中高階煤樣承載過程裂隙演化及瓦斯?jié)B透性變化對(duì)比

郭軍杰，程曉陽

(1.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引 言

煤體裂隙演化對(duì)瓦斯?jié)B透率的變化具有重要的影響。深入研究煤樣承載過程中裂隙演化對(duì)瓦斯?jié)B透性變化的控制作用，是解決煤礦瓦斯治理及抽采的基本問題。

李紅濤[1]通過手工制作較軟的構(gòu)造煤試驗(yàn)煤樣，研究了構(gòu)造煤滲透率隨堅(jiān)固性系數(shù)(用f表示)減小而減小的規(guī)律，滲透率與孔隙度之間的關(guān)系；倪小明等[2-3]通過研究構(gòu)造煤類型與滲透率之間的關(guān)系，認(rèn)為隨著構(gòu)造變形程度的加大，煤層的滲透率逐漸減?。灰庵镜萚4-5]對(duì)比研究了型煤和原煤的變形和滲透率之間的關(guān)系；潘榮錕等[6]研究了不同加卸載下層理裂隙煤體的滲透特性；李波波[7]、劉大錳等[8]不同開采條件下煤巖損傷演化與煤層瓦斯?jié)B透機(jī)理；王偉等[9]建立了深部含瓦斯煤體滲透率演化及卸荷增透理論；張朝鵬等[10]研究了低滲透巖石三軸壓縮過程中的滲透性；程遠(yuǎn)平等[11]研究了不同瓦斯壓力原煤應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程中的滲透特性；王登科等[12]建立了基于Klinkenberg效應(yīng)影響的煤體瓦斯?jié)B流規(guī)律及其滲透率計(jì)算方法；魏建平等[13]、WANG等[14]、SHI等[15]探討了含瓦斯煤滲透率動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。目前對(duì)不同應(yīng)力路徑下煤巖滲透性變化研究已有豐富的成果，但對(duì)常規(guī)三軸下煤樣峰后滲透率變化的描述還較少。

本文擬選取硬度較高的無煙煤2個(gè)，屬于中硬煤樣的煙煤2個(gè)，根據(jù)常規(guī)三軸下煤樣應(yīng)變、聲發(fā)射和滲透率數(shù)據(jù)，分析煤樣裂隙演化對(duì)滲透率變化控制作用，為瓦斯治理和抽采提供理論幫助。

1 試驗(yàn)方案及煤樣

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備為自主研發(fā)，主要由軸壓和圍壓加載控制系統(tǒng)、氣滲透系統(tǒng)、流量測(cè)量系統(tǒng)、壓力傳感與伺服控制系統(tǒng)、聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)六部分構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸壓的加載-卸載以及各種氣體的滲透和聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，見圖1。主要技術(shù)參數(shù)：軸壓加載范圍：0～120 MPa；圍壓加載范圍：0～60 MPa；瓦斯壓力范圍：0～10 MPa；軸向位移范圍：0～100 mm；溫度控制范圍：室溫-150 ℃；負(fù)壓控制范圍：0～100 kPa；軸向載荷控制方式：位移控制、應(yīng)力控制；圍壓載荷控制方式：應(yīng)力控制；應(yīng)力值誤差范圍：示值的+0.5%；變形量誤差范圍：示值的+0.5%；溫度控制誤差：+0.5 ℃；負(fù)壓測(cè)量誤差：示值的+1%；實(shí)驗(yàn)過程相關(guān)參數(shù)均為全自動(dòng)采集。聲發(fā)射參數(shù)采集設(shè)備為DS5-8B型全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀。

圖1 三軸應(yīng)力滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The triaxial stress seepage experiment system

氣體參數(shù)設(shè)定：試驗(yàn)氣體為純度99.99%甲烷，圍壓為2 MPa，瓦斯出口壓力0.6 MPa，進(jìn)口壓力1.6 MPa，試驗(yàn)溫度為20 ℃，測(cè)試加載過程中瓦斯?jié)B透率。

聲發(fā)射試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：為了保障聲發(fā)射信號(hào)接收的可靠性，在煤樣加載裝置的底座上對(duì)稱布置兩個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，頻率為3 MHz，通道使能50 mV，撞擊閉鎖時(shí)間200 μs，采用門限觸發(fā)控制，門檻值50 dB。

1.2 煤樣

1.2.1 煤樣采集及編號(hào)

試驗(yàn)煤樣來自山西晉煤集團(tuán)寺河礦的3#無煙煤和河南平頂山礦區(qū)十礦的煙煤。寺河礦的采樣地點(diǎn)為西二盤區(qū)W2301工作面，煤層埋深-460 m，結(jié)構(gòu)均一，以水平層理為主且煤質(zhì)堅(jiān)硬。平頂山十礦的采用地點(diǎn)為-140水平戊七采區(qū)東翼的戊9-11煤。無煙煤用W1和W2表示，煙煤用Y1和Y2表示。

1.2.2 煤樣基礎(chǔ)參數(shù)

寺河礦兩個(gè)煤樣為無煙煤，鏡質(zhì)體反射率分別為3.43、3.38，顯微組成中的鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組、惰質(zhì)組和礦物參數(shù)分別為90、無、7和3。平頂山礦區(qū)兩個(gè)煤樣為煙煤，鏡質(zhì)體反射率分別為1.16和1.14，顯微組成中的鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組、惰質(zhì)組和礦物參數(shù)分別為83、6、9、2和83、5、9、3。

兩種煤樣力學(xué)性能參數(shù)見表1。煤樣軟硬分析，兩個(gè)無煙煤的三軸強(qiáng)度分別是67.700 MPa和58.576 MPa，強(qiáng)度都大于40 MPa，屬于硬煤。而兩個(gè)煙煤的三軸強(qiáng)度分別是27.935 MPa和25.205 MPa，兩個(gè)煤樣強(qiáng)度都大于20 MPa，小于40 MPa，屬于中硬煤。

2 試驗(yàn)結(jié)果

4個(gè)煤樣的聲發(fā)射和滲透率測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

表1 兩種煤樣的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of two types of coal

圖2 煤樣聲發(fā)射和滲透率測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results for acoustic emission and permeability of coal samples

圖2所示的4個(gè)煤樣應(yīng)力應(yīng)變-聲發(fā)射-滲透率變化具有一定規(guī)律性。在峰值前，4個(gè)煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線、聲發(fā)射振鈴數(shù)變化趨勢(shì)和滲透率變化趨勢(shì)較為一致，煤樣應(yīng)變?cè)隽拷?jīng)歷了減速、勻速和加速三個(gè)階段，而聲發(fā)射振鈴數(shù)和滲透率變化趨勢(shì)則經(jīng)歷了下降、穩(wěn)定和上升三個(gè)階段。而在峰值后，無煙煤與煙煤具有較大的差異性，兩個(gè)無煙煤的應(yīng)變曲線下降較陡，未出現(xiàn)多個(gè)殘余強(qiáng)度值，且聲發(fā)射振鈴數(shù)和滲透率數(shù)據(jù)在峰值后測(cè)不到；而兩個(gè)煙煤的應(yīng)變曲線下降較緩，出現(xiàn)多個(gè)殘余強(qiáng)度值，且聲發(fā)射振鈴數(shù)和滲透率還能夠被監(jiān)測(cè)到。

3 討 論

受載煤體在破壞過程中，不同的測(cè)試手段反映的研究對(duì)象也不盡相同。力學(xué)變形反映了煤體在受載過程中整體變形的情況。聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)則反映煤體內(nèi)部裂隙壓縮、萌生、擴(kuò)展、集結(jié)、貫通等情況，在裂紋發(fā)展的各個(gè)階段，伴隨著不同的聲發(fā)射現(xiàn)象。而滲透率測(cè)試手段反映煤體裂隙演化過程對(duì)滲透率的影響。三者具有一定密切的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，也有較大的差異，不可等同。

3.1 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程裂隙演化與聲發(fā)射特征

研究表明，無論是單軸壓縮試驗(yàn)還是三軸壓縮試驗(yàn)[16-17]，與應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線6階段相對(duì)應(yīng)，聲發(fā)射事件頻次也有相應(yīng)的規(guī)律性變化。

圖2顯示本次試驗(yàn)煤樣應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)全過程中，裂隙演化聲發(fā)射特征分析如下。

1) 加載初期壓密階段(OA段)。本次試驗(yàn)的4個(gè)煤樣在加載初期，聲發(fā)射事件相對(duì)量比較大，并隨著應(yīng)力升高逐步降低，表明煤樣在初始?jí)好茈A段，初始裂隙被壓縮，并有損壞。與致密孔隙的頁巖相比，煤體不僅有致密的基質(zhì)孔隙，還有大量的寬度較大的裂縫。

2) 準(zhǔn)彈性階段(AB段)。4個(gè)煤樣在準(zhǔn)彈性階段由于試樣內(nèi)部某些閉合的裂紋之間同樣會(huì)發(fā)生滑移，也會(huì)有產(chǎn)生能量較低的聲發(fā)射事件，聲發(fā)射活動(dòng)較少，表現(xiàn)為柱狀圖比較稀疏，是聲發(fā)射活動(dòng)相對(duì)平靜的時(shí)期。這個(gè)階段與聲發(fā)射事件中間量較為稀疏的穩(wěn)定階段相對(duì)應(yīng)。

3) 進(jìn)入屈服階段(BC段)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離應(yīng)力軸，應(yīng)力速率逐漸降低，表現(xiàn)出煤樣的初步損傷發(fā)展過程，煤樣內(nèi)部微裂紋開始形成并出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象，聲發(fā)射事件逐漸趨于活躍，計(jì)數(shù)和能量大幅度增大，標(biāo)志煤樣破壞前兆。本階段與聲發(fā)射急劇上升階段的前期具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4) 破壞階段(CD段)。煤樣內(nèi)部微裂紋發(fā)生聚合、貫通，從而導(dǎo)致了宏觀破裂面的形成，裂紋之間相互作用開始加劇，聲發(fā)射事件異常活躍，聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量迅速提高，煤樣破壞瞬時(shí)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量均達(dá)到最大值。本階段與聲發(fā)射急劇上升的后期具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5) 峰后貫通裂隙持續(xù)發(fā)展階段(DE段)：而后煤樣沿某破裂面產(chǎn)生宏觀滑移，軸向應(yīng)力迅速跌落，煤樣整體失去承載能力，聲發(fā)射事件又迅速減少，聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量也隨即降低。與峰后的聲發(fā)射事件較為稀疏相對(duì)應(yīng)。

6) 殘余強(qiáng)度階段(EF段)：裂隙停止發(fā)育，聲發(fā)射停止活動(dòng)。

3.2 裂隙演化對(duì)滲透率變化控制分析

關(guān)于峰值前巖石滲透率變化的特征，特別是彈性階段滲透率的變化特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行詳盡的研究，并提出了一系列經(jīng)驗(yàn)和理論公式[18-19]。但對(duì)峰值后滲透性能的變化特征研究的不是十分充分。通過大量的殷莊砂巖應(yīng)力應(yīng)變-滲透率全過程試驗(yàn)，得到了巖石的滲透率-應(yīng)變關(guān)系方程，砂巖的滲透率-應(yīng)變關(guān)系劃分成三種類型[20]：圖3(a)所示為滲透率經(jīng)歷一個(gè)減小階段后，開始不斷上升，最大值在流動(dòng)端末尾，變化趨勢(shì)為“√”型；圖3(b)所示為滲透率最大值在軟化階段，之后滲透率不斷減?。粓D3(c)所示為滲透率最大值和峰值強(qiáng)度點(diǎn)重合，比初始滲透率有所增加。

圖3 砂巖的滲透率-應(yīng)變關(guān)系曲線的三種類型Fig.3 Three types of permeability-strain relationship curves for sandstone(資料來源：文獻(xiàn)[17])

本文試驗(yàn)的4個(gè)煤樣滲透率對(duì)比分析：兩個(gè)無煙煤滲透率變化曲線符合圖3(a)類型，滲透率最大值在曲線的末端；兩個(gè)煙煤滲透率變化曲線符合圖3(c)，滲透率最大值與強(qiáng)度值點(diǎn)重合，比初始滲透率有所增加。

結(jié)合聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果分析：對(duì)于兩個(gè)無煙煤煤樣，在加載初期，隨應(yīng)力水平升高，原始裂隙和孔隙被壓縮，滲透率表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，并在體積最小時(shí)，降到最低值；隨后雖然應(yīng)力水平仍在不斷增加，但由于煤體內(nèi)部出現(xiàn)新裂隙，并不斷發(fā)育、擴(kuò)展和貫通，煤體體積開始增加，滲透率也出現(xiàn)上升趨勢(shì)，在煤體破壞前，主裂隙貫通，滲透率急劇上升，加載破壞后各碎塊間間接搭接形成連通性良好的孔隙通道，應(yīng)力水平大幅度下降，孔隙寬度緩慢增加擴(kuò)展，滲透率持續(xù)增高；對(duì)于兩個(gè)煙煤煤樣，應(yīng)力強(qiáng)度峰值前階段與無煙煤分析相似，但在峰值后，有著較大差異，主要是因?yàn)榱严逗臀⒘严对谶_(dá)到峰值后還處于較高的應(yīng)力水平，破壞的小塊間隙逐漸降低，滲透率慢慢變小，但在殘余階段，由于應(yīng)力水平大幅度下降，部分裂隙寬度增大，滲透率又有輕微上升現(xiàn)象。對(duì)于力學(xué)性質(zhì)為中硬以上儲(chǔ)層，滲透最佳的時(shí)機(jī)為主裂隙貫通時(shí)，隨著硬度的增加，儲(chǔ)層有著更好的滲透效果。

4 結(jié) 論

1) 在峰值前，4個(gè)煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線、聲發(fā)射振鈴數(shù)變化趨勢(shì)和滲透率變化趨勢(shì)較為一致。煤樣應(yīng)變?cè)隽拷?jīng)歷了減速、勻速和加速三個(gè)階段，而聲發(fā)射振鈴數(shù)和滲透率變化趨勢(shì)則經(jīng)歷了下降、穩(wěn)定和上升三個(gè)階段。

2) 在峰值后，無煙煤與煙煤具有較大的差異性。強(qiáng)度較高的兩個(gè)無煙煤的應(yīng)變曲線下降較陡，未出現(xiàn)多個(gè)殘余強(qiáng)度值，且聲發(fā)射振鈴數(shù)和滲透率數(shù)據(jù)在峰值后測(cè)不到；而強(qiáng)度較低的兩個(gè)煙煤的應(yīng)變曲線下降較緩，出現(xiàn)多個(gè)殘余強(qiáng)度值，且聲發(fā)射振鈴數(shù)和滲透率還能夠被監(jiān)測(cè)到。

3) 裂隙的演化對(duì)滲透率的變化具有關(guān)鍵控制作用，但不同的煤樣具有一定的差異性。兩個(gè)無煙煤滲透率變化曲線符合圖3(a)類型，滲透率最大值在曲線的末端；而兩個(gè)煙煤滲透率變化曲線符合圖3(c)類型，滲透率最大值與強(qiáng)度值點(diǎn)重合，比初始滲透率有所增加。