[發明專利]多功能真三軸流固耦合試驗系統

有效

• 申請號: 201210231738.X
• 申請日: 2012-07-05
• 公開（公告）號: CN102735548A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 許江;尹光志;王倩;彭守建;張東明;蔣長寶;程立朝;黃滾;李波波;李文璞;劉東;王維忠
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/02;G01N15/08
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所 50211
• 代理人: 張小曉

技術領域

本發明涉及一種研究巖石力學、滲流力學及礦山災害學的試驗系統。

背景技術

煤與瓦斯突出是發生在煤礦井下的一種極其復雜的動力現象，它能在極短時間內由煤體向采掘空間噴出大量的煤炭并涌出大量瓦斯，嚴重威脅我國煤礦的安全生產和礦工生命安全。因此，加強煤與瓦斯突出機理的研究十分重要。研究表明，煤與瓦斯突出是內、外應力的循環作用下使煤體產生剪切破壞的過程，即因采礦活動導致地應力場、煤巖結構和瓦斯狀態與流動的變化而誘發的內、外營力作用下使煤體發生局部斷裂破壞形成突出源時，產生一定強度的振動形成周期應力波反復作用于煤體上，最終誘發煤與瓦斯突出發生。綜合作用假說認為煤與瓦斯突出是由地應力、瓦斯、煤的物理力學性質共同作用的結果，即地應力、瓦斯與煤巖體物理力學性質之間的相互耦合作用，但三者在煤與瓦斯突出過程中的貢獻程度究竟如何尚不甚清楚，尤其是在真實三維地應力場、高溫、高瓦斯滲透壓力條件下的共同作用機理及貢獻程度情況，知之甚少。

煤層瓦斯(煤層氣)滲透率是反映煤層內瓦斯滲流難易程度的物性參數，也是瓦斯滲流力學與工程的重要參數。因此，煤層瓦斯滲透率或煤層透氣系數的測算方法研究是瓦斯滲流力學發展之關鍵技術，也是煤礦安全工作者研究煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等一系列礦山安全問題的關鍵入手點。

煤儲層是一套由天然裂隙和基質孔隙組成的雙重結構模型，裂隙系統為煤層氣滲流運移的通道，儲層滲透率除受自身裂隙發育特征控制外，地質構造、地應力狀態、瓦斯壓力、地溫、煤基質的收縮作用、煤層埋深、煤體結構及電場等都不同程度地影響著煤層滲透率，滲透率的演化是上述諸多因素綜合作用的結果。

現有技術中，對滲透率的測量一般通過滲流試驗完成，但是，現有的滲流試驗方法不能模擬真實三維地應力場條件下的滲流特性研究，圍壓承載力小，最大只能施加到幾至十幾兆帕，不能達到研究深部高應力和高構造應力條件下煤層瓦斯滲流特性及運移規律的目的，無法進行地層深部高滲透壓條件下的煤層瓦斯滲流試驗研究，不能準確研究高溫條件下的煤巖體滲透性的演化規律，滿足不了采深增加所致的高溫環境下滲透性規律研究的目的。

隨著開采規模和開采深度的變化，我國大部分煤礦將成為低透氣性高瓦斯開采條件，此類條件瓦斯治理是世界性難題，長期以來沒有解決，造成煤礦瓦斯事故多發，安全高效開采難以實現。發展和開發此類條件下煤層氣開采技術，對于提高煤層氣的開采效率，增加能源供給具有重要意義。

水力壓裂模擬試驗是認識裂縫擴展機制的重要手段，通過模擬地層條件下的壓裂試驗，可以對裂縫擴展的實際物理過程進行監測，并且對形成的裂縫進行直接觀察。此外，能夠將影響裂縫擴展的各種因素分離，進行參數研究。

水壓致裂法已在石油開采中得到成功應用，但在煤層氣開采中的應用研究尚屬起步階段，還存在很多問題需要深入研究。盡管對煤層氣井進行水力壓裂與油氣井壓裂存在很多相似之處，但二者還是存在很大差別。煤巖在成份、結構、構造以及力學物理性質上與油氣儲層有顯著差異。石油儲層一般為砂巖，可看作均質各向同性材料；而煤層包含大量天然裂隙，力學性質受層理、節理影響較大，嚴格講，屬于正交各向異性或橫觀各向同性材料，裂縫的起裂和擴展機理上存在本質差異。煤層中的裂縫擴展主要為原始裂隙在高壓水作用下的擴展、貫通，形成裂隙網絡；而砂巖被壓裂時高壓水使得均質巖層不斷產生新的裂縫，因此兩種巖層的研究方法也將有所不同。另外，煤層一般埋深在1000m以上，而油氣儲層一般埋深在1500m以下，由此導致二者在地應力構造上存在很大的差別。由于以上煤層和石油儲層的巨大差異，使得進一步研究煤層水力壓裂中的裂隙起裂和擴展延伸特征顯得尤為重要。