煤是一种由孔隙和裂隙组成的双重孔隙介质,其中存在大量游离状态和吸附状态的煤层气。煤体变形受到游离态气体产生力学作用和吸附态气体产生吸附膨胀作用的双重影响。本文利用三轴固流耦合试验系统,使用3种不同气体(Ar、CO2、CH4)充当孔隙介质,在恒温恒压条件下测量不同孔隙压力引起煤体的轴向变形和径向变形。通过计算煤体的应力应变来研究孔隙气体引起煤体的变形效应及有效应力规律,进而分析气体孔隙压力和吸附作用这两种因素单独引起的煤体变形效应及有效应力规律。通过系统的实验与理论分析,获得如下结果:(1)应力约束下,煤体孔隙中的气体对煤体存在两种作用形式:游离态气体压力对固体骨架的力学作用和吸附态气体产生的吸附膨胀作用。孔隙气体压力相同时,煤体在游离态气体作用下产生的变形相同,而吸附态气体引起煤体的变形不同。(2)气体孔隙压力和吸附作用单独引起煤体的轴向变形和径向变形都随孔隙压的增大而增大,都近似为线性关系,且垂直于层理方向的变形大于平行于层理方向的变形。(3)当煤体孔隙为单相CH4充满时,孔隙压力引起煤体的变形大于吸附作用引起煤体的变形;当煤体孔隙为单相CO2充满时,吸附作用引起煤体的变形大于孔隙压力引起煤体的变形。(4)孔隙气体作用下煤体的有效应力系数?遵循关于孔隙压力和体积应力的双线性规律;气体孔隙压力作用下煤体的有效应力系数?p和气体吸附作用下煤体的有效应力系数?a也同样遵循关于孔隙压力和体积应力的双线性规律,且?(28)?p(10)?a。(5)根据实验结果,依据轴向变形和体积变形分别计算出煤体的有效应力系数。发现煤体的有效应力系数存在各向异性,垂直于层理方向的有效应力系数大于平行于层理方向的有效应力系数。(6)通过建立CO2驱替煤层CH4的简化模型,发现不论是采用相同压力还是高于煤层瓦斯压力的CO2来驱替煤层气的过程中,引起煤层有效应力的增加量都随深度的增加而减小,煤层垂向的变形量同样随深度的增加而减小,且都具有良好的线性关系。更多还原