型煤峰后滲透特性試驗研究*

馬建宏，候　超，信長喻，李建明

(1. 河南理工大學，河南 焦作 454000；2. 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000； 3. 鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限公司，河南 鄭州 450000)

0　引　言

瓦斯事故一直是我國煤礦五大災害之首，中國也已經(jīng)成為世界上瓦斯災害最為嚴重的國家，礦井瓦斯真正受到人們的普遍關(guān)注是在20世紀，且多半是由于瓦斯所造成的災害事故[1]，，面對這種嚴峻的局面，國內(nèi)外學者開展了大量關(guān)于煤體滲透特性的研究。1984年，S.HarPaalni[2]與J.Gawuga[3]以煤層賦存的地質(zhì)條件為前提，探討了含瓦斯煤樣在受載狀況下的滲透特性。V.Khodot[4]學者以煤層賦存的地物場環(huán)境和地質(zhì)條件為前提，探討了含瓦斯煤樣的力學狀況，系統(tǒng)的分析了瓦斯?jié)B流和煤巖體之間的固氣力學特征。1997年，Enever[5]通過研究含瓦斯煤層的滲透性與有效應力之間的互相影響，總結(jié)出了煤層中應力的增量和滲透能力變化表示出指數(shù)特征。其后，周世寧和林柏泉[6]進行了模擬實驗，探討了原巖應力環(huán)境對瓦斯的滲透性能作用。仵彥卿[7]通過巖體滲流與應力關(guān)系測試，總結(jié)出巖體滲透系數(shù)與有效應力存在冪指數(shù)關(guān)系。李樹剛[8]初次提出了煤樣滲透系數(shù)—體積應變方程，該方程基于采場卸壓瓦斯的運移規(guī)律明顯受礦山壓力影響的原理[9]。梁冰、劉建軍[10]對差別溫度下煤巖應力和瓦斯壓力的分布規(guī)律進行了數(shù)值模擬創(chuàng)立了考慮溫度場、應力場和滲流場的固氣耦合數(shù)學模型。趙延林、曹平[11]等，以巖體結(jié)構(gòu)力學和細觀損傷力學為依據(jù)，建立了合適的裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合數(shù)學模型。唐春安[12]研究團隊在分析巖石破裂過程中滲透率演化時，基于統(tǒng)計損傷力學建立了裂隙損傷同滲透率演化的耦合模型。劉先珊等[13]以現(xiàn)有裂隙變形曲線的研究成果為依據(jù)，創(chuàng)立了滲透系數(shù)與卸荷應力、應變間的本構(gòu)關(guān)系。許江[14]等運用三軸滲透裝置開展了不同環(huán)境溫度和不同有效應力條件下長期荷載作用前后含瓦斯煤的滲透率演化試驗研究，并在此基礎(chǔ)上分析了長期荷載作用前后煤樣滲透率對有效應力以及環(huán)境溫度的敏感性。 袁欣鵬[15]等為研究井下卸壓抽采時瓦斯流動規(guī)律，建立煤層滲透率演化模型，從應力條件和孔隙壓力2個方面，結(jié)合煤樣滲透率試驗，對該模型進行有效性驗證。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，瓦斯抽采技術(shù)在各個礦區(qū)應用，我國在煤體滲透特性演化規(guī)律研究方面已取得了一些成果，在一定程度上較好的指導了煤礦開采過程中的瓦斯抽采及增透技術(shù)。目前存在的問題主要是針對型煤峰值強度后的滲透率演化特征研究較少。所以，開展型煤峰值強度后滲透特性研究很有現(xiàn)實意義，在探索出峰后強度滲透率演化的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他瓦斯治理措施，進行全方位的瓦斯治理，才能更好的解決瓦斯超限和局部瓦斯積聚的問題。

1　試驗過程

1.1　型煤制備及試驗系統(tǒng)

本實驗所采集煤樣為鄭煤集團大坪礦煤，按照標準制作成尺寸為Φ50 mm×H100 mm的圓柱標準型煤試件，型煤的制作方法為：將取來的煤樣在破碎機中破碎為煤粉，用0.5 mm的篩子過篩，之后將一定比例的煤粉、水攪拌均勻，放在壓力機上以200 kN的壓力壓制30 min后在脫模機上脫模即可。

試驗采用滲流模擬-吸附解吸試驗裝置，儀器采用模塊化設(shè)計，便于操作、移動和維護。儀器自動化程度高，實時采集壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)，自動控制電磁閥、氣動閥的工作狀態(tài)，自動處理滲流曲線和自動出具實驗報告。試驗裝置如圖1所示。

圖1　煤巖三軸蠕變—滲流試驗系統(tǒng)Fig.1　Three-axis creep-seepage test system for coal and rock

1.2　試驗原理及方案

設(shè)有一橫截面積為A，長度為L的巖石，將其夾持于巖心夾持器中，如圖2所示，使粘度為μ的流體在壓差△P下通過巖心，測得流量Q。實驗證明單位時間通過巖心的體積流量Q與壓差△P和巖心橫截面積A成正比，與巖心的長度L和流體的粘度成反比：

圖2　滲透率計算模型Fig.2　Permeability calculation model

(1)

這就是所謂的“達西方程”，從式中看出A、L是巖石的幾何尺寸，△P是外部條件，當外部條件、幾何尺寸、流體性質(zhì)都一定時，流體通過量Q的大小就取決于反映巖石可滲性的比例常數(shù)K的大小，我們把K稱為巖石的滲透率；式(1)可改寫成為：

(2)

此式便可計算巖石的滲透率。

前面討論的都是以不可壓縮流體(液體)為基礎(chǔ)的，我們設(shè)計的氣體滲透率是以氣體作為介質(zhì)，因為氣體是壓縮流體，所以達西方程式需要修正才能應用。

眾所周知，可壓縮的氣體最大特點是當壓力增加流體能被壓縮；當壓力降低時，流體就發(fā)生膨脹；當溫度一定時，流體的膨脹服從玻義爾定律。如果以最簡單的平面線滲流考慮，設(shè)進口壓力為P1，出口壓力為P2。顯然，當壓力從P1變化到P2時，氣體的體積必然變化，故流速也變化。因此，必須考慮用平均體積流量Q代入達西方程。

若把氣體膨脹視為等溫過程，按玻義爾定律：

(3)

(4)

(5)

從上面分析得出對可壓縮流體的達西公式的修正只把流量用平均流量代入即可：

(6)

式中：μg為氣體的粘度。

本試驗所采用的試驗方案為：測定瓦斯壓力為0.7 MPa時，圍壓分別為2，3，4 MPa條件下加載軸壓至煤樣破壞后卸載軸壓、圍壓過程中滲透率的變化，以及卸載完成后加載至二次破壞過程中的滲透率的變化特性，以用來模擬煤礦開采過程中煤層所受應力的反復增加與降低。

2　試驗結(jié)果分析

煤樣破壞后測定卸載過程中，以及給予一定的圍壓加載軸壓煤樣發(fā)生二次破壞過程中滲透率的變化，A1在煤樣瓦斯壓力為0.7 MPa，圍壓為2 MPa條件下，加載至煤樣破壞后，測定卸載圍壓、軸壓過程中，以及測定圍壓為1 MPa加載軸壓至煤樣發(fā)生二次破壞過程中的瓦斯流量變化，得出以下曲線，見圖3。

圖3　A1煤樣峰后卸壓及二次破壞過程滲透率變化曲線Fig.3　Permeability change curve of A1 coal sample after stress peak unloading and secondary damage process

由圖3(a)可知，A1煤樣破壞后圍壓保持2 MPa不變，以20 N/S的速率卸載軸壓，應力由12～1 MPa，在此過程中隨著軸壓的減小，煤樣的裂隙逐漸擴張，同時滲透率逐漸增大。軸向應力降至1 MPa時滲透率增加到約1.075 mD，較卸載前增加了約1.3倍。

由圖3(b)可知，煤樣軸壓卸載至1 MPa后，開始卸載圍壓，煤樣產(chǎn)生的裂隙失去圍壓約束開始松弛，其滲透率逐漸增大，圍壓卸載至1 MPa后滲透率增加到約1.14 mD比卸載之前增大了約1.32倍。

由圖3(c)可知，煤樣破壞后隨著軸向壓力的增大，其裂隙被壓縮此時滲透率逐漸減少，軸壓增大到一定程度時煤樣發(fā)生二次破壞，裂隙逐漸擴展?jié)B透率又開始逐漸增大，整個過程中滲透率變化近似U型，A1煤樣初次破壞后開始卸載軸壓時的滲透率約為0.85 mD，而二次破壞過程中的滲透率極小值約為1.05 mD，可見煤樣發(fā)生二次破壞過程中其滲透率整體增大，這是由于煤體中已有裂隙通道的存在，二次破壞過程中該裂隙通道先閉合后又發(fā)展新的裂隙通道。

A2在煤樣瓦斯壓力為0.7 MPa，圍壓為3 MPa條件下，加載至煤樣破壞后測定卸載圍壓、軸壓過程中，以及測定圍壓為2 MPa加載軸壓至煤樣發(fā)生二次破壞過程中的瓦斯流量變化，得出以下曲線，見圖4。

圖4　A2煤樣峰后卸壓及二次破壞過程滲透率變化曲線Fig.4　Permeability change curve of A2 coal sample after stress peak unloading and secondary damage process

由圖4(a)可知煤樣加載至峰值應力破壞之后卸載軸向應力由15 MPa至1 MPa過程中其滲透率逐漸增大，增大速率先緩后快，其滲透率比圍壓2 MPa條件下有所降低，原因為圍壓增大，使煤樣增密從而減小了其滲透特性，軸向應力降低至1MPa后滲透率增加到約0.9 mD，增大了約1.8倍。

由圖4(b)可知當A2煤樣軸向應力卸載至1 MPa時開始卸載圍壓由3～1 MPa，在此過程中煤樣橫向約束力減小，其破壞后產(chǎn)生的裂隙開始擴張滲透率呈近似線性增長，圍壓卸載完成后滲透率增加到約1.15 mD，較卸載之前增大了約1.32倍。

由圖4(c)可知當A2煤樣圍壓和軸向應力均降為1 MPa后，增大A2煤樣的圍壓至2 MPa，在此過程中煤樣的破壞裂隙又重新閉合其滲透率呈近似線性減小，圍壓增加1 MPa其滲透率減小了約1.17倍。

由圖4(d)可知當A2煤樣圍壓加到2MPa時開始增大其軸向應力，當軸向應力約為9 MPa時煤樣發(fā)生二次破壞，A2煤樣初次破壞峰值強度是二次破壞峰值強度的2.33倍。整個過程中A2煤樣的滲透率先減小后增大，原因為在初始加壓時A2煤樣的破壞裂隙發(fā)生閉合致密，滲透率在此階段逐漸減小，當加載軸向應力約為9 MPa時，煤樣發(fā)生二次破壞，產(chǎn)生新的裂隙，此時滲透率又開始增大，整個過程滲透率變化趨勢先減后增近似U型。

對比圖4(a)可知A2煤樣初次破壞后卸載軸壓時的滲透率約為0.48 mD，而A2煤樣二次破壞過程中的滲透率極小值約為0.53 mD，由此可見A2煤樣二次破壞過程中的滲透率整體要大于初次破壞過程中的滲透率。

A3煤樣瓦斯壓力為0.7 MPa，圍壓為4 MPa，加載至煤樣破壞后測定卸載圍壓、軸壓過程中，以及定圍壓為3 MPa加載軸壓至煤樣發(fā)生二次破壞過程中的瓦斯流量變化，得出以下曲線，見圖5。

由圖5(a)可知A3煤樣在圍壓為4 MPa的條件下軸向應力加載至20 MPa后發(fā)生破壞，在卸載軸向應力由20 MPa至1 MPa的過程中其破壞裂隙逐漸擴張，A3煤樣的滲透率逐漸增大，當軸向應力降為1 MPa時滲透率增大了約1.3倍。

由圖5(b)可知當A3煤樣軸向應力卸載到1 MPa時開始卸載其圍壓由4～1 MPa，在此過程中A3煤樣破壞后產(chǎn)生的裂隙約束力減小，裂隙略微擴張，其滲透率逐漸增大，當圍壓降為1MPa時滲透率增大了約1.25倍。

由圖5(c)可知當A3煤樣圍壓和軸向應力均降為1 MPa后，增大A3煤樣的圍壓至3 MPa，在此過程中煤樣的破壞裂隙又重新閉合，瓦斯?jié)B流通道變小，氣體通過煤樣的滲流阻力增大，其滲透率呈近似線性減小，圍壓增加2 MPa其滲透率減小了約1.22倍。

由圖5(d)可知當A3煤樣圍壓加到3 MPa時開始增大其軸向應力，當軸向應力約為13 MPa時煤樣發(fā)生二次破壞，A3煤樣初次破壞峰值強度是二次破壞峰值強度的1.76倍。整個過程中A3煤樣的滲透率先減小后增大，原因是在初始加壓時A3煤樣的破壞裂隙發(fā)生閉合致密，滲透率在此階段逐漸減小，當加載軸向應力約為13 MPa時，煤樣發(fā)生二次破壞，產(chǎn)生新的裂隙，此時滲透率又開始增大。

圖5　A3煤樣峰后卸壓及二次破壞過程滲透率變化曲線Fig.5　Permeability change curve of A3 coal sample after stress peak unloading and secondary damage process

對比圖5(a)可知A3煤樣初次破壞后卸載軸壓時的滲透率約為0.64 mD，而A3煤樣二次破壞過程中的滲透率極小值約為0.62 mD，由此可見，A3煤樣二次破壞過程中的滲透率整體要大于初次破壞過程中的滲透率，同A1，A2煤樣二次破壞過程中與初次破壞的滲透率對比相一致。

將得到的各煤樣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計得到表1。

表1　煤樣試驗結(jié)果Table 1　The result of the coal sample experiment

3　結(jié)論

1)煤樣峰值強度后的滲透率較初始狀態(tài)有所增大，峰值強度后開始卸載圍壓和軸壓由于在此過程中破壞產(chǎn)生的裂隙失去力的作用，裂隙張開一定程度，其滲透率均增大，其后，給煤樣固定一個圍壓加載軸壓使煤樣發(fā)生二次破壞，此過程中煤樣的裂隙先閉合到二次破壞時出現(xiàn)新的裂隙，滲透率先減后增整體呈U型趨勢。

2)煤樣發(fā)生二次破壞過程中的滲透率整體上要大于初次破壞過程中的滲透率。

3)當煤樣應力降至1 MPa時滲透率隨著圍壓的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于圍壓的增大使煤樣圍向約束加大，從而使煤樣中的裂隙通道張開度減小，瓦斯在裂隙中的流動阻力增大。

[1]林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2010.

[2]Harpalani, S Gas flow through stressed coal [D]. University of California Berkeley,1985.

[3]Gawuga J. Flow of gas through stressed carboniferous strata [D]. University of Nottingham,1979.

[4]Khodot, V V Role of Methane in the stress state of a coal seam[J]. Fiziko-Tekhnicheskie Problemy Razrabotki poleznykh iskopaemykh, 1980(5).

[5]J.R.E.Enever,A.Henning,The Relationship Between Permeability and Effective Stress for Australian Coal and Its Implications with Respect to Coalbed Methane Exploration and Reservoir Modelling[C].Proceedings of the 1997 International Coalbed Methane Symposium.

[6]林柏泉，周世寧.煤樣瓦斯?jié)B透率的實驗研究[J].中國礦業(yè)學院學報，1987,16(1): 21-28 .

LIN Baiquan, ZHOU Shining.Experimental study on gas permeability of coal samples [J]. Journal of China University of Mining and Technology, 1987,16 (1): 21-28.

[7]仵應卿.裂隙巖體應力與滲流關(guān)系研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1995,12(2):30-35.

WU Yingqing. Study on the relationship between stress and seepage in fractured rock masses [J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 1995,12 (2): 30-35.

[8]李樹剛，錢鳴高，石平五.煤樣全應力應變中的滲透系數(shù)-應變方程[J].煤田地質(zhì)與勘探，2001，29(1): 22-24.

LI Shugang, QIAN Minggao, SHI Pingwu. Permeability coefficient-strain equation in full stress strain1[J]. Coal Geology and Exploration, 2001,29 (1): 22-24.

[9]李樹剛，林海飛，成連華.綜放開采支承壓力與卸壓與瓦斯運移關(guān)系研究[J].巖石力學與工程學報，2004, 23(21).

LI Shugang, LIN Haifei, CHENG Lianhua.Study on the relationship between bearing pressure and pressure relief and gas migration in fully mechanized top coal caving mining [J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23 (21).

[10]ZHAO Yangsheng. New advances of block-fractured medium rock fluid mechanics[A].Proceedings engineering. of Im .Symp.On coupled Phenomenain civil mining&Petroleum Sanya, Hainan, China. Nov. 1999.

[11]郭軍杰，程曉陽. 循環(huán)載荷下煤樣滲透特性試驗研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2017, 13(6).

GUO Junjie, CHENG Xiaoyang.Experimental study on permeability of coal samples under cyclic loading [J].Journal of Safety Science and Technology, 2017, 13(6).

[12]Tang, C.A., Yang, T.H., Tham, L.G., Lee, P.K.K. & Li, L.C. Coupled Analysis of Flow, Stress and Damage (FSD) in Rock Failure[J]. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2002, 39(4):477-489

[13]劉先珊，林耀生，孔建. 考慮卸荷作用的裂隙巖體滲流應力耦合研究[J]. 巖土力學,2007(S1):192-196.

LIU Xianshan, LIN Yaosheng, KONG Jian.Study on seepage stress coupling of fractured rock mass considering unloading [J]. Rock and Soil Mechanics, 2007(S1): 192-196.

[14]許江，葉桂兵. 長期荷載作用下煤層滲透率演化規(guī)律的試驗分析[J]. 重慶大學學報,2013(9):1-7.

XU Jiang, YE Guibing.Experimental analysis of coal seam permeability evolution under long term load [J]. Journal of Chongqing University, 2013(9): 1-7.

[15]袁欣鵬，梁冰. 卸壓煤層瓦斯抽采滲透率演化模型研究[J]. 中國安全科學學報,2016(2):127-131.

YUAN Xinpeng, LIANG Bing.Study on evolution model of gas extraction permeability in pressure-relieved coal seam [J]. Journal of Chinese Society for Safety Science, 2016(2): 127-131.