煤系地层岩石的温压耦合导热特性实验研究

Under the influences of high ground stress, high ground temperature and mining disturbance, there produce a large number of fractures in the surrounding rock of deep mines, leading to the change of heat conduction characteristics of rock mass. Meanwhile, the change of heat conduction characteristics will affect the temperature distribution in the rock mass, which is likely to further affect the mine meteorological environment and the soft rock stability in deep mines. This project plans to start from the rock thermophysical properties under temperature and pressure to carry out the research. On the platform of “20MN and 600℃ Servo-controlled Triaxial Rock Testing System with High Temperature and High Pressure” , transient radial heat flow method with cylindrical sample will be adapted to study the change rules of rock thermal diffusivity and conductivity while the fractures come into being, extend, and connect in the rock in the temperature and stress scale of coal measure strata. This research will be able to uncover the heat-transfer characteristics of the deep engineering rock mass with temperature and pressure coupled, which can provide theoretical guidance and foundation for heat hazard prevention and control, stability control of soft rock, and extracting and using of geothermal energy source in deep mines.

在高地压、高地温和开挖（采）扰动共同影响下，深部矿井围岩的完整性会逐渐遭到破坏而产生裂隙，进而使岩体的导热性能发生改变。岩体导热性能的改变会使地温再分布，从而对井下的气象环境和深井软岩的稳定性产生影响。项目拟从温度和压力共同作用下岩石的热物理性质入手，以“600℃ 20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”为实验平台，采用圆柱体试样瞬态径向热流法，在煤系地层的地压和地温尺度上，研究温度和压力共同作用下岩石在裂隙产生、扩展和贯通演化过程中的等效导温系数和导热系数的变化规律。项目研究将揭示深部工程岩体的温压耦合传热特性，可为深部矿井热害防治、深部软岩稳定性控制，甚至矿山地热资源的提取利用提供理论指导和依据。

高温高压条件下岩体的传热特性是诸如深部矿井开采、干热岩开采、煤炭地下气化、煤炭地下原位热解开采等深地工程中的关键科学问题之一。本项目综合采用理论分析、实验室实验和数值计算等方法，对温度和压力作用下岩石的导热特性进行了研究。. 项目基于傅里叶导热定律，通过合理简化和科学假设，建立了一维半无限大的岩石试样径向导热物理模型和数学模型，提出了基于圆柱体岩石试样非稳态温度场实测数据的岩石导热系数反演计算方法，并自主研制了圆柱体试样岩石导热系数测试仪，为测量温度和压力作用下圆柱体岩石试样的导热系数提供了方法保障；采用差示扫描量热法和高温岩石力学试验方法，分别测试了室温~500℃范围内砂岩、泥岩和无烟煤的比热容及室温~800℃范围内砂岩、泥岩的强度和变形参数，得出了岩石比热受晶格振动能增加、结晶水脱水吸热、矿物氧化放热等因素影响而表现出的阶段性变化特征，揭示了在温度作用下岩石比热容的演化规律和岩石的实时高温力学特性，为导热系数的实测和反演计算提供了支撑；采用自主研制的岩石导热系数测试仪，测试了室温~400℃和80%极限强度范围内砂岩、泥岩和无烟煤的导热系数，得出了砂岩、泥岩的导热系数与温度之间近似符合指数函数关系、与轴压之间近似符合幂函数关系的结论，揭示了岩石导热性质的温度效应和应力效应，为研究高温高压条件下岩体的传热过程提供了依据；基于砂岩、泥岩和煤的高温热物性，开展了煤炭地下气化采场围岩温度场的数值模拟研究，揭示了煤炭地下气化采场围岩温度分布的演化规律。. 研究成果在保障深地资源开采的高效、安全和可持续性等方面具有一定的理论和现实意义。