加卸載作用下構(gòu)造煤峰值前滲透率變化特征試驗(yàn)研究*

孫光中，荊永濱(1．河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南鄭州451191; 2．河南省煤礦安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地，河南鄭州451191)

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加卸載作用下構(gòu)造煤峰值前滲透率變化特征試驗(yàn)研究*

孫光中1，2，荊永濱1，2
(1．河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南鄭州451191; 2．河南省煤礦安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地，河南鄭州451191)

摘要:利用自行研制改造的含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流實(shí)驗(yàn)裝置，以典型豫西“三軟”構(gòu)造煤原煤樣為研究對象，進(jìn)行三軸壓縮下構(gòu)造煤樣滲透率測試，分析了軸向應(yīng)變－滲透率變化關(guān)系;研究了軸向應(yīng)力加卸載作用下含瓦斯構(gòu)造煤滲透率的影響。結(jié)果表明:三軸壓縮作用下含瓦斯煤的滲透率與軸向應(yīng)變的關(guān)系呈斜“V”字型走勢;滲透率在軸向應(yīng)力加載過程中減小，卸載過程中有所恢復(fù)，且煤樣滲透率與軸向應(yīng)力在加卸載過程中符合負(fù)指數(shù)函數(shù)分布，并給出了數(shù)據(jù)擬合參數(shù);在加載過程中，有效應(yīng)力大，滲透率無因次量降低速率大;卸載過程中，有效應(yīng)力大，使得滲透率無因次量變化幅度減小，變化速率趨近于0．滲透率無因次量與有效應(yīng)力在加卸載過程中服從負(fù)指數(shù)函數(shù)分布。

關(guān)鍵詞:構(gòu)造煤;加卸載;滲流特性;有效應(yīng)力;滲透率

0　引言

煤體中瓦斯的流動(dòng)影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，其中煤巖應(yīng)力場分布特性對瓦斯流動(dòng)規(guī)律有著重要的影響。由于采掘活動(dòng)的影響，應(yīng)力場多次分布導(dǎo)致部分煤體在開采過程中處于支承壓力影響區(qū)域或卸壓區(qū)域，經(jīng)歷煤巖體反復(fù)的加卸載過程。應(yīng)力場的改變導(dǎo)致煤巖體中瓦斯流動(dòng)的不斷變化。在煤巖加卸載過程中滲透率演化關(guān)系，很多人做了大量的研究。許江等［1］以原煤為研究對象，采用加軸壓、卸圍壓的應(yīng)力控制方式開展煤巖加卸載試驗(yàn)，分析加卸載條件下煤巖變形特性和滲透特征的演化規(guī)律;林柏泉、周世寧等［2］研究了一定孔隙壓力條件下，滲透率與圍壓以及煤樣變形間的關(guān)系，得到了在孔隙壓力一定時(shí)，加載過程，煤體的滲透率與應(yīng)力關(guān)系符合負(fù)指數(shù)函數(shù)分布;卸載時(shí)，符合冪指數(shù)函數(shù)分布;賀玉龍等［3［4］采用軸向應(yīng)變一定時(shí)卸圍壓的控制方式對含瓦斯煤進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了其力學(xué)變化特性，并對各參數(shù)的演化規(guī)律進(jìn)行了擬合分析;黃啟翔等［5］研究了型煤試件不含瓦斯與含瓦斯條件下的卸圍壓試驗(yàn)，分析了瓦斯煤巖卸圍壓力學(xué)特性及采動(dòng)卸圍壓對煤與瓦斯突出的影響;蔣長寶等［6］系統(tǒng)研究了力(圍壓、軸壓和瓦斯壓力)的改變與煤體瓦斯?jié)B流特性之間關(guān)系;尹光志等［7］基于試驗(yàn)進(jìn)行了單調(diào)加載和不同初始應(yīng)力狀態(tài)加卸載條件下原煤滲流特性的試驗(yàn)研究，到了加卸載條件下原煤的有效應(yīng)力計(jì)算公式及滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系;胡大偉等［8］對多孔紅砂巖進(jìn)行了軸向應(yīng)力循環(huán)加卸載，研究了滲透率變化與有效應(yīng)力之間的關(guān)系;孟召平等［9］通過煤巖力學(xué)試驗(yàn)研究了其物理力學(xué)性質(zhì)和煤巖全應(yīng)力－應(yīng)變過程中的滲透性特征。

河南西部礦區(qū)受嵩山地質(zhì)構(gòu)造影響，煤層松軟破碎，強(qiáng)度低，煤樣加工困難，對其研究較少。試驗(yàn)采用豫西“三軟”構(gòu)造煤原煤樣為研究對象，進(jìn)行了構(gòu)造煤原煤樣軸向應(yīng)力加卸載作用下瓦斯?jié)B流測試，以期望其變化規(guī)律對于含瓦斯構(gòu)造煤瓦斯治理有一定的理論指導(dǎo)意義。

1　試驗(yàn)裝置與方案

1. 1試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用河南工程學(xué)院自行研制改造的含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。

圖1　含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig．1　Triaxial seepage test system for hotfluid-solid coupling of coal and rock containing gas

1. 2試驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)通常用到的煤樣包括2種:型煤試樣和原煤試樣。從工程實(shí)際出發(fā)，原煤樣比型煤煤樣更能反映其賦存及演化特征，型煤煤樣力求在強(qiáng)度上與原煤樣相似，但缺乏原煤樣地質(zhì)時(shí)代及構(gòu)造作用，其應(yīng)力－應(yīng)變的變化過程難于相同。型煤孔隙率的變化較均勻，與原煤樣相差數(shù)倍，其滲流特征難于趨于相同，結(jié)構(gòu)上的差異，導(dǎo)致其應(yīng)力加卸載敏感度上差異性較大。基于以上因素，本試驗(yàn)采用豫西構(gòu)造煤原煤樣進(jìn)行，煤樣取至國投能源新登煤礦二1煤層。將在實(shí)驗(yàn)室加工成的木箱，保鮮膜，發(fā)泡聚氨酯帶到井下，取塊煤用保鮮膜包好，置于木箱中，用聚氨酯封閉及固定煤樣。在實(shí)驗(yàn)室采用液氮法制取標(biāo)準(zhǔn)煤樣，要求煤樣是直徑為50 mm，高度為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，上下斷面不平整度小于5%．

1. 3試驗(yàn)方案

試驗(yàn)圍繞軸向應(yīng)力加－卸載過程滲透率變化特征。考察不同軸壓的動(dòng)態(tài)變化作用對構(gòu)造煤瓦斯?jié)B透率的影響。

1)確定構(gòu)造煤應(yīng)力極限，進(jìn)行常規(guī)加載，保持瓦斯進(jìn)口壓力為0. 2 MPa，圍壓與軸壓以0. 05MPa/s加載至2 MPa，保持圍壓恒定，軸壓以0. 05 MPa/s加載速率，每加載1. 5 MPa，保持應(yīng)力恒定0. 5 h，進(jìn)行瓦斯?jié)B流試驗(yàn)，待流量值恒定進(jìn)行讀數(shù)，至試件破壞，改為位移加載0. 01 mm/s，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束;

2)軸向應(yīng)力加卸載(加載的軸向應(yīng)力峰值小于圍壓為2 MPa時(shí)的彈性極限)，保持瓦斯進(jìn)口壓力不變，圍壓與軸壓以0. 05 MPa/s加載至圍壓值，保持圍壓恒定，軸壓以0. 01 MPa/s加載速率，每加載0. 5 MPa，保持應(yīng)力恒定半小時(shí)，進(jìn)行瓦斯?jié)B流試驗(yàn)，測量流量值。卸載過程，保持圍壓不變，軸壓以－0. 01 MPa/s進(jìn)行加載，每加載－0. 5 MPa，保持應(yīng)力恒定0. 5 h，進(jìn)行瓦斯?jié)B流試驗(yàn)，測量流量值。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)過程中，表現(xiàn)構(gòu)造煤滲透性的主要參數(shù)為滲透率K(mD)，可以認(rèn)為其符合達(dá)西定律，其計(jì)算公式［11］為

式中μ為瓦斯氣體動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa; p0標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa; Q0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下得滲流量，cm3/s; L為煤樣的長度，cm; p1煤樣上端面進(jìn)口瓦斯壓力，Pa; p2為煤樣下端面出口處負(fù)壓，Pa; s為煤樣橫斷面面積，cm2．

圖2　應(yīng)力－應(yīng)變及滲透率－應(yīng)變關(guān)系曲線Fig．2　Curve of stress-strain and seepage-strain of coal sample

2. 1構(gòu)造煤常規(guī)加載試驗(yàn)

從圖2可以看出，軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變大致經(jīng)歷了4個(gè)階段的變化，其煤樣的滲透率－軸向應(yīng)變也同樣呈現(xiàn)分階段性變化

1)塑性壓密階段，主要表現(xiàn)為構(gòu)造煤煤樣中原生裂隙或次生裂隙的閉合，塑性變形為主，曲線呈現(xiàn)明顯上凹，應(yīng)變變化率較大，隨加載遞減。滲透率有一定的減小，但變化不明顯，有一定的滯后現(xiàn)象，所以此階段也可以稱為滲透率初始不敏感階段;

2)彈性變形階段，應(yīng)力－應(yīng)變曲線接近直線，煤樣中的裂隙隨著應(yīng)力的增加進(jìn)一步壓縮，內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷，無新裂隙產(chǎn)生。此階段滲透率變化呈現(xiàn)線性減小變化，滲透率與軸向應(yīng)變的關(guān)系可以擬合為為y =－0. 084x +0. 244，相關(guān)系數(shù)為0. 912;

3)屈服階段。此階段開始為屈服應(yīng)力點(diǎn)，出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化，應(yīng)力達(dá)到彈性極限，微裂隙的產(chǎn)生，主要表現(xiàn)為滲透率隨應(yīng)變增加降低到最小值，突然增大，出現(xiàn)突變，說明在煤樣軸向有裂隙的貫通，此階段可以稱為裂隙貫通階段或滲透率突增階段;

4)破壞階段。峰值強(qiáng)度后，應(yīng)力降較為顯著，由于有2 MPa的圍壓的存在，仍有一定的的殘余強(qiáng)度。裂隙擴(kuò)展類似屈服階段的變化，有新的裂隙在軸向上貫通。從幾個(gè)階段可以看出，構(gòu)造煤樣在整個(gè)受載期間，應(yīng)變量較大，塑性變形較為明顯。

從以上分析可以看出，構(gòu)造煤軸向變形較大，滲透率與軸向應(yīng)變呈現(xiàn)斜“V”字型走勢;這也與文獻(xiàn)［10］中三軸壓縮下全應(yīng)力－應(yīng)變過程中含瓦斯煤的滲透率與軸向應(yīng)變呈“V”字型走勢不太一致。且破壞階段的滲透增加速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓密段及彈性段其減小速率。

2. 2煤樣軸向等應(yīng)力循環(huán)加卸載過程對滲透率的

在煤樣軸向應(yīng)力－應(yīng)變的全程曲線中可以看出，煤樣在圍壓為2 MPa時(shí)的強(qiáng)度大致為20 MPa，彈性極限在16. 5 MPa左右。所以試驗(yàn)中，為使煤樣在強(qiáng)度極限內(nèi)進(jìn)行加卸載，軸向應(yīng)力的最大值取為16 MPa．

通過軸向應(yīng)力加載與卸載過程含瓦斯煤氣體流量變化，建立了軸向應(yīng)力與滲透率關(guān)系，如圖3所示。

在試驗(yàn)過程中，軸向應(yīng)力的變化范圍為2～16 MPa，煤樣進(jìn)行加卸載，1－1#與1－2#為同一煤塊中所取的2個(gè)煤樣，煤樣在初始應(yīng)力狀態(tài)下，滲透率個(gè)體差異性顯著，有時(shí)相差幾倍。在加載過程中，煤樣滲透率隨著軸向應(yīng)力的增加而減小，在卸載階段，煤樣的滲透率隨軸向應(yīng)力的減小逐漸增大。煤樣在加卸載過程中，滲透率變化與軸向應(yīng)力呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律，其擬合的曲線見表1．對于滲透率在加載結(jié)束后與每次加載前進(jìn)行了對比，如圖3中1－1#煤樣加卸載曲線中所示，定義了Ks為每次加載開始時(shí)與加載完成后滲透率值的差。Ks=κ0－κt，其中κ0為加載開始時(shí)滲透率值;κt為加載完成時(shí)滲透率的值。Km= |κcκt|，κc為軸向應(yīng)力卸載至初始狀態(tài)時(shí)滲透率的值。

表1　煤樣滲透率與軸向壓力關(guān)系曲線擬合結(jié)果Tab．1 Fitted parameters of permeability and axial stress change of different coal samples

不同的煤樣隨軸向應(yīng)力的加卸載，其滲透率變化滿足K = aeσm+ c負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，K為煤樣的滲透率，σm為軸向應(yīng)力。a，b，c為擬合參數(shù)。軸向應(yīng)力變大，滲透率減小，當(dāng)σm－∞時(shí)，K = c，可以認(rèn)為c是與軸向應(yīng)力無關(guān)的一個(gè)量，他代表了滲透率與煤體結(jié)構(gòu)本身的關(guān)系。當(dāng)σm= 0時(shí)，滲透率K = a + c，為無應(yīng)力場時(shí)的煤體滲透率值，a代表了滲透率隨應(yīng)力場變化時(shí)孔隙裂隙閉合而導(dǎo)致的滲透率減小的部分，即其為煤體受應(yīng)力變化影響的那部分滲透率。b值反映了煤體的應(yīng)力敏感性，其為軸向應(yīng)力改變時(shí)，滲透率變化程度的一個(gè)標(biāo)量，其決定著滲透率曲線斜率的變化規(guī)律。從圖3可以看出，b值越小，其滲透率變化率越大。

2. 3有效應(yīng)力與煤樣滲透率關(guān)系

由于煤樣初始滲透率相差較大，為了消除煤樣個(gè)體差異的影響，對滲透變化進(jìn)行歸一化無因次處理。

式中Kw成為滲透率無因次量;κ0為加載開始時(shí)滲透率值;κi為加卸載過程中某一應(yīng)力狀態(tài)下的滲透率值。

由于煤樣在加卸載過程中，圍壓與瓦斯壓力的變化也會(huì)導(dǎo)致煤樣滲透率產(chǎn)生差異性，在分析過程中，綜合考慮軸壓、圍壓與瓦斯壓力的變化，可以用有效應(yīng)力來表示，有效應(yīng)力計(jì)算公式為［12］

σe= (σ1+2σ2) /3－(p1+ p2)．

式中σe為有效應(yīng)力，MPa;σ1為軸向應(yīng)力，MPa; σ2為側(cè)向應(yīng)力，MPa; p1，p2分別為煤樣兩端瓦斯壓力，MPa．

加載階段與卸載階段有效應(yīng)力與滲透率無因次量之間的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，加載過程中，滲透率無因次量隨有效應(yīng)力的增加而減小，其值隨有效應(yīng)力變化較為明顯，1－1#，1－2#，2－1#與3－1#煤樣在加載完成后，滲透率無因次量分別變?yōu)?. 74，0. 63，0. 61，0. 48，整個(gè)階段，滲透率損失比例較大。有效應(yīng)力增加，滲透率無因次量變化速率加大，其值變化較快，滲透率無因次量對于有效應(yīng)力的敏感性較強(qiáng)。

在卸載過程中，滲透率無因次量隨有效應(yīng)力的減小有增加趨勢，由于煤樣中的孔隙與微裂隙的在有效應(yīng)力作用下產(chǎn)生了不可恢復(fù)的變形，宏觀上表現(xiàn)為滲透率在卸載后不可恢復(fù)。1－1#，1－2#，2－1#與3－1#煤樣在卸載后，滲透率有所損害，卸載后，滲透率分別恢復(fù)到初始滲透率的82%，75%，65%，48%，可見，有效應(yīng)力增大使得煤樣滲透率無因次量變化敏感性降低。究其原因認(rèn)為，煤樣加卸載過程中，由于加載應(yīng)力為彈性極限之下，主要表現(xiàn)為煤樣中原始裂隙在有效應(yīng)力作用下的閉合，且裂隙閉合與應(yīng)力作用時(shí)間有關(guān)。

經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合處理發(fā)現(xiàn)滲透率無因次量與有效應(yīng)力關(guān)系符合負(fù)指數(shù)函數(shù)分布，其擬合的數(shù)據(jù)見表2．

圖3　變圍壓下軸向應(yīng)力循環(huán)加卸載過程煤樣滲透性變化Fig．3 Permeability change of coal sample under axial stress load-unload and variable confining pressure

2. 4討論

構(gòu)造煤軟煤樣由于其孔隙裂隙較發(fā)育，煤樣個(gè)體差異性較大，甚至同一煤塊中所取煤樣在應(yīng)力加卸載過程中滲透率無因次量變化也不一樣。

圖4　煤樣加卸載過程滲透率無因次量與有效應(yīng)力的關(guān)系Fig．4 Relationship between dimensionless permeability and effective stress of coal sample under axial stress loading and unloading(a)加載過程　(b)卸載過程

表2　煤樣滲透率無因次量與有效應(yīng)力關(guān)系曲線擬合結(jié)果Tab．2 Fitted parameters of dimensionless permeability and effective stress change of different coal samples

從圖4中可以看出，有效應(yīng)力增加，滲透率無因次量與有效應(yīng)力曲線變化斜率越來越接近于0，變化幅度越來越小。可以認(rèn)為加載過程中使得煤樣中孔隙裂隙發(fā)生了彈塑性變形，導(dǎo)致煤樣滲透率在加載過程中的損失，由于實(shí)驗(yàn)在加載過程中軸向應(yīng)力變化范圍為2～16 MPa，加載過程中經(jīng)歷在煤樣孔隙壓密階段與彈性變形階段。從試驗(yàn)曲線可以看出，在整個(gè)加載階段都在降低，滲透率在壓密階段變化速率快，在彈性階段變化較為緩和，可以認(rèn)為壓密階段的滲透率損失是卸載后不可恢復(fù)的，彈性階段的滲透率損失會(huì)隨著外力的完全撤去而慢慢恢復(fù)。從卸載也可以看出，卸載至初始應(yīng)力后，滲透率有一定的恢復(fù)，有效應(yīng)力對其加卸載過程中滲透率影響較大。究其原因發(fā)現(xiàn)，主要是構(gòu)造煤孔隙裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低，變形過程雖有明顯的壓密、彈性變形等階段，但是在整個(gè)變形過程中，始終伴隨在孔隙裂隙的閉合，產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，這也是構(gòu)造煤滲透率在加載過程始終減小及卸載后不能恢復(fù)到初始值的主要原因。

在工程實(shí)踐中，受采動(dòng)影響煤體經(jīng)受支承壓力的變化影響，工作面前方煤體承受不斷變化的應(yīng)力加載與卸載過程，受應(yīng)力變化影響煤體中瓦斯的運(yùn)移規(guī)律是煤與瓦斯突出或瓦斯大量涌出形成的主要原因，對于支承壓力分區(qū)中彈性區(qū)煤體中瓦斯的流動(dòng)，其為發(fā)生災(zāi)害孕育著潛在的能量，弄清其瓦斯的運(yùn)移規(guī)律為防治災(zāi)害發(fā)生提供了一定的理論及工程指導(dǎo)意義。

3　結(jié)論

1)通過三軸壓縮滲透率測試可以得到含瓦斯構(gòu)造煤的滲透率與應(yīng)變的關(guān)系呈斜“V”字型走勢，超過峰值強(qiáng)度后，構(gòu)造煤樣滲透率呈現(xiàn)增加趨勢，且增速大于初始受壓縮階段滲透率降速。構(gòu)造煤樣在屈服破壞后，滲透率變大;

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明滲透率在每次加載過程中均減小，卸載過程中有所恢復(fù)，且煤樣滲透率與軸向應(yīng)力在加卸載過程中符合負(fù)指數(shù)函數(shù)分布，并給出了數(shù)據(jù)擬合參數(shù);

3)在加載過程中，有效應(yīng)力大，滲透率無因次量降低速率快。卸載過程中，有效應(yīng)力變大，使得滲透率無因次量變化幅度減小，變化速率趨近于0．滲透率無因次量與有效應(yīng)力在加卸載過程中服從負(fù)指數(shù)函數(shù)分布。

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Experimental study on pre-peak permeability of coal samples under axial stress loading and unloading

SUN Guang-zhong1，2，JING Yong-bin1，2
(1．School of Safety Engineering，Henan Institute Engineering，Zhengzhou 451191，China; 2．Key Laboratory of Coal Mine Safety Training Base in Henan Province，Zhengzhou 451191，China)

Abstract:To study the permeability characteristics of tectonic coal using fluid-solid-heat coupling triaxial servo-controlled seepage system of coal containing gas that was developed in house，Based on the Henan western“three soft”tectonic coal as the research object，carried out the triaxial compression seepage test and analyzed the relationship between the axial strain permeability; Studied the tectonic coal permeability characteristics under the axial cyclic loading-unloading; The test results show that: During the whole stress-strain process under the condition of triaxial compression，the change trend of permeability of coal containing gas versus strain curve displays nearly a oblique shape of letter“V”; In the process of axial stress loading，the permeability decreases，and recovered in the process of unloading，Permeability of coal samples and axial stress distribution accords with negative exponential function in the process of loading and unloading，and the fitting parameters is given．In the process of loading，the bigger effective stress，reduce the rate of large amount of dimensionless permeability; In the process of Unloading，the great effective stress has made the amplitude of dimensionless permeability decrease，and its change rate converge to zero．Dimensionless permeability and effective stress in the process of loadingbook=194,ebook=47and unloading obey negative exponential distribution function．

Key words:tectonic coal; loading-unloading; seepage characteristics; effective stress; permeability

通訊作者:孫光中(1982－)，男，河南周口人，博士研究生，講師，E-mail: sgz228165@ csu．edu．cn

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51174082) ;河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)(132102210485)

*收稿日期:2015－07－12責(zé)任編輯:劉潔

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0208

文章編號:1672－9315(2016) 02－0193－07

中圖分類號:TD 324

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A