承壓水浸濕誘導煤體變形特征規律的實驗研究*

張　曦，聶振宇，秦萬里，馬衍坤

(1.安徽理工大學 能源與安全學院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室， 安徽 淮南 232001 )

數字出版日期： 2017-12-19

0　引言

長期以來水力化措施作為煤礦瓦斯治理的有效手段得到廣泛應用，尤其近年來隨著我國煤礦瓦斯災害形勢的不斷嚴峻以及治理難度不斷加大，水力化措施更是在瓦斯治理中發揮著越來越重要的作用[1-4]。

水力化技術主要包括2類[5]，第一類是“封堵”煤體瓦斯，抑制煤層瓦斯的解吸和運移；第二類是“排放”煤體瓦斯，通過改善煤層的透氣性來加大瓦斯的排放量和抽采率，把水作為動力，在煤層中形成槽縫或裂縫，增加瓦斯運移通道。這2類技術措施均在國內的瓦斯礦井中得到廣泛應用。

水力化措施主要研究技術工藝提升、煤層裂隙形成以及水分對瓦斯解吸影響等方面，張國華等[6-7]認為注入水封堵了煤中部分孔隙通道，從而延緩了瓦斯放散速度；趙東等[8]針對塊狀原煤開展了不同注水壓力對含瓦斯煤瓦斯解吸影響的實驗研究，結果表明瓦斯解吸量隨著注水壓力的增大而減小，并結合臨界孔隙尺度分析了高壓注水抑制瓦斯解吸的機理；陳向軍等[9]針對顆粒煤開展了高壓注水影響瓦斯解吸規律的相關實驗研究，結果表明注水實施過程中存在“水置氣”效應；聶百勝[10]等采用水蒸氣吸附法制取了6種不同水分含量的2類煤樣進行瓦斯解吸擴散實驗，結果表明煤體在受水作用后甲烷分子的運動受阻，導致解吸量減小， 解吸速度變緩，解吸率降低；馬衍坤[11]開展了急傾斜煤層底板水力壓裂工業性試驗，實測分析了壓裂影響區域不同位置處瓦斯含量與水分，得到了瓦斯及水分富集特征。

水力化措施的實施過程中，外部水浸濕煤層必然導致煤體變形，并影響到瓦斯運移，研究外液浸濕和退出過程中煤體的變形，對于外液浸濕誘導煤體變形機理及其對瓦斯運移的影響機理有更深的意義[12-14]。然而，目前針對水侵入煤體變形過程研究還未見報道，因此，本文針對承壓水浸濕后煤體的變形特征進行研究，獲得不同水壓下煤體經歷加壓吸水-卸壓-恢復過程的變形特征。

1　實驗原理與方法

1.1　煤樣制備

實驗煤樣采自山西潞安王莊礦，平行層理方向加工鉆取為Φ50 mm×50 mm的圓柱形煤體，打磨使煤樣上、下表面平行光滑，同時用無水乙醇處理表面的顆粒物，并進行干燥。同時焊接應變片通道，用502膠粘貼至處理好的煤樣的軸向側面中部，驅趕氣泡撫平，一次性粘貼完畢待用，同時焊接數據采集通道，用AB膠進行線路固定和防水涂層。

1.2　實驗原理

煤體的表面能和承壓水的浸濕會導致煤體發生吸水現象，而卸壓后吸入的水會產生退出，水的進入和退出會讓煤體發生微小的形變，而這種變形量可以通過應變片和智能信號采集儀進行觀測和采集，本實驗通過煤體表面橫縱方向的應變片粘貼來進行形變量的傳導和放大，可通過智能信號采集儀進行采集。

1.3　實驗方法

該瓦斯吸附實驗系統主要包括：1)瓦斯吸附罐體：根據實驗用途，應變片、液體槽均設置在罐體內部，可通過罐體壁的數據接口與采集系統連接并傳輸數據；2)真空泵、抽氣泵：進行試驗氣密性檢測和試驗中的壓力加入；3)智能信號采集分析：用于實時監測實驗過程中的應變信息。如圖1所示。

圖1　試驗裝置Fig.1　Test apparatus

該實驗步驟主要包括：1)檢查吸附罐氣密性，充氣檢驗，1 h以上無壓力降低；2)在液體罐內量取好能夠沒過煤樣的水量；3)倒置液體罐內的水使其自然流入吸附罐，同時用抽氣泵充入壓力組別分別為：0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5MPa。實驗開始通過信號采集儀記錄煤體承壓水下的橫縱變形量，當水吸附平衡應變穩定不變化后卸去壓力，采集卸壓后平行層理和垂直層理方向的應變。

2　實驗結果與討論

實驗結果主要從煤體承壓水浸下橫-縱變形量的趨勢、數值大小，以及體應變進行分析，從承壓開始到吸附水后的應變平衡，卸去壓力的最終平衡，得出不同承壓水下煤體的微觀變形規律。

2.1　承壓水浸煤體變形規律

實驗樣品共6組，依次采用壓力為0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 MPa，單次加壓煤樣達到穩定狀態持續時間30 h左右，1組數據將近180 h。試驗變形曲線主要分別為2個階段，壓力加入至變形穩定階段，卸壓后至變形穩定平衡。

1)煤體變形量特征(橫向和縱向的關系)

煤體在不同承壓水浸作用下變形量見圖2，0 MPa水浸濕作用下，煤體橫向縱向變形量均呈現拉伸狀態，而受到承壓水作用后橫向變形量始終是先負后正值，說明加壓過程中橫向應變先受到了壓縮后逐步拉伸，水沿著平行層理進入煤體，但是此過程只是一個緩慢較小的過程就達到了穩定狀態，而卸壓后橫向變形有一個明顯的拉伸過程，說明卸壓后進入煤體的水滲出使得煤體表層受到拉伸變形，而后有所減小是因為水退出后孔徑縮??；而縱向變形量在加壓后始終呈現出負值，卸壓后縱向的應變急劇增大，說明加壓后垂直層理方向受到了擠壓作用，卸壓恢復使煤體垂直層理方向受到了拉伸作用。

2)不同壓力下的變形量分析

承壓水加入和卸壓的整個過程中，煤體橫向的變形量在-200～200 με之間，基本變化差異性較小；而縱向變形量在-3 800～300 με之間，加壓水浸后到達穩定變形所需的時間隨壓力增大逐漸減小，卸壓后到達穩定所需的時間是壓力越大平衡所需時間越長，橫縱變形量均無法恢復到初始狀態。

結果說明承壓水對于煤體產生的變形基本不可逆，對于縱向變形產生的影響作用較大，而壓力越大壓縮變形越小，這可能是由于低壓下煤樣吸附水的能力低，內部產生的膨脹能力遠小于水壓，因此產生較大的壓縮變形，而高壓下，煤樣吸水多，膨脹能力大，在與水壓的抵消作用下，煤樣出現小壓縮變形。

圖2　不同承壓水浸作用下變形規律Fig.2　The same pressure relief deformation of coal body with different water pressure

卸壓后，不同承壓水作用下煤體的橫向和縱向變形恢復也不同，說明不同承壓水下，煤體的表面能和內部膨脹力以及水壓的共同作用導致煤體的變形，而卸壓后水壓的消失會使得煤體受力平衡發生改變，因而恢復的狀態不同，同時水壓越大殘余變形量越小。不同壓力下煤體的具體變形見圖3。

圖3　不同承壓水浸下變形比較Fig.3　Comparison diagram of deformation under different pressure flooding

2.2　不同壓力煤體體應變變化規律

由于煤體本身的構造及破碎性程度不同，即使嚴格控制也無法消除實驗結果的離散型，因此每組實驗時采取對比煤樣的實驗方法，挑選構造相同的2塊煤樣做對比，用實驗結果相差不大的平均值作為實驗結果，整理出不同壓力水浸下應力-應變曲線圖(見圖4)。其中σ～εz代表應力-縱向應變的關系；σ～εh代表應力-橫向應變的關系；σ～εv代表應力-體應變的關系。其中體應變計算方法如下[15]：

εv=εz+2εh=(1-2μ)εz

式中：εv為一體應變；μ為縱橫應變比。

表1為不同壓力水浸下體應變的極值。

圖4　不同承壓水浸下體應變曲線Fig.4　Lower body curves of different pressure floods

表1　不同壓力水浸下體應變的極值

從表1可以看出，壓力增大體應變的最小值呈現遞增狀態，說明煤體受到壓縮的程度和外界水壓呈反比，最大體應變變化值不大，煤體受拉伸的狀態是有限的。整個過程說明不管煤體壓縮還是拉伸是外界水壓和煤體膨脹應力共同作用的結果，這對于研究煤體微觀狀態和瓦斯抽采提供可參考的依據。

從圖4可以看出，不同承壓水浸濕下，體應變呈現出相似的變形曲線規律，承壓浸水后體應變先是一個壓縮減小過程，且壓力越大變形反而越小，壓力越小穩定過程越緩慢，降壓后體應變呈現出一個急劇增大膨脹的過程，說明前期緩慢進入煤體內部的水由于壓力卸載而溢出最后趨于穩定。

2.3　討論

1)0 MPa水浸煤體后，煤體橫縱變形均為拉伸狀態，表明煤體僅受到水吸附的作用，水通過孔隙進入煤體內部，煤體產生微弱膨脹，導致煤體表面橫縱應變均呈現拉伸狀態。

2)承壓水浸濕作用下，煤體受到水壓和水吸附的共同作用，低壓下煤樣吸附水的能力低，內部產生的膨脹能力遠小于水壓，因此產生較大的壓縮變形，而高壓下，煤樣被迫吸水多，膨脹能力大，在與水壓的抵消作用下，煤樣出現小壓縮變形。

3　結論

1)承壓水浸煤體后，橫向的變形基本變化不大，而縱向變形和壓力之間存在明顯的差異性。當達到穩定平衡后，卸壓導致了橫向應變的短期膨脹，是由于水從煤體內部沿著孔隙內部溢出，當水流出后煤體自身有一個彈性恢復，因此變形達到峰值后又降低最后趨于穩定。

2)縱向變形受壓力差異變化較大，隨水壓的升高，縱向變形量從減小到平穩的過程越來越迅速，且變形量基本小于0，說明縱向煤層一直處于壓縮狀態。卸壓后，縱向變形量逐漸增大，且承壓越大，恢復達到穩定的周期越長。

3)體應變總體呈現由壓縮到膨脹拉升的狀態，說明浸水下壓力的增大對于煤體的微觀狀態結構產生壓縮的影響，壓縮的大小和浸水壓力成反比。

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