煤的力學(xué)性質(zhì)及其對壓裂改造的影響

1、第七章第七章 煤儲(chǔ)層的力學(xué)煤儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)及其對壓裂效果的影響性質(zhì)及其對壓裂效果的影響 第一節(jié)第一節(jié) 主要力學(xué)參數(shù)主要力學(xué)參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 流體狀態(tài)方程流體狀態(tài)方程 第三節(jié)第三節(jié) 有效應(yīng)力有效應(yīng)力第四節(jié)第四節(jié) 力學(xué)特征力學(xué)特征對壓裂效果的影響對壓裂效果的影響第五節(jié)第五節(jié) 煤儲(chǔ)層水力壓裂煤儲(chǔ)層水力壓裂 第一節(jié)第一節(jié) 主要力學(xué)參數(shù)主要力學(xué)參數(shù) 煤層及頂?shù)装鍑鷰r的力學(xué)性質(zhì)是影響儲(chǔ)層改造煤層及頂?shù)装鍑鷰r的力學(xué)性質(zhì)是影響儲(chǔ)層改造效果的重要因素，因而是進(jìn)行煤層壓裂理論研究的效果的重要因素，因而是進(jìn)行煤層壓裂理論研究的基礎(chǔ)。力學(xué)參數(shù)的測試分析，為煤儲(chǔ)層三維應(yīng)力狀基礎(chǔ)。力學(xué)參數(shù)的測試分析，為煤儲(chǔ)層三維應(yīng)力狀態(tài)

2、、壓裂裂縫模擬、壓裂壓力曲線分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)態(tài)、壓裂裂縫模擬、壓裂壓力曲線分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)壓裂施工提供必要的原始參數(shù)。壓裂施工提供必要的原始參數(shù)。 煤層及頂?shù)装鍑鷰r的力學(xué)性質(zhì)主要包括：彈性煤層及頂?shù)装鍑鷰r的力學(xué)性質(zhì)主要包括：彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、有效應(yīng)力系數(shù)、煤基質(zhì)收縮參數(shù)等。有效應(yīng)力系數(shù)、煤基質(zhì)收縮參數(shù)等。 一、一、Boit系數(shù)系數(shù) Boit系數(shù)（畢奧特系數(shù)），又稱有效應(yīng)力系數(shù)，用系數(shù)（畢奧特系數(shù)），又稱有效應(yīng)力系數(shù)，用來確定孔隙壓力對巖石變形的影響。定義為：來確定孔隙壓力對巖石變形的影響。定義為：vSCC1Boit 系數(shù)；

3、SC固體的顆粒壓縮系數(shù)； vC體積壓縮系數(shù)。 2-2# w0.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080246810 12 14 16壓力MPa體積應(yīng)變圍壓流體壓力Ro=2.17% W Zimmerman 在在Boit理論的基礎(chǔ)上對常數(shù)進(jìn)行了理論的基礎(chǔ)上對常數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，并給出其定義為：擴(kuò)展，并給出其定義為： pjviiijVVC/1 Cij和和Vij的下標(biāo)的下標(biāo)i=v或或p（v指巖石體積，指巖石體積，p指巖石孔隙體積）；指巖石孔隙體積）； 下標(biāo)下標(biāo)j=c或或p（c指巖石圍壓，指巖石圍壓，p指孔隙壓力）；指孔隙壓力）； V指體積；指體積； 為變分符

4、號。為變分符號。 Cvc和和Cpc分別為巖石在圍壓不變的情況下的巖石體分別為巖石在圍壓不變的情況下的巖石體積壓縮系數(shù)和孔隙體積壓縮系數(shù)；積壓縮系數(shù)和孔隙體積壓縮系數(shù)；Cvp和和Cpp分別為巖石分別為巖石在孔隙壓力不變的情況下的巖石體積壓縮系數(shù)和孔隙在孔隙壓力不變的情況下的巖石體積壓縮系數(shù)和孔隙體積壓縮系數(shù)。體積壓縮系數(shù)。 二、煤基質(zhì)收縮參數(shù)二、煤基質(zhì)收縮參數(shù) 煤基質(zhì)收縮參數(shù)是煤儲(chǔ)層滲透率在煤層氣排采過程中能否得煤基質(zhì)收縮參數(shù)是煤儲(chǔ)層滲透率在煤層氣排采過程中能否得到改善的反映。到改善的反映。Harpalani 等（等（1990）研究表明）研究表明CH4和和CO2的吸的吸附應(yīng)變可用朗格繆爾等溫吸附

5、模型來精確地模擬，因此，一個(gè)附應(yīng)變可用朗格繆爾等溫吸附模型來精確地模擬，因此，一個(gè)與朗格繆爾等溫吸附模型有同樣數(shù)學(xué)表達(dá)式的方程適合于吸附與朗格繆爾等溫吸附模型有同樣數(shù)學(xué)表達(dá)式的方程適合于吸附應(yīng)變數(shù)據(jù)，即：應(yīng)變數(shù)據(jù)，即： 50maxpppvv壓力 p 下吸附的體積應(yīng)變；max與朗格繆爾方程中朗格繆爾體積數(shù)據(jù)表達(dá)的含義相當(dāng)，代表理論最大應(yīng)變量，即無限壓力下的漸近值；p50與朗格繆爾壓力數(shù)據(jù)表達(dá)的含義相當(dāng)，代表煤巖體達(dá)到最大應(yīng)變量的一半時(shí)的壓力。 1-3# wgv=0.0013P/(6.64+P)012345012345p /MPav10-4 Ro=2.17% 計(jì)算計(jì)算 和和p50分兩步進(jìn)行，分兩步

6、進(jìn)行，首先將上述方程化成直線型，首先將上述方程化成直線型，即：即： max50max501pppvv第 一 步 進(jìn) 行 線 性 擬 合 得 截 距50max/ p和 斜 率50/1p； 第 二 步 由50max/ p和50/1p計(jì) 算 出max和p5 0， 第 三 步 將和 p50， 第 三 步 將max和 p50代 入 方 程 1-3# wgy = -0.1506x + 1.9743r = 0.991.001.251.501.752.000123456v10-4v/p（10-4）三、體積壓縮系數(shù)與體積模量三、體積壓縮系數(shù)與體積模量 體積壓縮系數(shù)是當(dāng)溫度一定時(shí)，圍壓每升高體積壓縮系數(shù)是當(dāng)溫度一

7、定時(shí)，圍壓每升高1 MPa所引起所引起的體積相對變化的量度。體積壓縮系數(shù)（的體積相對變化的量度。體積壓縮系數(shù)（C Cv v）表示為：）表示為： dPdVVCv1 V是煤巖體的體積，是煤巖體的體積，dP 、dV是壓力和體積的變化量。是壓力和體積的變化量。 顯然壓力和體積的變化方向相反，即壓力增加，體積壓縮；壓力顯然壓力和體積的變化方向相反，即壓力增加，體積壓縮；壓力減少，體積膨脹。體積壓縮系數(shù)與壓力的量綱互為倒數(shù)，體積壓減少，體積膨脹。體積壓縮系數(shù)與壓力的量綱互為倒數(shù)，體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)即為體積模量（縮系數(shù)的倒數(shù)即為體積模量（Kv），即：），即：vvCK1三向等壓（Pc=8MPa）0.10.20

8、.30.40.51-2#1-3#1-4#2-1#2-2#2-3#3-1#3-2#3-3#4-1#4-2#4-4#7-1#煤樣號自然煤樣軸向應(yīng)變自然煤樣徑向應(yīng)變Cv=5.5210-4 MPa-10.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120246圍壓（MPa）體積應(yīng)變3-1# dy = -10.055Ln(x) + 25.741r= 0.99010203040506002468圍限壓力 /MPa體積壓縮系數(shù) /10-4MPa-11-2# 自然煤樣y = -3.2732Ln(x) + 9.4173r = 0.9902468101214161802468圍限壓力 /MPa體

9、積壓縮系數(shù) /10-4MPa-11-4# 飽和水煤樣四、硬度四、硬度 巖石抵抗其它物體壓入的能力稱為巖石的硬度。與強(qiáng)度相比，煤巖石抵抗其它物體壓入的能力稱為巖石的硬度。與強(qiáng)度相比，煤的硬度強(qiáng)調(diào)局部或微點(diǎn)變形和抗破壞強(qiáng)度。支撐劑在裂縫閉合力作的硬度強(qiáng)調(diào)局部或微點(diǎn)變形和抗破壞強(qiáng)度。支撐劑在裂縫閉合力作用下嵌入煤層的程度與煤巖體的硬度直接有關(guān)，此外，煤的易碎性用下嵌入煤層的程度與煤巖體的硬度直接有關(guān)，此外，煤的易碎性）也與煤巖體的硬度關(guān)系密切。）也與煤巖體的硬度關(guān)系密切。五、密度五、密度 煤巖體的密度與灰分（礦物質(zhì)）含量、煤巖組成和煤層氣含量煤巖體的密度與灰分（礦物質(zhì)）含量、煤巖組成和煤層氣含量有關(guān)

10、。它在壓裂中的影響主要表現(xiàn)為：有關(guān)。它在壓裂中的影響主要表現(xiàn)為：1）由密度與容積結(jié)合可以間）由密度與容積結(jié)合可以間接獲得煤巖體的容重、孔隙度、含水性等其它物理指標(biāo)，為壓裂設(shè)接獲得煤巖體的容重、孔隙度、含水性等其它物理指標(biāo)，為壓裂設(shè)計(jì)提供參數(shù)；計(jì)提供參數(shù)；2）在研究煤層裂縫動(dòng)態(tài)問題時(shí)，密度將成為主要考慮）在研究煤層裂縫動(dòng)態(tài)問題時(shí)，密度將成為主要考慮因素；因素；3）煤粉剝離縫面混入壓裂液中，其沉降特性與煤的密度直接）煤粉剝離縫面混入壓裂液中，其沉降特性與煤的密度直接相關(guān)，并由此產(chǎn)生煤粉堵塞裂縫形成異常高壓的不良影響，同時(shí)也相關(guān)，并由此產(chǎn)生煤粉堵塞裂縫形成異常高壓的不良影響，同時(shí)也影響到壓裂液的流變

11、性；影響到壓裂液的流變性；4）在厚煤層和多煤層條件下，煤層作為上）在厚煤層和多煤層條件下，煤層作為上覆層，其密度對壓裂部位的重力應(yīng)力產(chǎn)生直接影響。覆層，其密度對壓裂部位的重力應(yīng)力產(chǎn)生直接影響。 第二節(jié)第二節(jié) 流體狀態(tài)方程流體狀態(tài)方程 流體是氣相和液相的統(tǒng)稱，流體的壓縮系數(shù)是流體是氣相和液相的統(tǒng)稱，流體的壓縮系數(shù)是當(dāng)液體或氣體所承受的法向壓力或法向張力發(fā)生當(dāng)液體或氣體所承受的法向壓力或法向張力發(fā)生變化時(shí)，其體積變化的量度。在等溫條件下，流變化時(shí)，其體積變化的量度。在等溫條件下，流體的壓縮系數(shù)體的壓縮系數(shù)Cs定義為：定義為：TsdPddPdVVC)1(1由積分形式給出，則為：由積分形式給出，則為：

12、 00expPPCs 是參考壓力是參考壓力P0條件下的密度。對于液體，其壓縮條件下的密度。對于液體，其壓縮系數(shù)值很小，例如常溫下水的壓縮系數(shù)約為系數(shù)值很小，例如常溫下水的壓縮系數(shù)約為4.75 10-4 MPa-1。通常稱水為微可壓縮流體。當(dāng)壓力差。通常稱水為微可壓縮流體。當(dāng)壓力差不大時(shí)，上式可近似地表示為：不大時(shí)，上式可近似地表示為： 001PPCs0PPP0在研究非等溫滲流時(shí)，還要涉及到流體的熱膨脹在研究非等溫滲流時(shí)，還要涉及到流體的熱膨脹系數(shù)或定壓熱膨脹系數(shù)，定義為：系數(shù)或定壓熱膨脹系數(shù)，定義為：PPTVVT11這種表示流體密度和壓力、溫度之間的關(guān)系式這種表示流體密度和壓力、溫度之間的關(guān)系

13、式稱為稱為流體的狀態(tài)方程流體的狀態(tài)方程。在溫差不太大的條件下，僅由溫度引起在溫差不太大的條件下，僅由溫度引起的密度變化可表示為的密度變化可表示為：0TTT001TT 同時(shí)考慮壓力和溫度引起的密度變化，近似有：同時(shí)考慮壓力和溫度引起的密度變化，近似有： 000001,TTPPCTPTPS第三節(jié)第三節(jié) 有效應(yīng)力有效應(yīng)力早在1923年，Terzaghi在研究松散結(jié)構(gòu)體時(shí)就提出了有效應(yīng)力概念和形式，并由Robinson（1959），Skem -ption（1960），Handin（1963）作了修正，即： ijijijpij為張量；ij為總應(yīng)力張量；p 為孔隙壓力；ij為 Kroneker 符號；稱為

14、有效應(yīng)力系數(shù)（Boit 系數(shù)）或等效孔隙壓縮系數(shù)。反映了有效應(yīng)力與孔隙壓力之間相互關(guān)系，其值取決于巖石孔隙、裂隙的發(fā)育程度。1，即為 Terzaghi 有效應(yīng)力原理的最初形式，后人的修改只是針對系數(shù)值的大小。 一、一、 地應(yīng)力的構(gòu)成地應(yīng)力的構(gòu)成 存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力稱為地應(yīng)力。主要由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力稱為地應(yīng)力。主要由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力等耦合而成?？紫秹毫Α釕?yīng)力和殘余應(yīng)力等耦合而成。 重力應(yīng)力中重力應(yīng)力中垂向應(yīng)力可由海姆（垂向應(yīng)力可由海姆（Heim A. 1912）公式、水平方向產(chǎn)生）公式、水平方向產(chǎn)生的應(yīng)力分量可由金尼克（的應(yīng)力分量可由金尼

15、克（A G. Gennik 1926A G. Gennik 1926）公式得出，即：）公式得出，即： HrhriniiV1v 為垂向應(yīng)力；為垂向應(yīng)力； ri為某分層巖石密度；為某分層巖石密度；hi為某分層厚度；為某分層厚度；H為上覆地層厚度，為上覆地層厚度， 為巖層平均密度。為巖層平均密度。 rppvvhv1hv-水平方向的分應(yīng)力；水平方向的分應(yīng)力；為側(cè)壓系數(shù)；為側(cè)壓系數(shù)； 為畢奧特系數(shù)；為畢奧特系數(shù)；P 為孔隙壓力；為孔隙壓力； 為泊松比為泊松比 二、二、 水平有效應(yīng)力計(jì)算水平有效應(yīng)力計(jì)算 地面煤層氣開發(fā)所關(guān)注的主要是水平有效應(yīng)力的大小，它由重地面煤層氣開發(fā)所關(guān)注的主要是水平有效應(yīng)力的大小，

16、它由重力水平應(yīng)力分量、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力及收縮應(yīng)力等耦合力水平應(yīng)力分量、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力及收縮應(yīng)力等耦合而成。假設(shè)煤巖體為均質(zhì)、各向同性的線彈性體，溫度和煤基質(zhì)收而成。假設(shè)煤巖體為均質(zhì)、各向同性的線彈性體，溫度和煤基質(zhì)收縮應(yīng)變?yōu)槌?shù)，由廣義虎克定律有：縮應(yīng)變?yōu)槌?shù)，由廣義虎克定律有： 重力水平應(yīng)力分量：pv1 構(gòu)造應(yīng)力： 構(gòu)造應(yīng)力：21HhEE 和21hHEE 孔隙壓力：p 熱應(yīng)力： 1TET 收縮應(yīng)力： 收縮應(yīng)力：1shsE v、H、h分別為垂向應(yīng)力、 最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力； H、h、sh分別為最大水平應(yīng)力、 最小水平應(yīng)力方向應(yīng)變和水平方向收縮應(yīng)變； 、E分別為泊松比

17、和彈性模量； 、T、s分別為有效應(yīng)力系數(shù)、 溫度應(yīng)力系數(shù)、收縮應(yīng)力系數(shù)； T溫度差 則煤層氣開發(fā)過程中裂隙內(nèi)水平有效應(yīng)力為：則煤層氣開發(fā)過程中裂隙內(nèi)水平有效應(yīng)力為：111)(1shsThHvHEpTEEEp111)(1shsTHhvhEpTEEEp 設(shè)構(gòu)造應(yīng)力不發(fā)生變化，水平應(yīng)力視為相等，則廣設(shè)構(gòu)造應(yīng)力不發(fā)生變化，水平應(yīng)力視為相等，則廣義的水平有效應(yīng)力為：義的水平有效應(yīng)力為： 111)1 ()(1shsThveEpTEEp第四節(jié)第四節(jié) 不同煤級煤巖體的不同煤級煤巖體的力學(xué)特征及其對壓裂效果的影響力學(xué)特征及其對壓裂效果的影響 一、表征體積單元一、表征體積單元 巖樣尺寸不同所得出的巖石特性參數(shù)也不

18、相同，當(dāng)巖樣尺寸巖樣尺寸不同所得出的巖石特性參數(shù)也不相同，當(dāng)巖樣尺寸達(dá)到一定尺度時(shí)，則其參數(shù)趨于定值，這時(shí)的巖樣體積稱為表達(dá)到一定尺度時(shí)，則其參數(shù)趨于定值，這時(shí)的巖樣體積稱為表征體積。征體積。 煤儲(chǔ)層流固耦合是固體區(qū)域與流體區(qū)域相互包含、相互纏煤儲(chǔ)層流固耦合是固體區(qū)域與流體區(qū)域相互包含、相互纏繞，難以明顯地分開。將煤儲(chǔ)層視為有一定大小，包含足夠多繞，難以明顯地分開。將煤儲(chǔ)層視為有一定大小，包含足夠多條裂隙、無數(shù)孔隙和基質(zhì)骨架的質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)有孔隙率，且可以條裂隙、無數(shù)孔隙和基質(zhì)骨架的質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)有孔隙率，且可以規(guī)定其流體壓力及固體強(qiáng)度等材料特征參數(shù)，同時(shí)質(zhì)點(diǎn)也能承規(guī)定其流體壓力及固體強(qiáng)度等材料特征參

19、數(shù)，同時(shí)質(zhì)點(diǎn)也能承受應(yīng)力和流體壓力的作用。受應(yīng)力和流體壓力的作用。 表征體積單元應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)比整個(gè)研究區(qū)域的尺寸小，否則平均表征體積單元應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)比整個(gè)研究區(qū)域的尺寸小，否則平均的結(jié)果就不能代表在質(zhì)點(diǎn)所發(fā)生的現(xiàn)象；另一方面，表征體積的結(jié)果就不能代表在質(zhì)點(diǎn)所發(fā)生的現(xiàn)象；另一方面，表征體積單元與單個(gè)孔、裂隙比較又必須足夠大，必須包含足夠的孔、單元與單個(gè)孔、裂隙比較又必須足夠大，必須包含足夠的孔、裂隙，這樣才能按擬連續(xù)介質(zhì)概念的要求進(jìn)行有意義的統(tǒng)計(jì)平裂隙，這樣才能按擬連續(xù)介質(zhì)概念的要求進(jìn)行有意義的統(tǒng)計(jì)平均均 。面裂隙端裂隙 煤儲(chǔ)層理想化表征體積單元煤儲(chǔ)層理想化表征體積單元 裂隙介質(zhì)裂隙介質(zhì) 孔隙介質(zhì)孔隙介質(zhì)

20、擬連續(xù)介質(zhì)擬連續(xù)介質(zhì)二、樣品制備二、樣品制備 層 面面裂隙端裂隙 在每件大塊煤樣上垂直和在每件大塊煤樣上垂直和平行層面方向鉆取直徑為平行層面方向鉆取直徑為38mm，高為，高為76mm的大圓柱樣的大圓柱樣或直徑為或直徑為25mm，高為，高為50mm的小圓柱樣的小圓柱樣3組，將煤樣端面切平整，組，將煤樣端面切平整，加工精度按國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（加工精度按國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）推薦的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。）推薦的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。三、單軸煤巖力學(xué)特征三、單軸煤巖力學(xué)特征 不同煤級煤層的楊氏模量（不同煤級煤層的楊氏模量（E）、泊松比（）、泊松比（ ）、抗壓強(qiáng)度）、抗壓強(qiáng)度（Pc）、抗拉強(qiáng)到度（）、抗拉強(qiáng)到度（Pt）、

21、平均最大正應(yīng)力（）、平均最大正應(yīng)力（）、平均最大）、平均最大剪應(yīng)力（剪應(yīng)力（）、內(nèi)聚力（）、內(nèi)聚力（C）和內(nèi)摩擦角（）和內(nèi)摩擦角（）存在一定的差異）存在一定的差異。楊氏模量以光亮型煤最低，半亮。楊氏模量以光亮型煤最低，半亮半暗型煤中等，暗淡型煤最半暗型煤中等，暗淡型煤最高，同煤巖類型以無煙煤最大，中煤化煙煤最低，低煤化煙煤高，同煤巖類型以無煙煤最大，中煤化煙煤最低，低煤化煙煤中等。泊松比各煤級煤相差不大。中等。泊松比各煤級煤相差不大。 煤層頂?shù)装迦魹樘抠|(zhì)泥巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，煤層的力學(xué)煤層頂?shù)装迦魹樘抠|(zhì)泥巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，煤層的力學(xué)性質(zhì)與其相差不大，尤其是無煙煤；頂性質(zhì)與其相差不大，尤其

22、是無煙煤；頂?shù)装迦魹榧?xì)、中、粗粒底板若為細(xì)、中、粗粒砂巖或石灰?guī)r，則煤層的力學(xué)性質(zhì)與其相差較大。砂巖或石灰?guī)r，則煤層的力學(xué)性質(zhì)與其相差較大。 泊松比平均值由大到小排列的順序是煤層泊松比平均值由大到小排列的順序是煤層泥巖泥巖 粉砂巖粉砂巖中中、粗粒砂巖。不同巖性的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、平均最大正應(yīng)、粗粒砂巖。不同巖性的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、平均最大正應(yīng)力、平均最大剪應(yīng)力、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角值的分布特征與楊氏力、平均最大剪應(yīng)力、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角值的分布特征與楊氏模量幾乎完全一致。模量幾乎完全一致。 表 7-1 低煤化煙煤巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果表 地點(diǎn) 層位 巖性 E Pc Pt C 聯(lián)合廠礦 J2x 半暗煤 1

23、.08 0.195 28.2 0.98 4.51 6.82 3.75 34.5 河西 礦區(qū) 西山礦 J2x 半暗煤 1.15 0.314 23.4 頂板 泥巖 1.24 0.285 12.1 1.7 80 煤層 半暗煤 1.66 0.231 9.49 1.14 4.24 6.26 3.12 36.5 河?xùn)| 礦區(qū) 堿溝礦 J2x 底板 砂巖 16.1 0.305 41.1 5.1 80 3 半暗煤 1.85 0.297 4.15 準(zhǔn) 噶 爾 盆 地 南 緣 阜康 礦區(qū) 西溝礦 J1b 5 半亮煤 1.05 0.234 6.63 波爾堿礦 J2x 暗煤 3.56 0.320 70.9 1.2 吐哈

24、盆地 托爾遜凹陷 黑山礦 J2x 底板 砂巖 16.4 0.305 41.1 5.1 80 注： E楊氏模量，103MPa；泊松比；Pc抗壓強(qiáng)度，MPa ；Pt抗張強(qiáng)度，MPa；-平均最大正應(yīng)力，MPa；平均最大剪應(yīng)力，MPa；C內(nèi)聚力，MPa；內(nèi)摩擦角，度。 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（假三軸）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（假三軸）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（真三軸）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（真三軸）abcabc沁水潞安沁縣樊莊晉城安澤 三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線 1軸向應(yīng)變；軸向應(yīng)變； 2徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變1； 3徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變2；4平均徑向應(yīng)變；平均徑向應(yīng)變； 1-2煤樣號；煤樣號； d-自然煤樣；自然煤樣； w

25、-飽和水煤樣；飽和水煤樣； wg-水、氣飽和煤樣。水、氣飽和煤樣。1-2# d05101520253035-0.02-0.0100.010.020.03（徑向） 應(yīng)變 （軸向）軸向應(yīng)力差/MPa1234E=3168MPav =0.17Po=40MPaE=3104MPav=0.31Po=40MPa05101520253035-0.01 -0.00500.0050.010.015（徑向）應(yīng)變（軸向）軸向應(yīng)力差/MPa1-3# w1234E=1892MPa v=0.2602468101214161800.0050.010.015（徑向）應(yīng)變（軸向）軸向應(yīng)力差/MPa1-3wg341-2# d2400

26、26002800300032003400360038004000420044008121620242832軸向應(yīng)力差 /MPa彈性模量 /MPa1-2# d0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.458121620242832軸向應(yīng)力差 /MPa泊松比10203040506070809012347煤樣號抗壓強(qiáng)度M P a自然煤樣飽和水煤樣氣、水飽和煤樣0.10.20.30.40.512347煤樣號泊松比自然煤樣飽和水煤樣氣、水飽和煤樣表 7-5 多相介質(zhì)煤巖體三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果對比表 自然狀態(tài) 水飽和 氣、水飽和 煤 樣 Po E CV r a Po E CV

27、 r a Po E CV r a 1 40 3168 0.17 7.10 0.26 0.36 40 3104 0.31 3.86 0.20 0.24 24 1892 0.26 2.97 0.23 0.83 2 78 4200 0.17 4.85 0.23 0.27 59 3656 0.20 4.14 0.22 0.27 54 3648 0.29 3.26 0.12 0.28 3 52 3650 0.16 5.52 0.25 0.30 42 3351 0.20 4.30 0.15 0.17 39 3229 0.25 3.22 0.12 0.14 4 39 3529 0.17 3.84 0.14

28、0.26 37 3060 0.19 3.25 0.20 0.38 22 1870 0.43 2.76 0.21 0.22 5 44 4296 0.11 5.06 54 4471 0.12 注：圍壓為 8MPa，各參數(shù)值為同組兩個(gè)樣品的平均值。Po抗壓強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度） ，MPa；E彈性模量，MPa；泊松比；CV體積壓縮系數(shù)，104MPa1；r平均徑向應(yīng)變，；a軸向應(yīng)變，。 沁源 沁縣 安澤 晉城 高 平 沁水 陽城 屯留 長子 長治 垣襄 潞安 數(shù)值模擬數(shù)值模擬* *上主煤層：下二疊統(tǒng)上主煤層：下二疊統(tǒng)山西組山西組3#及相應(yīng)層位及相應(yīng)層位煤層煤層 a平面模型平面模型 14040個(gè)網(wǎng)格個(gè)網(wǎng)格 b剖面模型剖面模型11000個(gè)網(wǎng)格個(gè)網(wǎng)格 c單井模型單井模型900個(gè)網(wǎng)格個(gè)