煤层水力压裂模拟实验是研究煤矿井下水力压裂煤岩体致裂增透、弱化机理的有效手段.然而,大尺寸煤岩体原位保真取样技术不成熟,已有大尺寸煤样块多取自卸压区,其在运输和制备过程中会发生二次破坏,导致实验结果失真.因此,使用煤岩体相似材料代替大尺寸原煤执行室内水力压裂模拟实验成为一种可行的选择.煤岩体相似材料试样的力学特性是影响水力压裂效果最重要因素.为精确表征煤岩体相似材料的基础力学特征,选择煤粉、水泥、石膏、砂子为相似材料,设计制作7种配比试样,进行超声波与力学特性耦合响应规律研究.结果表明:煤岩体相似材料试样超声波波速(P波和S波)和强度(单轴抗压和抗拉强度)随着密度的增大而增大,随着孔隙率的增大而减小;相似材料对于超声波波速、强度和密度增大幅度的影响为水泥>砂子>石膏,孔隙率正相反;相似材料水泥和石膏分别在调节试样强度和变形特性方面起主要作用;根据超声波P波波速与强度之间的二次多项式数学模型,通过测定超声波P波波速可提前预测试样的强度;试样力学参数可调整范围大,通过改变相似材料配比可以调整试样的力学性质,精确模拟煤岩体,且试样制作方法简单.此研究可为煤层水力压裂模拟用煤岩体相似材料力学特征相似设计提供依据,促进矿井瓦斯防治技术的发展,具有广泛的应用价值.

煤岩体相似材料;力学性能;水力压裂;超声波波速;矿井瓦斯防治

翟成;郑仰峰;余旭;徐吉钊;孙勇;丛钰洲;唐伟;李宇杰;朱薪宇;陈爱坤

中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州 221116;中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221116

煤田地质与勘探

[1]翟成;郑仰峰;余旭;徐吉钊;孙勇;丛钰洲;唐伟;李宇杰;朱薪宇;陈爱坤-.水力压裂模拟用煤岩体相似材料基础力学特性实验研究)[J].煤田地质与勘探,2022(08):16-28

煤岩体相似材料

水力压裂,拟用,基础力学,煤层,压裂模拟实验,煤矿井下,致裂增透,弱化机理,大尺寸,保真取样,取样技术,煤样,取自,自卸压,制备过程,失真,原煤,响水,压裂效果,精确表征,力学特征,煤粉,石膏,砂子,设计制作,耦合响应,响应规律,超声波波速,单轴抗压,抗拉强度,孔隙率,正相反,强度和变形特性,二次多项式,提前预测,变相,力学性质,制作方法,材料力学,相似设计,矿井瓦斯防治,防治技术

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