含瓦斯煤的力學特性及滲流規律試驗研究*

趙華天

(太原理工大學礦業工程學院)

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含瓦斯煤的力學特性及滲流規律試驗研究*

趙華天

(太原理工大學礦業工程學院)

采動裂隙場瓦斯流動是實現深部煤與瓦斯共采的基礎。采用WYS-800微機控制電液伺服三軸瓦斯滲流試驗裝置，對平朔井工一礦14106工作面煤層進行了含瓦斯煤的力學特性和瓦斯滲流試驗。結果表明：常規三軸不同瓦斯壓力條件下，全應力-應變曲線分為4個階段：初始壓密階段、線性彈性階段、屈服階段、破壞階段。煤樣的滲透率隨軸向應變先減小后增大，最后趨于穩定；煤樣的偏應力-應變和滲透率-應變曲線呈現相反的趨勢，而且常規三軸壓縮煤樣破壞后滲透率增加量比較少。常規三軸不同圍壓條件下應力-應變曲線也主要表現為4個階段。隨圍壓值增大，三軸抗壓強度呈線性增加趨勢；在相同軸向載荷作用下，煤樣所受圍壓越大，滲透率就越小。從不同圍壓條件下軸向應力-軸向應變和滲透率-軸向應變曲線可以看出，滲透率隨著軸向應變的增大先降低后升高，煤樣的峰值強度隨著圍壓升高而增大。

采動裂隙場 滲透率 瓦斯壓力 圍壓

在煤炭開采進程中，礦井瓦斯涌出對煤礦安全生產的威脅是極大的，伴隨著我國礦井開采煤層深度的進一步延伸，所采煤層的瓦斯總含量也會隨之增大，使得我國礦井回采工作面更易發生瓦斯涌出等各種動力災害事故。研究采動條件下相應煤層的煤巖力學特性及煤層各采空區瓦斯的涌出、運移規律，尋找更加科學、安全、高效的瓦斯抽采方法，為相適應的工程技術條件提供理論支持是非常必要的。聶百勝、何學秋[1-2]等研究了一般性氣體在具有多孔屬性介質中的擴散方式和擴散特性，并對照研究了瓦斯在煤層孔隙中的擴散方式和擴散特性。孫培德[3]指出煤層中所含瓦斯的流動是一種可壓縮性流體的滲透擴散，然而流通介質是非均質并且各向異性的裂隙、孔隙雙重介質，這種認識是以瓦斯地質的新觀點來指導的，并且第一次建立了可壓縮性瓦斯在煤層裂隙、空隙內流動的偏微分方程式。許江等[4]對煤巖在三軸應力狀態下的強度特性及變形特性進行了研究，提出可以運用有效應力來描述煤巖力學參數受瓦斯壓力的影響程度。尹光志等[5]通過實驗，分析了原煤煤樣和型煤煤樣的抗壓強度以及變形特性。M.C.He等[6]研究了石灰巖在真三軸條件下的破壞過程，以及用聲發射研究其破壞特性。G.Wu等[7]提出了擾動狀態的概念，并在此概念下研究了巖體卸荷的破壞特性。趙洪寶、尹光志等[8-10]研究了含瓦斯煤的單軸壓縮力學試驗，試驗表現出了明顯的階段性，含瓦斯煤的強度減小，脆性增大；在含瓦斯煤三軸蠕變特性試驗研究的基礎上分析了塑性本構關系。王登科、尹光志等[11-16]進行了原煤和型煤的力學變形特性和抗壓強度試驗，對比了兩種含瓦斯煤樣的變形特性和抗壓強度，得出原煤和型煤的變形特性和抗壓強度的變化是一致的，建立了含瓦斯煤的三軸壓縮條件下的本構損傷模型，運用了非關聯塑性流動法則，建立了反映含瓦斯煤的耦合彈性塑性損傷本構模型，并建立了三軸壓縮條件下含瓦斯煤的黏性、彈塑性蠕變模型。尹光志等[17]研究了較脆煤巖在加卸載應力途徑下的變形特性以及煤巖體的變形失去穩定相關理論，并對比分析了含瓦斯原煤和含瓦斯型煤的峰值強度和變形特性，指出型煤和原煤在峰值強度和變形特性上有相同的規律，只是在數值上有顯著的差異。煤層在開采以后，應力場會發生變化并且重新分布，而煤層中的瓦斯壓力場也會隨之發生變化。含瓦斯煤在各種應力條件下會對煤層當中的瓦斯流動起到抑制或促進的作用，對含瓦斯煤的力學特性及滲流規律的研究有著重要作用。本文以山西平朔井工一礦14106工作面回采面處煤層為研究對象，進行了含瓦斯煤的力學特性和瓦斯滲流試驗。為找尋更加科學、安全、高效的瓦斯抽采方法及相適應的工程技術條件，提供理論支持。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 煤樣的采集與制備

本次試驗煤樣全部取自山西平朔井工一礦14106回采面，煤塊尺寸長寬均大于300 mm，高大于100 mm。為了避免運輸過程中對煤樣損壞，取樣后用塑料膜包起來，裝箱運到太原理工大學采礦樓力學實驗室，在實驗室中按照有關規定，取粒徑為60～80目的煤粉顆粒制成直徑與長度為1∶2的標準型煤(φ50 mm)，很多學者認為型煤和原煤的特征相差較大，但是在物理特性上相似度高，因此用型煤代替原煤,研究煤的力學特性和滲流規律是可行的。

1.2 試驗儀器

采用WYS-800微機控制電液伺服三軸瓦斯滲流試驗裝置。該裝置由加載框架、伺服液壓缸、三軸室、試件安裝升降機構、伺服液壓站、測量單元、計算機軟件、伺服控制單元等組成。如圖1所示。

圖1 電液伺服三軸瓦斯滲流試驗裝置

1.3 試驗方案

(1)不同瓦斯壓力下煤樣的常規三軸全應力-應變滲流試驗。首先施加圍壓，再施加軸壓，最后使軸壓和圍壓都到達預定值σ1=σ2(σ3)=2 MPa，然后以不同瓦斯壓力(p=0.5，1.0，1.5 MPa)、濃度為99.9%的甲烷進行6 h吸附，待達到飽和時，保持圍壓定值，將軸向壓力以0.02 kN/s加載速度連續加載，直至煤樣破壞后停止加壓，同時在連續加載過程中進行煤樣瓦斯滲流試驗。

(2)不同圍壓條件下煤樣的常規三軸全應力-應變滲流試驗。首先施加圍壓，再施加軸壓，最后使軸壓和圍壓都到達預定值σ1=σ2(σ3)=(2，4，6 MPa)，然后以瓦斯壓力1 MPa，濃度為99.9%的甲烷6 h吸附，待達到飽和時，保持圍壓定值，將軸向壓力以0.02 kN/s加載速度連續加載，直至煤樣破壞后停止加壓，同時在連續加載過程中進行煤樣瓦斯滲流試驗。

2 試驗結果分析

2.1 不同瓦斯壓力煤體全應力-應變滲流試驗

應力-應變曲線反應含瓦斯煤在徑向壓力和軸向壓力過程中煤樣變形的特性，其中ε1為軸向應變，ε2為徑向應變，εν為體積應變，εν=ε1+2ε3，σ1-σ2為偏應力。

圖2 常規三軸不同瓦斯壓力下含瓦斯煤的偏應力-應變曲線

如圖2所示，含瓦斯煤的應力-應變曲線表明：在瓦斯壓力增大的過程中，煤樣的抗壓強度呈減小的趨勢，并且應力-應變曲線為非線性關系。隨著偏應力的增大，煤樣的軸向應變、徑向應變增大，而體積應變先減小后增大。 煤樣的常規三軸壓縮試驗分為4個階段：初始壓密階段，由于含瓦斯型煤內部孔隙和裂隙結構較多，在偏應力的作用下，內部的孔隙和裂隙結構逐漸壓密閉合，應力-應變曲線呈現向上凸起的形態，型煤的軸向應變和徑向應變同時增大，體積被壓縮，形成非線性曲線階段；彈性階段，型煤中的原有裂隙和孔隙結構被壓實閉合，最新的裂隙和孔隙未產生，煤樣的應力-應變關系服從胡克定律，煤樣的軸向應變和徑向應變仍然增大，體積應變減小到一定值后開始增大；屈服階段，煤樣的應力-應變曲線增長幅度減小，這是因為軸向壓力繼續增大時，煤樣內部產生新的裂隙和裂紋，使煤的強度降低，徑向應變和體積應變增大的幅度變大，煤樣出現擴容現象；破壞階段，軸向應力迅速減小，煤樣內部裂隙大幅度增加，裂隙之間相互交叉聯合形成宏觀斷裂面，軸向應變與偏應力、徑向應變、體積應變曲線均呈現向下的形態，偏應力下降到一定值后呈現穩定趨勢，說明煤樣受到圍壓約束的作用，破壞后的煤樣裂隙之間還有一定力的作用，提供了一定的承載力。

從圖3可以看出，不同瓦斯壓力下，應變與滲透率曲線大致呈現“U”型。隨著偏應力的增加，滲透率先減小后增大；在破壞階段，煤樣的滲透率急劇增加到一定值后趨于平穩。隨著瓦斯壓力的增加，型煤的滲透率基本呈現增大的趨勢，瓦斯壓力1.5 MPa的滲透率大于1 MPa的滲透率，但是由于Klinkenberg效應,瓦斯壓力為0.5 MPa的滲透率仍大于1 MPa的滲透率。當瓦斯壓力增大時，煤樣的吸附量增大，煤樣中的顆粒吸附過多的瓦斯后發生膨脹，使煤樣原來的孔隙率變小，煤樣的滲透率降低。從圖3中可以看出,瓦斯壓力為1.5 MPa的滲透率大于0.5 MPa的滲透率,這是由于當瓦斯壓力達到一定值后，氣體充滿了煤樣的微孔結構，隨著瓦斯壓力的繼續增大，氣體在微孔中產生張力，促使煤層中裂隙進一步產生，隨后氣體分子進入裂隙使其進一步擴張，煤層中內部顆粒的黏結力降低，使煤樣的滲透率升高。

圖3 不同瓦斯壓力含瓦斯煤樣滲透率-應變曲線

2.2 不同圍壓煤巖全應力-應變瓦斯滲流試驗

當圍壓為2 MPa時，含瓦斯煤的三軸抗壓強度為19.4 MPa；圍壓增至4 MPa時，該值增大了1.23倍，提高到23.907 MPa；當圍壓6 MPa時，其三軸抗壓強度又增加1.23倍，升至29.5 MPa。由此可見，在含瓦斯型煤中，圍壓增大，煤樣抗壓強度隨之增大。因此圍壓可以促使煤樣承受破壞的能力發展，從以上數據可看出，圍壓每增加1 MPa，煤樣的三軸抗壓強度平均提高了2.5 MPa。

圖4 常規三軸不同圍壓下含瓦斯煤的偏應力-應變曲線

圖4中不同圍壓條件下含瓦斯煤的應力-應變曲線表明：含瓦斯煤的抗壓強度隨著圍壓的增大逐漸增大，應力-應變曲線為非線性關系。偏應力逐漸增加，煤樣的軸向應變、徑向應變也增大，而體積應變先減小后再增大。煤樣的常規三軸壓縮試驗分為4個階段：壓密階段，型煤內部孔隙和裂隙多，在壓密階段煤樣內部的孔隙和裂隙逐漸被壓密閉合，煤樣的彈性模量逐漸增大，應力-應變曲線為向上凸起的形態，煤樣的軸向應變和徑向應變增大，體積被壓縮，體積應變為正，形成了曲線早期的非線性階段；彈性階段，煤樣的應力-應變關系服從胡克定律，因為型煤中原有的裂隙和孔隙被壓實閉合，最新的裂隙和孔隙沒有產生，煤樣的軸向應變、徑向應變繼續增大，體積應變減小到一定值后開始增大，煤樣的彈性模量值不變；屈服階段，煤樣的應力-應變曲線增長幅度減小，這是因為煤樣內部隨著軸向壓力增大受到損傷，產生新的裂隙和裂紋，使煤的強度降低，徑向應變和體積應變增大的幅度較大，煤樣出現擴容的現象；破壞階段，軸向應力迅速減小，煤樣內部裂隙迅速發展，這些裂隙相互交叉聯合形成宏觀斷裂面。偏應力與軸向應變、徑向應變、體積應變曲線均為下沉的形態。

圖5 不同圍壓含瓦斯煤樣滲透率-應變曲線

從圖5可以看出，不同圍壓條件下含瓦斯煤的滲透率-應變曲線呈現U型，即煤樣的滲透率隨著軸向應變先減小后增大。在煤樣壓密和彈性變形階段，孔裂隙逐漸閉合，煤樣中的顆粒被進一步擠壓，導致其中的孔裂隙進一步減小，隨著軸向應力的增加，煤樣的滲透率減小，滲透率屈服強度值和峰值強度之間達到最小值；在屈服階段煤的顆粒受到力的作用，強度逐漸減小而產生了塑性變形，煤樣中的原始裂隙進一步擴大，所以滲透率逐漸增大；在應變軟化階段，軸向應力和軸向應變都到了最大，擴大的裂隙相互貫通產生了新的裂隙，使瓦斯的滲透率急劇增大。從圖中可以看出，圍壓越大滲透率也就越小，這是因為隨著圍壓的增大，煤體內部的瓦斯流動通道變窄，瓦斯流動困難；圍壓越小，煤樣受到相同的軸向應力時徑向變形也會越大，瓦斯通道變寬，滲透率增大。

3 結 論

(1)常規三軸不同瓦斯壓力條件下，全應力-應變曲線分為4個階段：壓密階段、線性彈性階段、屈服階段、破壞階段。壓密階段煤樣內部孔隙和裂隙被壓實閉合；屈服階段煤樣產生新的裂紋；破壞階段煤樣內部結構遭到破壞。煤樣的滲透率隨軸向應變先減小后增大，最后趨于穩定。煤樣的偏應力-應變和滲透率-應變曲線呈現相反的趨勢，而且常規三軸壓縮煤樣破壞后滲透率增加量比較少。

(2)常規三軸不同圍壓條件下應力-應變曲線主要表現為4個階段：三軸抗壓強度隨圍壓值增大呈線性增加；在相同軸向載荷作用下，煤樣所受圍壓越大，滲透率就越小。從不同圍壓條件下，軸向應力-軸向應變和滲透率-軸向應變曲線可以看出，滲透率隨著軸向應變的增大先降低后升高，煤樣的峰值強度隨著圍壓升高而增大。

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Test on the Mechanical Characteristics and Seepage Laws of the Gas-containing Coal Seam

Zhao Huatian

(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology)

Gas flow Ming-induced fractures filed is the basis for deep mining of coal seam and gas.The test of the mechanical characteristics and seepage laws of the Pingshuo 14106 gas-containing working face is conducted by using the WYS-800 computer controlled servo triaxial gas seepage test apparatus.The results show that under different gas pressure conditions of conventional triaxial,the full stress-strain curve can be divided into four stages,including compaction stage,linear elastic stage,yield stage and failure stage.the permeability of coal samples is decreased firstly,and then it is increased stability with axial strain,the partial stress-strain and permeability-strain curves of coal samples are presented with the opposite trends,the increase of permeability is less after the destruction of the conventional triaxial compressing coal samples.The stress-strain curve of conventional triaxial under different confining pressures conditions can also be divided into for stages.With the increasing of the confining pressure,the triaxial compressive strength is increased linearly;under the action of the same axial loading,the greater confining pressure is,the lower permeability is.The axial stress-axial strain and permeability-axial strain curves under different confining pressures show that,the permeability is decreased firstly and then increased with increasing of axial strain,the peak strength of coal samples is increased with the increasing of confining pressure.

Minig-induced fractures field,Permeability,Gas pressure,Confining pressure

*山西省研究生教育創新資助項目(編號：02100757)。

2016-09-07)

趙華天(1989—),男，碩士研究生，030024 山西省太原市太原理工大學虎峪校區。