煤炭地下气化覆岩高温损伤微细观裂隙演化机理研究

In order to reveal the evolution mechanism of overburden fracture caused by high temperature damage in underground coal gasification from microcosmic-microscopic view, for the heated state of overburden, take sandstone in overburden as the typical research object, firstly an experimental device for simulating the unidirectional heating of rock end surface is built to process the thermal stress experiment and the acoustic emission of thermal cracking experiment of sandstone under unidirectional heating, and the thermal cracking evolvement rule with temperature distribution is studied from the perspective of acoustic emission. Then CT scan and digital image processing technology are used to study the meso-structure of pore and fracture with temperature distribution, and the evolvement rule of thermal damage fracture is studied from the fractal point, and the functional relationship of fractal dimension of fracture evolvement and temperature is obtained. The microcosmic-microscopic physicochemical fabric characteristics of sandstone thermal damage and pore parameters variation with temperature is studied by using X-ray diffractometer and scanning electron microscopy (SEM), the influence of organic and inorganic compounds change on the formation and fracture is obtained. Build the thermal cracking mathematical model under thermo-mechanical coupling and simulate the thermal damage fracture evolvement by numerical simulation, basing on multi-disciplines, such as damage mechanics, heat transfer and thermal elasticity mechanics. Finally, based on the temperature distribution, the thermal damage variables and the fractal damage evolution model are put forward, describing the thermal damage evolution process and fracture evolution mechanism by fractal damage perspective will provide a theoretical basis for macroscopic mechanical properties and failure mechanism of overburden in UCG.

为了从微细观角度揭示煤炭地下气化覆岩高温损伤裂隙演化机理，首先针对覆岩受热状态，以覆岩中砂岩顶板为典型研究对象，自建可模拟岩石端面单向加热的实验装置，进行砂岩在单向受热状态下的热应力和热破裂声发射实验，从声发射角度研究热破裂随温度分布的演化规律。然后采用CT扫描和数字图像处理技术研究随温度分布的孔隙裂隙细观结构，从分形角度研究热损伤裂隙演化规律，得到裂隙演化分形维数与温度的函数关系；采用X射线衍射仪和SEM扫描电镜研究砂岩热损伤微细观物化组构特性以及随温度的变化规律，得到有机物和无机物变化对孔隙裂隙的形成和扩展影响规律；基于损伤力学、传热学和热弹性力学等多学科交叉理论，建立热-力耦合作用下热破裂数学模型，数值模拟热损伤裂隙演化过程。最后提出基于温度分布的热损伤变量及分形损伤演化模型，由分形损伤的观点来描述热损伤演化过程和裂隙演化机理，为煤炭地下气化覆岩宏观力学特性和破坏机理提供理论依据。

煤炭地下气化采场附近顶底板岩层经受高温热作用，使围岩发生烧变损伤，热固耦合作用引起的热破裂加剧了覆岩裂隙发育并导致围岩强度降低。为了进一步揭示覆岩在高温作用的下的热损伤破裂特性和机理，本项目自制岩石单向受热和单向约束试验装置，开展了单向受热状态下轴向温度和热应力分布以及热破裂声发射特性研究；单向受热的岩石在高度方向上具有梯度变化的温度，本项目对加热后不同高度上的砂岩试样开展了XRD、SEM、CT扫描和压汞测试分析，从微细观角度分析加热后砂岩的物化组构、孔裂隙特征随温度的变化规律；最后对单向加热模拟试验装置进行了数值模拟。通过开展上述研究，可以得出：试样经600℃单向加热后，高度方向上岩石颜色发生显著变化，各试样的直径稍微增大，高度降低，质量和密度降低；沿高度方向上最高温度基本呈非线性降低；在加热阶段，轴向热应力呈非线性增加，加热停止后呈线性减低，最高热应力达到了11 kN；大部分声发射事件发生在试样升温阶段，在停止加热之后，声发射事件或振铃计数很少；在加热盘快速升温阶段（前500s内），砂岩内即产生了大量的声发射事件；在整个加热过程中，主频基本分为几个频率范围，即20 kHz左右低频区、90 ~ 100 kHz中高频区、110 ~ 120 kHz高频区以及150 kHz左右超高频区；通过CT图像扫描得出，CT数随温度升高呈降低趋势，反映出受热后砂岩密度降低，拟合得到了加热前后CT数差值随温度的变化函数，可作为表征砂岩热损伤的特征量；从SEM扫描图像可知，大于400℃高温下，砂岩热破裂产生了大量小尺度的颗粒，在基质体裂隙边界处颗粒热破裂越明显；通过XRD分析可知主要矿物成分为石英组分，其图谱受温度变化不明显；通过压汞分析可知，孔体积分布主要以中孔和大孔为主，孔隙率在20%左右，温度越大大孔和中孔越发育。通过开展本课题的研究，从微细观层面进一步揭示了梯度温度作用下砂岩的微细观物化组构和孔裂隙特征变化规律，为进一步研究覆岩燃空区扩展以及围岩稳定性控制等具有重要的理论价值。