CO2地下封存煤-蓋層變形和破裂演化特征研究.pdf

1、當(dāng)前,“溫室效應(yīng)”引起的全球升溫明顯直接導(dǎo)致了自然災(zāi)害的頻發(fā),造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。將引起“溫室效應(yīng)”主因的CO2進(jìn)行地下封存對控制“溫室效應(yīng)”是一個行之有效的方法。本文根據(jù)CO2地下封存安全性的需要,針對CO2注入煤層過程煤與蓋層的變形和破裂演化特征,開展了實驗室實驗、理論分析和數(shù)值模擬研究。主要研究工作和結(jié)論如下:
　　(1)通過含CO2煤變形破壞特征的實驗研究,得到了CO2對煤力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。三軸實驗中含CO2

2、煤樣的強度、峰值強度和殘余強度隨著CO2壓力的增加逐漸降低,峰值強度的CO2壓力效應(yīng)要比殘余強度更為顯著。隨著CO2壓力的增加,應(yīng)力跌落系數(shù)逐漸減小,煤樣破壞形式從剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻跗叫杏谳S向的劈裂破壞。常規(guī)三軸蠕變情況下,煤樣的預(yù)定軸向應(yīng)力遠(yuǎn)小于煤樣的長期強度,煤樣只出現(xiàn)了穩(wěn)定蠕變階段;小于煤樣的長期強度,煤樣出現(xiàn)了減速蠕變階段和穩(wěn)定蠕變階段。
　　(2)推導(dǎo)了注氣過程中煤層孔隙壓力分布函數(shù),當(dāng)CO2滲透到邊界時邊界效應(yīng)不可

3、忽略。利用三層疊層梁模型,聯(lián)系winkler地基假設(shè)得到了蓋層的變形和正應(yīng)力與注氣時間的關(guān)系,蓋層正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在注氣初期,并隨著CO2的注入逐漸減小。利用雙參數(shù)模型對winkler假設(shè)進(jìn)行修正,結(jié)果表明考慮地基剪力的煤層對蓋層正應(yīng)力的影響甚微?？紤]上下巖層對于蓋層和底板的約束作用,采用winkler假設(shè)對三層疊層梁模型進(jìn)行修正,結(jié)果表明蓋層正應(yīng)力變化明顯減小。在此基礎(chǔ)上,考慮了不同注氣壓力下注氣初期蓋層正應(yīng)力的分布情況,得到了完整

4、蓋層的最佳注氣壓力。
　　(3)設(shè)計制作了CO2注入煤層過程中上覆巖層變形的相似模型,分析了模型與原型之間的關(guān)系。注水過程中,止水條中水所滲透到的地方的上覆巖層會產(chǎn)生向上的變形,隨著實驗的進(jìn)行,巖層的變形量不斷增加,由于注水管與巖層之間的粘連的影響,造成了離模型井口12cm處的累計變形量大于離井口2cm處。
　　(4)分析了注入CO2對封存環(huán)境的影響,得到了相關(guān)力學(xué)量的變化規(guī)律和蓋層的損傷演化規(guī)律。注氣壓力的提高會加劇對封存