多級加卸載下層理裂隙煤體瓦斯?jié)B流軸向效應(yīng)及應(yīng)用

岑培山，田坤云，魏二劍，劉 松，畢寸光

（1.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院 鄭州市地下工程防水土木工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄭 451191；2.微生物治理瓦斯技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南新鄭 451191；3.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南新鄭 451191；4.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢 430081；5.鄭州煤電股份有限公司超化煤礦，河南新密 452385；6.安陽市主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南安陽 455145）

鉆孔瓦斯抽采仍是突出礦井瓦斯治理的最主要措施之一[1]，決定其效果的最主要指標(biāo)為煤層透氣性[2]。低透煤層瓦斯抽采難度較大，卸壓瓦斯抽采技術(shù)成為必要選擇。當(dāng)前卸壓瓦斯抽采最有效的方法就是開采保護(hù)層法，但對于缺少保護(hù)層開采條件的礦井，鉆孔卸壓法必不可少。眾所周知，鉆孔卸壓法成本高、難度大、效果不盡如意。因此，考慮工作面采動影響卸壓區(qū)瓦斯抽采不失為一種有效的方法。層理裂隙普遍分布于煤層之中，是影響煤體破壞與透氣性的主控因素之一[3]。受采動影響后，煤體中增加新的裂隙，原有層理裂隙也會發(fā)生擴(kuò)展變形，這種層理裂隙的擴(kuò)展、互通對瓦斯擴(kuò)散、滲流起到極大促進(jìn)作用。近年來有關(guān)層理裂隙對滲透率影響的報道很多。牛麗飛等[4]研究了原位煤在加載條件下平行層理和垂直層理方向的瓦斯?jié)B透特性，認(rèn)為煤樣在加載過程中平行層理方向的滲透率始終大于垂直層理方向；董賀等[5]通過研究鉆孔與煤層夾角關(guān)系發(fā)現(xiàn)，鉆孔與煤層割理交集越大，瓦斯流通通道越暢通；潘榮錕等[6]研究了同一加卸載路徑下沿層理裂隙煤體滲流規(guī)律，認(rèn)為加載過程會對煤體層理裂隙造成永久性損傷，使得在卸載過程中難以恢復(fù)而造成滲透率損失；LI Huoyin[7]等就層理方向?qū)B透率影響展開了室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果均表明，平行層理方向的滲透率是垂直于層理方向的2.5～3 倍。以上研究結(jié)果表明煤層層理裂隙對瓦斯?jié)B透能力具有較大影響，平行層理方向的瓦斯?jié)B透能力強(qiáng)于垂直層理方向；并且研究均基于原位煤為試驗(yàn)對象，此研究結(jié)論對設(shè)計預(yù)抽鉆孔有利；但對于受采動影響的工作面前方煤體層理裂隙方向的瓦斯?jié)B透特性缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)踐。為此，在參考前人研究方法的基礎(chǔ)上，研究受采動影響下層理裂隙煤樣受多級加卸載作用下沿x 軸、y 軸向的瓦斯?jié)B透規(guī)律，為采動工作面瓦斯治理提供參考。

1 瓦斯?jié)B流特性實(shí)驗(yàn)

為了獲取工作面采動影響下前方煤體平行及垂直層理裂隙向的瓦斯?jié)B流規(guī)律，采集層理裂隙發(fā)育煤樣，利用加載滲透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試煤樣軸向瓦斯?jié)B透特征[8]。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

瓦斯?jié)B透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。主要包括：三軸加載伺服控制系統(tǒng)、方體試塊放置腔、氣體注入系統(tǒng)，滲流測量系統(tǒng)。煤樣尺寸：200 mm×200 mm×200 mm，三軸壓力量程：0～40 MPa，控制精度±0.1 MPa。

圖1 瓦斯?jié)B透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 System diagram of gas permeability experiment

1.2 煤樣制作

在實(shí)驗(yàn)礦井采煤工作面采集各向尺寸不低于250 mm 的原始煤樣樣品，包封后運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，按照平行（垂直）層理方向切割，打磨成200 mm×200 mm×200 mm 立方體試塊。

試件密封主要是對煤樣邊角棱與加載腔體之間的封閉處理，防止?jié)B流過程氣體沿著棱角處滲漏。實(shí)驗(yàn)試樣采用角銅條固邊玻璃膠密封，密封效果好，又具有一定的彈性。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1）滲流測試原理。瓦斯?jié)B流測定基于達(dá)西定律的穩(wěn)態(tài)方法。試樣兩側(cè)一定壓差條件下，瓦斯?jié)B透率與黏性系數(shù)、流經(jīng)距離、流量等因素有關(guān)[9]。實(shí)驗(yàn)通過對壓力、流量傳感器的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)程序自動計算滲透率值。

式中：K 為滲透率，10-15m2；Q0為流經(jīng)試件瓦斯流量，cm3/s；p0為實(shí)驗(yàn)條件下大氣壓，MPa；μ 為瓦斯動力黏性系數(shù)，Pa·s；p1為進(jìn)氣口瓦斯壓力，MPa；p2為出氣口瓦斯壓力，MPa；A 為方體煤（巖）樣截面積，cm3；L 為試件長度，cm。

2）實(shí)驗(yàn)方案。①安裝試件：將煤樣層理裂隙平行于x 軸垂直于y 軸；②煤樣吸附：關(guān)閉x 軸、y 軸滲流出口，打開滲流入口，使煤樣吸附瓦斯12 h，吸附瓦斯壓力0.65 MPa（取樣處實(shí)測數(shù)值）；③加載：調(diào)整x、y 軸滲流出、入口瓦斯壓力，圍壓及軸壓加載速率0.2 MPa/step；④保持軸壓不變，同樣以0.2 MPa/step 的速度卸載圍壓。加卸載過程中采集試件滲透率，設(shè)置采集頻率為5 s。有效應(yīng)力計算如下[10]：

式中：σe為有效應(yīng)力，MPa；σ1、σ3分別為軸壓及圍壓，MPa。

煤樣多級加卸載方案見表1。

表1 煤樣多級加卸載方案Table 1 Stress loading and unloading schemes

2 煤樣滲透特征

同一加卸載路徑下，通過對不同滲流方向控制（平行、垂直于層理裂隙），得到的煤樣加卸載過程滲透率測試結(jié)果見表2。煤樣試件滲透率-有效應(yīng)力演化特征如圖2。

表2 煤樣加卸載過程滲透率測試結(jié)果Table 2 Permeability of coal samples during stress loading and unloading

圖2 煤樣試件滲透率-有效應(yīng)力演化特征Fig.2 Permeability-effective stress evolution characteristics of coal samples

加載中，x、y 2 個方向煤樣瓦斯?jié)B透率均隨有效應(yīng)力的增大而減小。加載前、后期，2 個方向的有效應(yīng)力-滲透率關(guān)系曲線斜率均較小，滲透率值降幅均較小，有效應(yīng)力在3.75～9.75 MPa 之間，滲透率值下降幅度較大。加載前期應(yīng)力相對較低，試件逐漸被壓實(shí)，裂隙響應(yīng)剛剛開始，此時裂隙閉合速率較低，瓦斯?jié)B透率降幅較低；隨著應(yīng)力的增加，試件發(fā)生彈性形變，裂隙響應(yīng)明顯，裂隙閉合速率增大，瓦斯?jié)B透率降幅隨之增大；隨著試件有效應(yīng)力進(jìn)一步增加，最終試件發(fā)生塑性變形裂隙被壓實(shí)，滲透率趨于穩(wěn)定數(shù)值。加載過程中煤樣試件經(jīng)歷壓實(shí)、彈性變形及塑性變形3 個階段。

加載過程，x 軸向瓦斯?jié)B透率總是大于y 軸向。當(dāng)應(yīng)力無限增加時，2 個方向的瓦斯?jié)B透率均趨于0。經(jīng)計算，加載前期x 軸向瓦斯?jié)B透率是y 軸向的3.96 倍。加載后期（最大有效應(yīng)力時）前者是后者的1.37 倍，x 軸向和y 軸向瓦斯?jié)B透率分別下降了92.8%和79.3%。應(yīng)力加載到最大值時，y 軸向幾乎失去滲透能力。實(shí)驗(yàn)表明，沿層理裂隙方向瓦斯?jié)B透率大于垂直層理方向。

z 軸方向壓力恒定，x、y 軸方向圍壓卸載過程中，2 個方向的瓦斯?jié)B透率均隨著有效應(yīng)力的減小而增大。卸壓時，有效應(yīng)力到5.08 MPa 時，試樣x、y軸向滲透率分別是初始值（應(yīng)力1.75 MPa）的33%和21%。說明煤樣x、y 軸向裂隙均未完全恢復(fù)。

試樣的卸載并非是加載的逆過程。加卸載過程中煤樣試件的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D3。加載前期煤樣處于彈性工作階段，當(dāng)荷載大于彈性極限（A 點(diǎn)）時，試樣進(jìn)入塑性工作階段，此時試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，卸載時試樣的變形不會恢復(fù)到原來狀態(tài)，有變形損失，相對應(yīng)地滲透率無法恢復(fù)到加載狀態(tài)[11]。

圖3 加卸載過程中煤樣試件的應(yīng)力應(yīng)變Fig.3 Deformation loss figure of coal sample during stress loading and unloading

經(jīng)計算有效應(yīng)力從11.75 MPa 降低到5.08 MPa時，x、y 軸向的瓦斯?jié)B透率分別恢復(fù)到滲透率最小值的361%和147%，這說明，沿層理方向裂隙恢復(fù)程度高于垂直層理方向。

按照煤樣有效應(yīng)力σe-滲透率K 關(guān)系曲線按指數(shù)擬合，得到：

按式（3）、式（4）計算，同一有效應(yīng)力條件下滲透率實(shí)際值、計算值及損失率見表3。

表3 同一有效應(yīng)力條件下滲透率實(shí)際值、計算值及損失率Table 3 Calculated permeability, actual permeability value and loss damage rate under the same effective stress

滲透率損失大小能反映煤樣內(nèi)部裂隙損傷程度，可作為評價煤樣裂隙損傷的指標(biāo)[12]，煤樣滲透率損失率LP計算如下[13]：

式中：LP為滲透率損失率；kL為加載過程中通過相應(yīng)擬合公式計算的滲透率，10-15m2；kU為卸載過程滲透率實(shí)測值，10-15m2。

煤樣滲透率損失率隨有效應(yīng)力變化曲線如圖4。煤樣滲透率損失率隨有效應(yīng)力減小而增加。當(dāng)煤樣的有效應(yīng)力卸載至5.08 MPa 時，x 軸向的滲透率損失率為32.3%，而y 軸向的滲透率損失率高達(dá)65.9%。這說明煤樣加載后內(nèi)部裂隙恢復(fù)程度沿層理方向遠(yuǎn)高于垂直層理方向。由于加卸載過程中，試樣x 軸向瓦斯?jié)B透率均高于y 軸向，因此，瓦斯沿層理裂隙方向的滲透效果好于垂直層理方向。

圖4 煤樣滲透率損失率隨有效應(yīng)力變化曲線Fig.4 Curves of permeability loss rate with effective stress of coal samples

由于煤層中平行層理方向的鉆孔瓦斯流動方向垂直于層理方向，垂直于層理方向的鉆孔瓦斯流動方向平行于層理方向，所以，布置垂直于煤層層理裂隙方向的鉆孔瓦斯抽采效果更好。

3 實(shí)踐應(yīng)用

試驗(yàn)礦井為煤與瓦斯突出礦井。主采二1 煤層平均厚度6.0 m，受滑動構(gòu)造影響沿層方向?qū)永砹严栋l(fā)育，煤層原始瓦斯含量高、透氣性差，瓦斯抽采效果不佳。

22031 回采工作煤層厚度大于6 m，回采期間瓦斯涌出量大，為了治理工作面瓦斯，試驗(yàn)了工作面順層鉆孔和穿層鉆孔2 種抽放措施。22031 回采工作面順層及穿層鉆孔布置圖如圖5。

圖5 22031 回采工作面順層及穿層鉆孔布置圖Fig.5 Gas drainage drilling boreholes layout along and through layer of 22031 working face

順層鉆孔在工作面上下付巷沿煤層布置，平行于層理裂隙。穿層鉆孔在工作面底板巷內(nèi)垂直于煤層布置，鉆孔方向垂直于煤層層理。隨著工作面的推進(jìn)，鉆孔周圍煤體分別受到應(yīng)力“三區(qū)”的影響，即原巖應(yīng)力區(qū)、集中應(yīng)力區(qū)和卸壓區(qū)，如同對煤體進(jìn)行一次加載和卸載的過程?；夭晒ぷ髅婷后w應(yīng)力模型如圖6。

圖6 回采工作面煤體應(yīng)力模型Fig.6 Stress model diagram of coal body in working face

鉆孔瓦斯抽采量隨抽采時間變化曲線如圖7。由圖7 可知，成孔初期（A 段）順層鉆孔瓦斯抽采量大于穿層鉆孔，這是由于順層鉆孔煤孔段長度較大，穿層鉆孔煤孔段長度較小的緣故；隨著抽采時間的延長和工作面應(yīng)力集中區(qū)向前推移（距離鉆孔越來越近），2 種鉆孔的瓦斯抽采量均呈下降趨勢，但順層鉆孔下降更明顯（B 段）。分析原因主要是工作面受采動應(yīng)力影響，此區(qū)域煤體應(yīng)力集中，層理裂隙閉合速率增加，且垂直層理方向的瓦斯?jié)B透率下降率高于平行層理方向。因此，順層鉆孔瓦斯抽采量低于穿層鉆孔。過程同于試驗(yàn)中對煤樣的加載過程。

圖7 鉆孔瓦斯抽采量隨抽采時間變化曲線Fig.7 Curves of pure gas drainage flow with time

隨著工作面應(yīng)力集中區(qū)繼續(xù)遷移，試驗(yàn)區(qū)鉆孔位于工作面卸壓區(qū)范圍內(nèi)，2 種鉆孔的瓦斯抽采量均呈增加趨勢（C 段），此過程同于試驗(yàn)中對煤樣的卸載過程，煤層層理裂隙不同程度的恢復(fù)，滲透率增加，垂直層理方向的滲透率仍然低于平行層理方向。此時，穿層鉆孔瓦斯抽采量仍然高于順層鉆孔。

煤樣加卸載試驗(yàn)不完全等同于工作面煤層應(yīng)力“三區(qū)”的變化過程。在回采工作面的卸壓區(qū)內(nèi)煤體受應(yīng)力集中后結(jié)構(gòu)遭到破壞，越靠近工作面的煤體結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，煤體得到充分卸壓后其內(nèi)部各向滲透率均大大提高。2 種鉆孔的瓦斯抽采量均高于鉆孔抽采初期。由于順層鉆孔控制煤孔段長度大于穿層鉆孔，致使此段的瓦斯抽采量大于穿層鉆孔（D段）。但從鉆孔瓦斯抽采周期計算，穿層鉆孔瓦斯抽采量大于順層鉆孔。

4 結(jié) 論

1）加載過程，煤樣經(jīng)歷壓實(shí)、彈性變形和塑性變形3 個階段。煤樣瓦斯?jié)B透率均呈遞減趨勢，y 軸向的滲透率低于x 軸向；卸載過程，煤層瓦斯?jié)B透率均有所恢復(fù)，y 軸向的滲透率仍低于x 軸向。

2）加卸載過程煤樣層理軸向瓦斯?jié)B透率變化特征能夠真實(shí)反映工作面煤體應(yīng)力集中后的瓦斯?jié)B透特性；但回采工作面煤層應(yīng)力“三區(qū)”變化過程不完全等同于煤樣的加卸載過程。平行層理方向的順層鉆孔由于控制煤孔段長度大，抽采前、后期的瓦斯流量均大于穿層鉆孔；但在抽采周期內(nèi)抽采瓦斯總量仍低于垂直層理的穿層鉆孔，布置垂直層理裂隙的鉆孔有利于瓦斯抽采。礦井可以根據(jù)瓦斯抽采周期、鉆孔施工條件、經(jīng)濟(jì)成本等綜合因素考慮鉆孔布置方式。