Estudo experimental das leis de evolução da expansão volumétrica e permeabilidade induzidas pela liberação de estresse no carvão estrutural

HAN FENG ,  

LUO RONG ,  

ZHU SHILIANG ,  

ZHOU XIAOZHI ,  

CHEN XUEHUA ,  

QIU XIN ,  

FANG HUIJING ,  

DING HAI ,  

摘要

Para revelar as leis de evolução e os mecanismos internos das características de permeabilidade do carvão estrutural durante o processo de liberação de estresse, foram selecionadas amostras típicas de carvão granular e miólito da área mineradora de Huainan para preparar amostras de carvão aglomerado. Utilizando um sistema de simulação de carregamento e descarregamento de estresse triaxial autodesenvolvido, foram sistematicamente realizados experimentos físicos simulados sob diferentes condições de alívio de pressão, temperatura e teor de umidade. Os resultados mostraram que, durante o processo de liberação de estresse, o volume de expansão do carvão e a permeabilidade aumentam significativamente com a diminuição do estresse efetivo, sendo o volume de expansão máximo de 54 cm³ e a permeabilidade máxima aumentada para 0,8936×10⁻³ μm². Esse processo evolutivo é regulado por múltiplos fatores, incluindo a estrutura do carvão, temperatura, teor de umidade e direção do alívio de pressão. Entre eles, a expansão e o efeito de aumento da permeabilidade do carvão miólito são significativamente melhores do que os do carvão granular, com o volume de expansão 19,4% a 25,95% maior e aumento da permeabilidade em 21,88%. Condições de alta temperatura (45 ℃) e seca favorecem a melhoria da permeabilidade, com a taxa média de crescimento da expansão volumétrica aumentada em 23,24% em comparação com a condição de 15 ℃; O alívio de pressão multidirecional pode ativar fraturas multidirecionais e construir uma rede de fluxo tridimensional, com o melhor efeito de aumento da permeabilidade, que é cerca de 7,7% maior do que o alívio de pressão unidirecional. A análise do mecanismo indica que a diminuição do estresse efetivo impulsiona principalmente a evolução dos canais de fluxo através da ação coordenada de “abertura das fraturas - recuperação elástica - contração da matriz”; o estresse térmico gerado pela temperatura compete com o estresse efetivo e, sob condições de alívio de pressão, o estresse térmico promove a expansão externa do carvão; a umidade, ocupando o espaço dos poros e fraturas e aumentando a plasticidade do carvão, inibe significativamente o desenvolvimento dos canais de fluxo, quando o teor de umidade é de 5%, a permeabilidade diminui em 45,35%. Assim, o desenvolvimento do gás do carvão estrutural com liberação de estresse deve priorizar reservatórios homogêneos com carvão miólito desenvolvido, baixo estresse geológico original, temperatura moderada, baixo teor de umidade e sem fornecimento externo de água. Este estudo pode fornecer uma base teórica importante para a otimização do plano de desenvolvimento de campo.

关键词

área mineradora de Huainan;liberação de estresse;carvão estrutural;expansão volumétrica;permeabilidade;descompressão e extração

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