晋城凤凰山矿 15 号煤层顶板石灰岩渗透特

晋城凤凰山矿 15 号煤层顶板石灰岩渗透特 豆丁网 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 与论文:www.docin.com/week114 晋城凤凰山矿 15 号煤层顶板石灰岩渗透特 性研究 1,21,21,21,2张朋，王建华，黄温钢，王作棠 5 (1. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点试验室，江苏 徐州 221116; 2. 中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116) 摘要:煤炭地下气化要求煤层顶板具 有一定的隔水隔气效果，以避免气化炉在运行过程中发 生的淹水或漏气事故。为了解凤凰 山矿 15 号煤层 K2 石灰岩顶板的渗透性，对该岩层的岩 石试件进行了伺服渗透试验，获得 了岩石的渗透率—应变关系及应力—应变关系， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了全 10 应力—应变过程中岩石渗透性随变形的变化特征。结果表明，K2 石灰岩顶板为隔水岩层， 对凤凰山矿 15 号煤层进行气化开采十分有利。 关键词:煤炭地下气化;石灰岩顶板;渗透 性;全应力—应变过程 中图分类号:TU452;TD841 15 Research on Permeability Characteristics of Limestone on NO.15 Coal Roof in Jincheng Fenghuangshan Coal Mine 1,21,21,21,2ZHANG Peng, WANG Jianhua, HUANG Wengang, WANG Zuotang (1. State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008; 20 2. School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116) Abstract: To avoid flooding and air leaking, gas and water insulation of coal roof are demanded in the operation process of underground gasification. In order to investigate the permeability characteristics of K2 Limestone roof on the No.15 coal seam in Jincheng Fenghuangshan coal mine, Servo-control permeability test was conducted, Permeability-strain curve and 25 permeability-stress curve was obtained, and Variation characteristics of permeability with deformation was analyzed. The result showed that K2 Limestone was aquifuge, which was favorable to underground gasification of the No.15 coal in Fenghuangshan coal mine. Key words: underground coal gasification; Limestone roof; Permeability Characteristics; stress-strain process 30 0 前言 晋城矿区高硫煤资源储量大、分布广，其储量接近整个矿区资源的三分之一。由于国家 严禁脱硫措施达不到国家环保法规要求的各类高硫煤矿项目(含硫大于 3%)上马，禁止对 高硫煤层的开采，因此，晋城矿区 15 号煤层高硫煤如采用传统开采、加工技术将无法实现 [1][2][3]35 商业化运作。近年来，煤炭地下开采技术取得了长足的发展。为了解决开采这部分高 硫无烟煤资源、提高资源回收利用率和解决衰老矿井的生存发展问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，并进一步提高煤炭资 源利用率及其附加值，提出了采用地下气化技术开采凤凰山矿 15 号煤层的课题。 煤炭地下气化不仅对顶板强度有一定的要求，而且要求煤层顶板具有一定的隔水隔气效 果，避免气化炉在运行过程中发生的淹水或漏气事故。渗透性是岩土传导液体或气体的能力， 40 常以渗透系数来度量。因此，测试气化煤层顶板的渗透性，掌握其隔水隔气的能力，对煤炭 作者简介:张朋(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向:煤炭地下气化 通信联系人:王作棠(1958.8-)，男，汉族，教授，博士生导师，研究方向:煤炭地下气化. E-mail: ucgwangzt@163.com - 1 - 豆丁网标准与论文:www.docin.com/week114 地下气化过程具有实际意义。 1 全应力—应变渗透试验 .1 试验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 及设备1 试验采用配套有渗透装置的岩石力学电液伺服系统(美国产 8115-02 型)进行。该系统 45 配备轴压(?1 700 kN)、围压(?45 MPa)和孔隙水压(?45 MPa)等 3 套独立闭环，具有 单轴(压缩)试验、假三轴(压缩)试验、真三轴试验、孔隙水压试验和水渗透试验等 5 项 [4][5]基本功能。孔隙水压试验和水渗透试验装置如图 1所示。试验时，将试验样品制成直 径 50 mm、高 60~80 mm 左右的试件。 孔隙水通路 σσ11 透水板 PPw1 w1 σσ 3 3 P w1 σσσ3 33 Pw2 σσ 3 3 P P孔隙水压孔隙水压w1 w2 ?P=P-Pw σσ w1w211 孔隙压试验 水渗流试验 50 图1 渗透试验原理示意图 采用瞬态试验法，即对试样施加一定的轴压 σ、围压 σ和孔隙水压 P，然后保持试 w113 样上端面的孔隙水压力，降低试样下端面的孔隙水压力，在试样上下端面形成一定的孔隙水 压差:?p=P-P。这时，随着试样的变形，内部裂隙也在不断的增加，试样两端的孔隙 ww1w2 55 水压差在不断降低，测定孔隙水压差在一定时间内的变化过程，就可以计算出试样在这一应力状态下的渗透率 k，计算公式如下: A1 ? ? k = m log ?p/ ?p? wi ?1()? wi ? A i =1 式中:A 为数据采集行数;m 为试验参数;?p和 ?p为第 i-1 行和第 i 行渗透压差()wi-1wi 值。 60 渗透率 k(Darcy，Da)与渗透系数 K(m/d)的关系，可以按照下列关系换算(对于 20?的水): -4 1 Da=9.613×10cm/s=0.831 m/d 如果将试件应力峰值前和峰值后各点的渗透率均测出，便可绘出试样的全应力—应变过 程的渗透率曲线。 - 2 - 豆丁网标准与论文:www.docin.com/week114 65 1.2 试样及试验条件 1.2.1 试样 #试验所用试样取自晋煤凤凰山矿 15煤层 K石灰岩顶板。为解石灰岩顶板的渗透性，将现场取的岩样制成 2 2 个岩样，试验岩样的物理尺寸见 表 1。 70 1.2.2 试验条件 进行了两组对比试验，试验条件设置为:试样在相同的试验条件下(两端面具有径向 变形约束效果)的渗透性试验，试验控制参数为围压 5.0 MPa，孔隙压力 4.8 MPa，起始渗 透压差 1.5 MPa;试样的全应力应变过程控制 8~10 个测试点进行测试。 1.3 试验结果及分析 75 1.3.1 试验结果 #在凤凰山矿 15煤层 K石灰岩顶板取 2 块岩样进行了全应力—应变渗透试验，试验参 2 数详见 表 1，全应力—应变渗透率曲线图 2和图 3所示。 80 表1 石灰岩峰值应力、峰值应变及渗透率表 试样尺寸围压孔隙渗透峰值应力峰值渗透率变化范围-06岩性 岩样 (mm)水压压差应变(*10Darcy)(σ) (σmax-σ) 313 描述 编号 用渗透系数 k 表示直径 高 度 (MPa)(MPa)(MPa)(MPa)mm/mm -10 (*10cm/s) 0.1055~120.5 灰岩 49.4 69.8 5 4.8 1.5 174.4 0.0052 K2-1 1.014~1159 0.3532~9.501 灰岩 K53.6 82.1 5 4.8 1.5 146.2 0.0076 2-2 3.395~91.33 图2 试件 K全应力—应变过程渗透性变化曲线 2-1 - 3 - 豆丁网标准与论文:www.docin.com/week114 85 图3 试件 K全应力—应变过程渗透性变化曲线 2-2 1.3.2 结果分析 全应力—应变渗透试验是由现场采集的岩样(岩块)在实验仪器中模拟现场的受理条 件来进行的。它既可以测定同一岩块在全应力—应变过程中的渗透率变化，也可以比较不同 岩块在相同受力条件下的渗透率的大小(渗透能力的好坏)。 90 J. Bear 等人根据渗透系数和渗透率大小列出了一些岩石的渗透系数和渗透率的典型 [6]值，并进行了岩石透水性和含水层的划分，见表 2。中渗透系数的分级单位为-lgK(K 的 单位为 cm/s)。 表2 渗透系数与渗透率的典型值 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -2 -lgK (cm/s) 渗透率 透水 半渗透的 不渗透的 含水层 好 差 不 极细的砂、粉砂、洁净的砾 洁净的砂或砂 黄土、垆坶、碱土石 砾石 土 泥炭 层状粘土 未风化粘土 完好的 角砾岩、 岩石含油岩石砂岩 石灰岩、花岗岩 白云岩23 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 -lg k(cm)4 lg k(mDa) 0 -2 -4 3 2 1 -1 -3 6 5 4 -5 78 95 为便于对比， 2表 1中的渗透率 k 根据关系式换算为-lgK(K 的单位为 cm/s)，-lgk(k 的单位为 cm)，lgk(k 的单位为 mDa)，见 表 3。 100 表3 渗透率 k 与渗透系数 K 的换算结果 渗透系数 K 渗透率 k 渗透率 k 岩样编号 -lgK -lgk lgk 2 10-10cm/s 10-15cm10-6Da K2-1 1.014~1158.367 1.075~1228.338 0.106~120.500 6.936~9.994 11.911~14.968 -3.977~-0.919 K2-2 3.395~91.333 3.600~96.850 0.353~9.501 8.039~9.469 13.014~14.444 -3.452~-2.022 从本次试验的 2 块煤层底板试样的全应力—应变渗透率曲线来看，无论是初级阶段、应力峰值阶段还是岩样破坏后阶段测得的渗透率或经换算后的渗透系数值均很小。 - 4 - 豆丁网标准与论文:www.docin.com/week114 105 由表 2和 表 3对比可得，测试数据-lgK 均大于 6;-lgk 均大于 11;lgk 均小于 0，属于隔水岩石 (块)，主要受控于岩样以微孔隙为主孔隙结构特征。 由 2 块试验的全应力—应变渗透率曲线可得，石灰岩致密坚硬，峰值应力高达 150~170 MPa，由于样品的空隙以渗透性差的微孔隙为主，完整的岩块渗透性很差。由实验结果可得， 对于同一种岩样而言，不同个体的渗透率(或渗透系数)存在一定差异，且随着压力的增加， 110 其渗透率的变化趋势也有所不同。岩样 K内发育有一定的微裂隙或缝合线，有初始渗透率， 2-1 随着压力的增加，裂隙和缝合线被压实，因此，渗透率曲线先呈现略微的下降趋势而后上升， 峰值渗透率出现在峰值应力后，即岩样破坏后渗透率出现短暂的下降后又大幅上升直至峰值 渗透率，主要是由于岩样破坏后形成了大量的宏观裂隙使其渗透率急剧上升。岩样 K则不 2-2 同，该岩样几乎无初始渗透率，追着压力的增加，其渗透率整体呈先上升后下降的趋势，且 峰值渗透率出现在峰值应力前。 115 伺服渗透试验中，随着压力的增加，试样的全应力—应变过程的变形表现为:弹性变 形?塑性变形?破坏?破坏后的伺服压密变形。与此变形过程相对应的渗透性变化也表现出 较强的规律性，不同构造裂隙及其充填物的岩样变形破坏特点的差异，也明显反映在渗透性 # 的变化上。图 2和图 3所示为凤凰山 15煤层 K石灰岩顶板的部分岩样伺服渗透试验的结果， 2 可以看出相同岩性的不同试件个体及其所具有的构造裂隙和充填物质的岩样，在应力—应变 及渗透率—应变关系曲线上的差异是比较明显的。试验结果反映出石灰岩在全应力—应变过 120 程中，渗透性变化在破坏前后表现有不同的特点，在较低的应力水平下，岩样-1 中原始孔 隙度由于压密作用而降低，从而导致渗透性略微下降，之后再达到其应力峰值，而 K则变 2-2 现为先上升后下降的趋势。 2 结论 煤层顶板至上覆含水层间的隔水层的隔水隔气能力是影响煤层气化开采稳定性和安全 125 性的重要因素，通过凤凰山矿 15 号煤层顶板石灰岩的伺服渗透试验，得出了应力—应变和 渗透率—应变的关系曲线，结果表明石灰岩的渗透率与其应力状态(或应变)关系密切，此 外，试验还可得出，试样的全应力—应变渗透率曲线无论是最初阶段、应力峰值阶段还是岩 样破坏后阶段测得的渗透率或经换算后的渗透系统数值均很小，表明该石灰岩属隔水性岩 石，因此，15 号煤层 K石灰岩顶板可是为隔水层，对气化开采凤凰山矿 15 号煤层十分有 2 利。 130 [参考文献] (References) 135 [1] 李应平. 利用煤炭地下气化技术开发高硫无烟煤资源[J]. 煤炭技术, 2003, 22(4): 90-92. 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