grietas verticales y axiales, la deformación por compresión de la muestra de carbón es igual a la deformación de la roca de carbón más la deformación del agua. El agua es líquida y se deforma fácilmente bajo presión. Bajo la condición de presión constante, la deformación aumenta con el aumento del contenido de agua, lo que resulta en una mayor deformación axial, lo que hace que el módulo elástico de las muestras de carbón del Grupo C disminuya con el aumento del contenido de agua. Sin embargo, las grietas del grupo P son principalmente paralelas a la dirección axial.

Aunque las grietas se llenan completamente con agua cuando el contenido de agua está saturado, debido a que el contenido de agua es muy pequeño, es principalmente la roca de carbón la que soporta la presión, y la deformación también está determinada por la roca de carbón misma, por lo que su relación con el contenido de agua no es obvio.

3.4 La relación entre la relación de Poisson y otras propiedades

Como se puede ver en la Figura 3-a, la relación de Poisson y la densidad saturada de las muestras del grupo C, las muestras del grupo P y todas las muestras son Los diagramas de dispersión entre ellos son relativamente discretos y la correlación es muy baja, es decir, irrelevante.

Como se puede ver en la Figura 3-b, la correlación entre el índice de Poisson y la tasa de absorción de agua saturada de las muestras del grupo C, las muestras del grupo P y todas las muestras es baja y puede considerarse irrelevante.

3.5 Tipo de curva tensión-deformación completa de carbón y roca bajo compresión uniaxial

La curva tensión-deformación completa de una muestra de roca desde el inicio de la compresión hasta la pérdida completa de su La fuerza se denomina curva tensión-deformación completa de la roca (Instituto de Arquitectura e Ingeniería de Chongqing, 1979). Un gran número de experimentos de compresión uniaxial de rocas muestran que las formas de las curvas tensión-deformación antes de la falla de la roca son generalmente similares y generalmente se pueden dividir en tres etapas: compactación, deformación elástica, transición a la plasticidad y falla.

El carbón es una roca orgánica sólida combustible. Debido a los diferentes materiales que forman el carbón y la diversidad de entornos de acumulación de carbón, la composición de la roca y las características estructurales del carbón son más complejas. Por lo tanto, bajo condiciones de compresión uniaxial, los mecanismos de deformación y falla de las muestras de carbón y las formas de las curvas tensión-deformación completas son diversos y pueden resumirse aproximadamente en tres tipos.

3.5.1 Tipo de explosión

La etapa de compactación de la curva tensión-deformación no es obvia, y la etapa de deformación inelástica acelerada es muy corta. La curva presenta principalmente una línea recta en la etapa de deformación elástica lineal obvia hasta que se destruye, como se muestra en la Figura 4-A. Las muestras de carbón con características de curva tensión-deformación completa de tipo estallido suelen ser uniformes, fuertes y frágiles, y sus características. resistencia a la compresión Generalmente mayor. Durante todo el proceso de deformación por compresión, la muestra de carbón acumula una gran cantidad de energía de deformación elástica, mientras que la energía de deformación permanente disipada por la deformación plástica es relativamente pequeña. Por lo tanto, cuando la tensión externa se acerca a su resistencia máxima y se destruye, una gran cantidad de energía de deformación elástica acumulada en la roca de carbón se liberará repentina y violentamente con un ruido fuerte, formando un pico de emisión acústica.

Figura 3 La relación entre el índice de Poisson μ y la absorción de agua saturada ωs

Figura 4 Curva de relación tensión-deformación de muestras de carbón y roca

Tipo de fractura

p >

Cuando la tensión es baja, hay una etapa de compactación tortuosa. Cuando la tensión aumenta a un cierto valor, la curva tensión-deformación pasa gradualmente a una etapa de deformación elástica lineal obvia y finalmente se convierte en una deformación inelástica acelerada; Etapa de deformación, hasta que se produce la falla, como se muestra en la Figura 4-B. A medida que aumenta la carga, la estructura de tensión de la muestra de carbón cambia gradualmente y al mismo tiempo se produce una falla por tracción local, pero el conjunto permanece intacto. Se acumula cierta cantidad de tensión durante el proceso de deformación. Cuando la tensión externa se acerca a su resistencia a la compresión, es decir, cuando se produce una deformación acelerada del carbón y la roca, la energía de deformación elástica acumulada en el carbón y la roca se libera repentinamente, lo que da como resultado un alto valor de emisión acústica y la intensidad de la emisión acústica se vuelve muy alta. bajo cuando está dañado.

Tipo estable

La etapa de compactación de la curva tensión-deformación no es obvia, la etapa de deformación elástica lineal aparente es una línea recta ligeramente convexa y la etapa de deformación inelástica acelerada es más larga. , como se muestra en la figura Como se muestra en 4-c.. A medida que aumenta la carga, la estructura de tensiones de la muestra de carbón cambia gradualmente y al mismo tiempo se produce una falla por tracción local. Se libera la energía de deformación elástica acumulada durante el proceso de deformación. , formando un pico de tasa de conteo de timbres, y luego disminuye rápidamente, comienza a aparecer un nuevo pico de tasa de conteo de timbres durante la etapa de deformación inelástica acelerada, y aparece otro pico de tasa de conteo de timbres cuando se acerca la falla. La intensidad de la emisión acústica se vuelve muy baja durante la destrucción.

4 Conclusiones

A través de la prueba mecánica del carbón No. 3 en la mina de carbón Sihe, cuenca Qinshui, se pueden extraer las siguientes conclusiones:

(1) Las características individuales del carbón y la roca Las propiedades mecánicas, como la resistencia a la compresión axial y el módulo de elasticidad, tienen diferencias direccionales en el plano paralelo a la veta de carbón. La resistencia a la compresión última uniaxial en la dirección de escisión paralela es mucho mayor que en la dirección de escisión perpendicular, y su módulo elástico también es mucho mayor.

(2) La resistencia a la compresión última σc del carbón aumenta con el aumento de la densidad saturada ρw; la resistencia a la compresión última σc disminuye con el aumento de la absorción de agua saturada ωs perpendicular a la dirección del plano de escisión. que tiene que ver con la absorción de agua saturada en la dirección paralela al plano de escisión; la resistencia a la compresión última uniaxial σc aumenta con el aumento del módulo elástico E, y tiene una alta correlación en la dirección perpendicular a la escisión, y en la dirección paralela al clivaje Hay mayor dispersión en dirección. La resistencia a la compresión última uniaxial σc disminuye con el aumento del índice de Poisson μ en la dirección secante perpendicular, pero no tiene nada que ver con el índice de Poisson en la dirección secante paralela.

(3) El cambio del módulo elástico E no se ve afectado por los cambios en la relación de Poisson, ni por la densidad saturada, el módulo elástico en la dirección de escisión vertical aumenta con el aumento de la absorción de agua saturada ωs; Y disminuye, mientras que el módulo elástico paralelo a la dirección de escisión no tiene nada que ver con la absorción de agua saturada.

(4) El cambio del ratio de Poisson μ no se ve afectado por el cambio de densidad saturada, ni tampoco se ve afectado por el cambio de absorción de agua saturada ω s..

(5 ) Compresión uniaxial En estas circunstancias, la curva tensión-deformación completa de las muestras de carbón se puede resumir en tres tipos: (1) tipo explosión; (2) tipo ruptura; (3) tipo estable;

Referencia

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