煤体基质热开裂增透模型.pdf

第4 5 卷第2 期 2 0 2 0 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E 7 I Y V 0 1 ．4 5N o ．2 F e b ．2 0 2 0 移动阅读 滕腾，王伟，刘斌，等．煤体基质热开裂增透模型[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 2 6 7 6 6 8 3 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ． j c c s ．2 0 1 8 ．1 5 5 4 T E N GT e n g ，W A N GW e i ，U UB i n ，e ta 1 ．M o d e lo ft h e 姗a lf r a c t u r i n gi n d u c e dp e 珊e a b i l i t ye n h a n c e m e mi nc 砌m a 晡x b l o c k [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a IS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 2 6 7 6 6 8 3 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．2 0 1 8 ．1 5 5 4 煤体基质热开裂增透模型 滕腾1 ’2 ，王伟1 ，刘斌1 ，郭俊廷3 I ．中国矿业大学 北京 能源与矿业学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 北京 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ；3 ．煤炭 开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京l o o O l l 摘要温度变化对煤体损伤与破裂具有重要影响。温度变化导致非均质煤体内部产生热膨胀失 配各向异性力，打破微裂纹临界受力平衡，引发煤体基质热开裂，继而导致煤体渗透率增大。从断 裂力学理论出发，建立了煤体基质中单一微裂纹源热开裂的细观断裂力学模型，推导了微裂纹热开 裂的临界裂纹尺寸，分析指出煤体温度变化越大，热开裂临界裂纹尺寸越小，即小裂纹越趋向于发 育。引入微裂纹特征尺寸和孔径分形维数对煤体基质中单一微裂纹和空间裂纹网络进行表征，计 算获得了煤体中微裂纹特征尺寸的分形维数，建立了煤体基质空间裂纹云的分形表征方法。以球 形微孔为例，定义了热开裂增透因子，建立了基质热开裂增透力学模型，模型显示，随着煤体升温梯 度增大，渗透率增透因子增大，基质渗透率增大效果越明显。最后对不同加热处理后的平顶山矿煤 样和金佳矿煤样开展了压汞实验，加热温度分别为2 5 ，5 0 ，7 5 和1 0 0 ℃，获得煤中微孔结构随温度 的演化规律煤体基质孔隙度随处理温度的增大而增大，孔径分形维数随处理温度线性增大，表明 随着温度梯度的增大，煤体热开裂现象增强，基质渗透率增大。 关键词热开裂；分形维数；增透因子；压汞实验 中图分类号T U 4 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 2 0 6 7 6 0 8 M o d e l0 ft h e 瑚a lf r a c t u r i n gi n d u c e dp e 珊e a b 撒t ye I l l I a 眦e m e n ti n c O a lm a t r i xb l o c k T E N GT e n 9 1 ”，w A N Gw e i l ，L I uB i n l ，G u oJ u n t i n 9 3 1 ．s c o o f 矿E n e 彤∞d 胁n ￡昭凸四n e e n g ，劬f ，l o 踟豇梆蚵。厂胁她’n ，l dn 如，l o 幻彰 旃昭 ，＆d 啦’1 0 0 0 8 3 ，饥f n 0 ；2 ．S 纽￡e 硒rk 6 0 m 研矿 C o Ⅱf 鼢o u r c e s Ⅱ蒯S 咖胁n ￡昭，劬i M ‰跏蚵o ， 撕n 以弛炯。如g y ＆彬，l g ， 莎愕1 0 0 0 8 3 ，傀打m ；3 ．跏￡e 研k 6 0 m ∞吖矿耽衙胍o u 胜 P r o 矧幻nd 以耽f 胁溉流C 乩f 胁m 愕，碱曲皤 1 0 0 0 1 l ，C 沏 A b s t 翰c t T e m p e r a t u r ev a r i a t i o nh a si m p o r t a n ti n n u e n c eo nt h ed a m a g ea n df 哦t u r i n go fc o a lb l o c k ．W h e nc o a lt e m p e r a t u r ec h a n g e s ，t l l ea n i s o t r o p i cs t r e s sc a u s e db yt h e 瑚a le x p a n s i o nb r a k e st h ec r i t i c a ls t r e s sb a l a n c eo fm i - c r o - c r a c k i nc o a lm a t r i x ，l e a d i n gt oat h e 珊a lf h c t u r i n gt h a ti n c r e a s e st h em a t r i xp e 珊e a b i l i t y ．I nt h i sp 印e r ，t h et h e 珊a lf h c t u - r i n gm o d e lo fas i n 甜em i c r o p o r es o u r c ei nc o a lm a t r i xw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ef t a c t u r em e - c h a n i c s ，a n dt h ec r i t i - c a ls i z e so ft h e m a lf h c t u r i n gi n d u c e dp o r e si nc o a lm a t r i xw e r ed e r i v e d ．T h em o d e ls h o w st h a tt h el a r g e rt e m p e r a t u r e c h a n g ec o n ．e s p o n d st ot h es m a U e rc r i t i c a lc r a c ks i z e ，w h i c hi n d i e a t e st h a tt h es m a n e rc r a c kt e n d st 0 Ib ed e V e l o p e d ．B y i n t r o d u c i n gt h ef ．r a c t a ld i m e n s i o no fp o r es i z ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i cs i z eo fm i c r o p o r eo ft h em c km a s s ，af ．r a c t a lc h a r _ a c t e r i z a t i o nm e t h o dt od e s c r i b et l l es p a t i a lc m c kc l o u di nc o a lm a t r i xw a se s t a b l i s h e d ．T a k i n gas p h e r i c a lm i c r o - p o r ea s 收稿日期2 0 1 8 一l l 一2 3修回日期2 0 1 9 一1 2 一0 8责任编辑常明然 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 8 7 4 3 1 2 ；煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室自主研发资助项目 G J N Y 1 8 7 7 作者简介滕腾 1 9 8 9 一 ，男，江苏丰县人，讲师，博士。E m a i l T ．T e n g c u m t b ．e d u ．c n 万方数据 第2 期 滕腾等煤体基质热开裂增透模型 a ne x a m p l e ，t h i sp 印e rd e f i n e dat h e 瑚a lf t a c t u r i n gc a u s e dp e m l e a b i l i t ye n h a n c e m e n tf a c t o rt oe s t a b l i s ht h er e l a t i o n - s h i pb e m e e nt h et h e 珊a lf b c t u r i n gb e h a v i o ro fc o a lm a t r i xa n dt h ep e 硼e a b i l i t ye v o l u t j o n ．T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w t h a tt h ep e n T I e a b i l i t ye n h a n c e m e n tf a c t o ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，w h i c hi n d i c a t e st } l a tt h e p e m e a b i l i t yo fc o a lm a t r i xi n c r e a s e ss i g n i f i c 柚t l y ．F i n a l l y ，t h i sp a p e rc a 而e do u tas e r i e so fm e r c u r yi n j e c t i o ne x p e r i - m e n t sw i t hc o a ls 锄p l e sf 而mP i n g d i n g s h a na n dJ i n j i ac o a lm i n e s “t e rd i f 如r e n tt r e a t 哪e n t su n d e r t e m p e r a t u r e so f2 5 ， 5 0 ，7 5 肌d1 0 0 ℃，r e s p e c t i v e l y ．T h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h et h e 硼a lf r a c t u r i n ga n dp e m e a b i l i t ye n h a n c e m e n t e n l a r 驴w i t ht h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r eg r a d i e n t ． K e yw o r d s t h e r m a lf h c t u r i n g ；f 妇c t a ld i m e n s i o n ；p e n I l e a b i l i t ye n h a n c e m e n tf a c t o r ；m e r c u r yi n j e c t i o ne x p e r i m e n t 煤体基质是一种典型的非均质多孔材料，其内部 含有大量复杂的微观孔隙。由于煤体中各点的热膨 胀系数存在差异，当温度变化时，煤体内部产生热膨 胀附加应力，使处于临界受力平衡状态的微裂纹源发 育，形成热开裂。尽管煤体基质中的孔隙缺陷尺寸微 小，但其分布众多，是煤体中孕育微观断裂的受力集 中点，同时是导致材料宏观破坏的薄弱点。4 j 。一系 列的研究表明，煤岩体的热开裂损伤是一种普遍现 象，不论加热方式如何、加热速率多大，对岩石材料加 热均会产生损伤。6J 。 温度变化导致煤体基质热开裂对煤的微观结构 和渗流行为具有重要影响，国内外学者开展了大量研 究。苏承东等1 通过试验发现当煤岩温度升高时， 样品内的裂纹密度增大。刘均容等怫1 进一步揭示， l ℃的温度变化可在岩石内产生约O ．5M P a 的热应 力，当应力积累超过岩石自身的某些界限时，将引起 内部结构发生变化。孟巧荣等一1 和于艳梅等叫分别 对褐煤和瘦煤进行了热处理，并开展了C T 扫描试 验，结果表明，当温度上升到1 0 0 ℃左右时，瘦煤内部 产生微裂纹，而褐煤则由于失水干缩仅大于8 0 0 “m 的大裂隙得以发育。于庆磊等基于数字图像处理 技术表征了岩石内部矿物颗粒的几何形态，并结合细 观损伤力学和热弹性理论，建立了岩石热一力耦合破 裂过程的数值模型。康建等【1 23 考虑不同的岩石细观 组构，建立了随机非均匀介质岩石的热弹性力学模 型，并给出了相应的有限元分析方法。严成增刘建 立了F D E M T M 方法，对圆筒试样在2 种不同温度边 界条件下的热破裂过程进行了分析。王登科等4 1 通 过对比重建的煤样裂隙结构三维立体模型，研究了温 度冲击下的煤体裂隙结构演化与渗透率增大行为。 发现温差较小时，初始裂纹扩展加宽，新生裂纹较少； 随着温差增加，煤样热开裂程度愈发严重，开始扩展 萌生新的次生裂隙，从而增加了煤体中瓦斯的流动路 径。赵阳升等副开展了岩石热破裂与渗透性相关性 的试验研究，发现随着温度的升高，岩石的渗透率出 现多个峰值段，声发射平静期滞后出现渗透率相对降 低区，随着声发射剧烈期出现次数的增加，渗透率愈 来愈大。．I E N G 等刮基于热开裂试验现象总结，在 推导煤层气注热开采渗透率模型时，尝试阐述了煤体 热开裂的物理过程，并纳入到了渗透率模型。 综上所述，尽管对煤岩体的热开裂现象与增透行 为已经开展了大量研究，但是针对煤体基质热开裂的 基础理论及其与基质渗透率改善之间关联性的研究 还不足。笔者结合经典断裂力学与岩石分形理论，构 建了煤体基质热开裂的理论模型，推导了热开裂与增 透率之间的关联性，并通过压汞实验验证了基质热开 裂现象。研究内容为非常规天然气热采、深部煤炭流 态化开采与地下煤炭气化等工程应用提供借鉴。 1 煤体基质的热开裂模型 1 ．1 单一微裂纹源的热开裂 首先来分析煤体基质中单一微裂纹源 活化点 的热开裂问题。如图1 所示，假设空间有l 条平衡主 裂纹P ，在其包围区外有一条半径为r 。的半饼状单一 微裂纹源c ，其表面受均布载荷仃 ，其极坐标位置 为 r ，妒 。由断裂力学可知，平衡主裂纹P 在微裂纹 源表面形成的拉应力盯i 等于微裂纹表面所受的均布 载荷ⅢJ ，即 盯 云；生警掣 1 3 0 。2 屯r 式中，醚为主裂纹尖端的应力强度因子；以 妒 2 1 l ， c o s 妒／2 ／3 为微裂纹扩展方向与戈轴正向 之间的偏转角度，逆时针为正；p 为泊松比。 当煤体温度发生变化时，产生热膨胀应力，则微 裂纹C 处的总应力表示为 仃 叮“ 仃R T 2 其中，叮。，为总的热膨胀应力，其表达式可以进一步 写成 一赤脚r 第筹 3 其中，E 为煤体基质平均弹性模量；a ，为煤体热膨胀 万方数据 6 7 8 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 V 串叽 主裂纹P／么淝一 a 含微裂纹源C 盱F 衡主裂纹P b 单一半饼状微裂纹源c 图1 平衡主裂纹P 及其包围区外的单一半饼状微裂纹源c F i 昏1 B a l a n c e dp r i n c i p a lc r a c kPa n dah a l f - p j e c r a c ki ni t ss u n ．o u n d i n ga r e aC 系数；△r 为温度增量；△a ，为体积热膨胀系数离散性 差值，表征煤体基质在不同方向上热膨胀能力的差异 性。式 3 中右侧第1 项盯。 E d ，△r 表示热膨胀应 力，右侧第2 项盯，R E △a ，△∥[ 2 1 l ， ] 表示热膨 胀各向异性力。 式 3 可以写成 ∥n t 【a ， 志】E △r 4 可见，煤体的热膨胀变形与温度增量之间存在线 性关系，这与传统的理论认知相同8 ‘1 9 ] ，但是需要注 意的是煤体总的热膨胀由两部分组成，即煤体总的热 膨胀系数a 。，可以表示为 嘶韧t 暑％ 5 由断裂力学知，当温度变化△F 后，裂隙的应力 强度因子为 一C K 2 盯i 盯。。 ．／上 6 ‘、『盯 微裂纹起裂的临界条件是裂纹的应力强度因子 等于材料的断裂韧度，即 趔 ．s o 7 式中，s 0 为含有单一裂隙煤体基质单元的断裂韧 度，M P a 。 记盯 盯。 盯。，即将拉应力和均匀热膨胀应力 结合，并将式 4 代入式 6 ，可知单一微裂纹源热开 裂的临界尺寸为 『 r 。21 r I 【i 面靠】2 ㈣E △a T △∥ 1 p 2 盯J 由于煤的实际结构复杂，含有大量的微裂纹，煤 的材料韧度是一个平均化的宏观概念，这里利用煤体 基质的平均韧度J s 。来近似表征一类煤的平均状态。 若只考虑温度变化引起的热膨胀失配应力的影响，则 微裂纹热开裂的临界尺寸为 订 1 p 2 焉 1 E △a T 2 △r 2 9 式 9 表明随着温度变化梯度的增大，煤中微裂 纹的临界尺寸减小，即微小的裂纹更趋向于打破临界 平衡状态从而开裂与发育。 1 ．2 裂纹云的分形描述 分形几何主要是通过分维数和无标度区间两个 参数来描述统计学中的自相似特征，自创立后便被引 入到岩石力学的研究领域，并被用来表征煤岩孑L 隙结 构与破碎方法㈣。2 1 | 。 温度变化引起的基质热开裂与煤中的原生微裂 纹、孔隙和孔洞在煤中形成空间分布的微裂纹云。在 微裂纹云中，裂纹个数繁多，大小不一，而且形态各 异，很难对其一一做出准确的空间定位和几何描述， 更不能有效地逐一计算，但这些微裂纹在尺寸、形态 和空间分布上具有一定的统计自相似性，分布规律如 图2 所示。 图2 煤体基质中多孔结构的自相似性 F i 昏2 F r a c t a ls e l f - s i m i l a r i t yo fp o r es t l l l c t u r ei nc o a lm a t r i x 为了简化分析，本文从宏观角度引入孑L 径分形维 数的概念用来描述微裂纹的尺寸分布特征，从微观角 度引入微裂纹特征尺寸的概念用来表征单一的微裂 纹，即1 个特征尺寸对应1 类微裂纹，1 个孔径分形 维数对应1 种状态下煤体中的裂纹分布。 根据几何尺寸的自相似性，微裂纹在特征尺寸上 满足‘2 2 。2 3 1 Ⅳf k Z ／f 。。。 “’ 1 0 式中，f 为微裂纹的特征尺寸；Z 。。。为煤中微裂纹特征 尺寸的最大值；Ⅳ帕为具有最大特征尺寸的微裂纹数 量；Ⅳf 为具有特征尺寸大于f 的微裂纹个数；B 为稳 定状态下煤中微裂纹分布的孔径分形维数。 式 9 左右对Z 求导，得特征尺寸在Z 和Z d Z 之 间的微裂纹数量为 一d Ⅳ』 ，v 矗D f z 0 z 叫”r d z 1 1 其中，负号表明随着特征尺寸的减小，微裂纹的数量 增多，即小裂纹的数量多于大裂纹的数量。 2 基质热开裂与增透行为关联性 用变量K 表示煤基质块的体积，则煤的基质孑L 隙度表示为 万方数据 第2 期滕腾等煤体基质热开裂增透模型 6 7 9 ‘P ， 手∑‰。 1 2 ‘P } 2 矿己o m ⋯ Ll z ， 式中，y 。。为基质中第i 个微孔的体积。 根据微孔特征尺寸能够表征微孑L 几何特征的概 念，微孑L 的体积与特征尺寸之间必然有一定的关系。 为了简化计算，假设微孑L 为类似球形结构，则煤中第i 个微孔的体积可以用特征尺寸f ，表示为 ‰，竽㈡～ 挈 1 3 对式 1 3 基质中微孔的特征尺寸进行积分，得 q 9 m ，2 ∑‰，f ”“争廿痴与 1 4 式中，叼 可Ⅳ，。如、／6 为微孔分布有关的参数，可以通 过实验测试。 根据孔隙度的定义，煤的基质孑L 隙度可以利用微 孔特征尺寸的分形维数作为中间量表示为 生生旦堕丑 f1 5 ‘P 。1 03 一D fD I o 叼o 、 或 ％ 等嘶 1 6 妒r 2 j 二1 F 可 P 『1 0 1 0 式中，可 叼D ，／ 叼。D m ；下标“0 ”表示相关变量的初 始值。 张玉涛和N A K A G A w A 等‘2 3 - 2 4o 的研究表明，在 一定范围内 2 0 0 ℃以内 ，煤基质中孑L 隙尺寸的分形 维数与温度增量之间存在线性关系 D f D l D h △形r 1 7 式中，入，为分形维数和温度变化之间的系数；D 。。为 初始情况下的基质分形维数。 把式 1 7 代入式 1 6 ，化简得热开裂影响下的 基质孔隙度为 圹羞帅 尚 1 8 妒r2 而妒一∞2F 毫面 L 心， 其中，o 入，／[ 3 一D m ％] 为热开裂材料常数，可通 过微观实验室测得。式 1 8 表明，热开裂导致煤体 基质的孑L 隙度增大。 根据T E N G 等㈦] 的研究结果，煤体介质的渗透 率与孔隙度大小之间近似满足立方定律 寺2 ㈥’ ㈣， 其中，晟为煤体的基质渗透率；‰为初始基质渗透率。 结合式 1 8 和 1 9 ，得 拈丁毛丽矗t ， 2 0 1 9 △丁 3 ” 定义热开裂引发的基质渗透率增透因子D 。 简 称热开裂增透因子 为 珥2 志 2 1 图3 为不同热开裂系数煤体的基质渗透率增透 因子随温度增量的演化关系。从图3 可以看出，随着 温度梯度的增大，基质的渗透率增透因子增大，表明 煤体热开裂越加明显，基质渗透率增透效果也就越 大。同时基质热开裂系数越大，热开裂引起的基质渗 透率增透也就越大。 U2 U4 U6 U8 Ul U UI Z U 温度增量／℃ 图3基质热开裂增透冈子随温度变化的演化规律 F i g ．3 E v o l u t i o no fc o a Im a t r i xp e r l l l e a b i l i t ye n h a n c e m e n t f a c t o rw i t hi n r e a s i n gt e l l l p e r a t u l ‘e 3 热开裂现象的实验验证 3 ．1 压汞实验方案 压汞实验是测量煤岩等多孑L 介质材料中孔隙结 构特征的常用方法。2 0 。本文采用中国矿业大学A u t o P o r e Ⅳ9 5 1 0 型全自动压汞仪分别对平顶山矿和金佳 矿的煤样进行微孔特征测试。实验测试前严格按照 要求制备原煤样品，将煤样品放入烘干箱，并缓慢加 热到2 5 ，5 0 ，7 5 和1 0 0c C ，保持温度恒定2 4h ，取出样 品密封并自然冷却至室温，随后开展压汞实验。在原 煤的烘干过程中，煤体基质发生不可逆的热开裂现 象。 3 ．2 热开裂导致基质孔隙度增大 图4 为平顶山煤样和金佳煤样孔隙度随处理温 度的变化曲线。测试结果显示，金佳煤样的孔隙度大 于平顶山煤样，约为后者的3 倍。从图4 中可以看 出，当煤样处理温度由2 5 ℃增大到1 0 0 ℃，金佳煤样 的孔隙度增大1 2 ．7 ％，平顶山煤样增大2 9 ．5 ％。尽 管金佳煤样的初始孔隙度较大，但热开裂引起的孔隙 度增量较小，分析其原因为金佳煤样的热膨胀系数较 小，相同温度增量下的热应力较小。 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 图4 孔隙度随温度的变化曲线 F i g ．4P o r o s i t yc u r v e sw i t ht e m p e m t u r e f 譬 J 量 删 罂 娶 蛙 品 越 f 譬 一 目 删 罂 娶 垃 罱 疆 3 ．3 热开裂导致基质孔隙尺寸增大 图5 ，6 分别为经过不同温度处理后的平顶山矿 煤样和金佳矿煤样的孔容和孔径之间的关系。从图 中可以看出平顶山矿煤样中，孔径小于0 ．1 斗m 和大 于3 0 m 的微孔所占比例较多，随着预处理温度的 升高，后者的体积增量变大。反观金佳矿煤样，以尺 寸小于l m 的微孔为主，随着预处理温度的升高， 微孔的体积增量明显增大，而且逐步向更小尺寸的微 孑L 过渡。说明温度越高，热开裂越明显，越容易形成 更小的微孑L 。为了定量的表征热开裂对微孔结构的 影响，以下将根据压汞数据计算孔径的分维数。 f 譬 皇 咖 磐 雕 彗 m 程 意 冒 面 罂 娶 蛙 毒 挺 图5 不同温度处理下平顶山矿煤样微孔孔径分布 F i 昏5 P o r es i z ed i s t 曲u t i o no f 眦a t e dP i n g d i n g s h 彻c o a lb yd i 脏r e n tt e m p e m t u r e 图7 为热开裂影响下煤中微孑L 的孔径分形维 数与温度增量之间的关系，其中散点为实验数据， 直线为根据式 1 7 的线性拟合曲线。 图7 a ， b 为以上自主开展的压汞实验测试结 果，样品分别为平顶山矿煤样和金佳矿煤样。图 7 c ， d 中的实验数据参考张玉涛【2 刘和N A K A ． G A w A 等心4 1 的研究。观察图7 ，可以看出孔径分 维数和温度增量之间近似满足线性关系，实验结 果与式 1 7 所描述的理论结果具有较好的匹配 性，这说明温度升高引发的热开裂对煤中微孔的 发育具有促进作用，即，温度变化越大，热开裂越 明显，越容易形成微孔。 4 讨论 1 煤岩体的热开裂损伤是一种普遍现象“ 。6J ， 温度变化越大，热开裂现象越明显【27 1 。本文探讨的 温度范围为室温到1 0 0 ℃，主要排除了热处理过程中 的化学变化。工程问题中煤岩体温度的大范围变化， 都要经历一个由低温到高温转化的过程，因此从断裂 力学与物理学角度建立的煤体热开裂增透模型具有 基础作用。 2 文中介绍4 组热开裂试验，数据结果均验证 了本文理论模型。由于煤体的煤质及其结构具有很 大差异，很难逐一验证，但从逻辑上都可按照本文建 万方数据 第2 期 滕腾等煤体基质热开裂增透模型 6 8 l 籁 媒 求 堪 高 巅 媒 求 姐 矗 孔径／I I m 孔径／岬 孔径／岬 d 1 0 0 ℃ 图6 不同温度处理下金佳矿煤样微孑L 孔径分布 F ig ．6P o r es i z ed i s t 曲u t i o no f №a t e dJ i n j i ac o a lb yd i 雎r e n tt e m p e r a t u r e 测试温度刀℃ 测试温度7 y ℃ c 巅 媒 求 堪 矗 籁 媒 求 赋 高 测试温度刀℃ 测试温度刀℃ d 图7 孔径分维数随温度变化的实验数据与拟合曲线 F i g ．7E x p e r i m e m a ld a t aa n df i t t i n gc u r v ef 打t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np o r es i z ef t a c “d i m e n s i o n 卸dt e m p e m t u r ec h 锄g e I-暑．1lII／删具手器堆罱器 一．暑．1III／删磬鼷堆罱器 一l_8．1m，删罂娶肇商器 一I-暑．1III／暑磬娶肇罱器 万方数据 6 8 2 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 模思路，优化式 1 7 ，进而建立煤体热开裂与渗透率 激增之间的定量关系。 5 结论 1 建立了煤体基质中单一微裂纹源热开裂的 细观断裂力学模型，并推导了基质热开裂的临界裂纹 尺寸，发现煤体温度变化越大，热开裂临界裂纹尺寸 越小，即越小裂纹越趋向于发育。 2 引入微裂纹特征尺寸和孔径分形维数，对单 一微裂纹、裂纹云分别进行描述，建立了微裂纹云的 分形表征方法；以球形微孔为例，定义了煤体基质热 开裂增透因子，用以定量表征基质热开裂导致渗透率 的激增效果。 3 针对温度处理后的平顶山矿、金佳矿煤样， 分别开展压汞实验，进一步证实了煤体基质孔隙度随 处理温度的增大而增大，孔径分形维数随处理温度线 性增大，试验结果对理论推导过程具有支撑作用。 参考文献 R e f e r e n c e s 】 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 靳佩桦，胡耀青，邵继喜，等．急剧冷却后花岗岩物理力学及渗 透性质试验研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 叭8 ，3 7 1 1 1 3 7 一 1 4 5 ． J I NP e i h u a ，H UY a o q i n g ，S H A 0J i x i ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo n p h y s i c o - 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