煤层流变行为及其机理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
40972131
项目类别：
面上项目
资助金额：
50.0万
负责人：
琚宜文
依托单位：
中国科学院大学
学科分类：
D0211.大地构造学与构造地质学
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
钟玲文；李小诗；武昱东；范俊佳；谭静强；雒毅；卫明明；
关键词：
流变条件煤层流变流变机理显微与超微构造不同温压变形实验

项目摘要

岩石圈介质的流变研究已成为大陆岩石圈研究最重要的前沿和热点之一，广泛地受到国内外科学家的瞩目和重视。而浅、表岩石圈中煤岩是含气、含水多相介质的有机岩，其流变行为更为强烈，且与无机岩类差异较大。本项研究以天然条件下煤层流变不同尺度（宏观和微观）的观测研究为基础，进行不同温压变形实验，并与天然条件下煤岩流变特征进行对比分析，以阐明含气和含水多相介质的煤层流变行为；通过实验室条件下模拟天然煤岩的流变过程，研究煤层流变的条件尤其是煤岩脆韧性转换条件，建立流变模式；进而揭示煤层流变的机理与制约因素。这些研究可丰富和发展对地球介质流动的认识，并为煤层有效开采、煤层气勘探开发与煤矿瓦斯突出防治提供科学依据。

结项摘要

煤岩是含气、含水多相介质的有机岩，其流变行为在地壳浅层脆性构造域中比无机岩类更为强烈。本项研究以沁水盆地、两淮煤田和闽西南地区为研究对象，以天然条件下不同尺度的煤层流变特征观测研究为基础，完成了不同温压的煤岩变形实验以及天然和实验煤样X-射线衍射、高分辨透射电镜和红外光谱等测试，开展了构造变形煤宏微观裂隙及孔隙系统的研究；通过实验条件下与天然条件下煤岩流变特征的对比与分析，阐明了多相介质的煤层流变行为，建立了流变模式，探讨了煤层流变的机理与制约因素，丰富和发展了地球介质流动的认识，并为煤层有效开采、煤层气勘探开发与煤矿瓦斯突出防治提供了科学依据。.按照项目任务书规定的研究内容，经过三年的煤层流变现场观测、室内测试实验及综合研究，达到了预期目标，获得了如下主要成果和认识：.（1）复杂地质条件下煤层受到构造应力作用容易发生流变，主要流变类型有韧性流变、脆性流变和脆韧性流变。煤层流变在宏观上不仅会引起煤层厚度和形态的变化，而且还产生不同的流变构造，包括煤层揉皱、穿刺和岩楔构造、煤层顺层滑动构造和复合煤层流变组合等；微观观察发现从脆性流变至韧性流变，煤岩大分子结构从滑移向蠕变转变，从无序向有序转变，尤其是韧性流变煤的基本结构单元呈定向排列。通过X射线衍射和高分辨透射电镜等研究表明，不同类型的流变煤表现出多个基本结构单元之间的内部滑移或蠕变特征。.（2）在短时实验条件下，当高煤级原生结构的干燥煤样实验温度达到400℃，围压大于70MPa，应变速率小于10-5/s时，达到脆韧性转化条件。在400℃条件下应力指数为7.2，属于脆韧性流变范围，在350℃条件下应力指数为24.6，属于脆性流变范围，而在天然条件下温度与压力较低，应变速率也更低，煤层就会发生韧性流变。实验条件下流变煤岩在显微镜下可见脆性和脆韧性变形特征。.（3）在构造应力作用下, 煤岩脆性流变主要是通过破裂面上快速机械摩擦发生滑移与流动，发育更多的次生裂隙；而韧性流变主要是通过局部区域应变能的积累而引起煤岩基本结构单元的蠕变和有序排列。与脆性流变相比，韧性流变作用更容易造成煤大分子结构单元发生滑移和蠕变，储存大量应变能，产生大量次生结构缺陷和微孔隙，因此易于发生煤与瓦斯突出。