煤体吸附膨胀应力试验装置研发及应力演化特征研究

摘要

为探究煤体吸附CO₂过程膨胀应力动态演化特征，从装置气密性、限位有效性和测力计可靠性等关键技术难点着手，研发了集轴向限位系统、数据监测系统、孔隙压控制系统和温度控制系统于一体的煤体吸附膨胀应力试验装置.结果表明：研发的煤体吸附膨胀应力试验装置具有良好的气密性与轴向限位能力，能够有效控制煤体95%以上的轴向变形量，实现10 MPa以内的气体压力及吸附膨胀应力动态测试功能.基于该装置开展了CO₂作用下煤体吸附膨胀应力试验，分析了膨胀应力动态演化特征.煤体吸附CO₂过程中的吸附膨胀应力随时间的动态演化曲线表现出3类曲线形式. CO₂气体压力较低时，吸附气体对煤体的力学损伤作用不明显，曲线主要由充气压缩应力减小和吸附膨胀应力增大两阶段构成，表现为Ⅰ类曲线，具有显著的Langmuir曲线特征；随着气体压力升高，煤体因吸附“蚀损”作用引发的力学损伤导致曲线出现应力减小现象，形成Ⅱ类曲线；一旦力学损伤导致的应力减小值超过吸附膨胀导致的应力增大值，吸附平衡后的吸附膨胀应力值较初始值明显减小，表现为Ⅲ类曲线.建立了考虑煤体力学损伤的吸附膨胀应力动态演化双Langmuir模型，能精确拟合吸附膨胀应力随时间的演化关系.

关键词

气固耦合 / 膨胀应力 / 应力演化 / 试验装置 / 吸附膨胀应力模型