不同瓦斯壓力和孔隙率的原煤電阻率和滲透率變化規律研究*

林　峰，榮浩宇

(1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

數字出版日期： 2017-04-21

0　引言

近年來，隨著開采深度加深，煤巖動力災害日益嚴重[1-2]，電阻率作為災害發生過程中一個重要的力學響應參數，滲透率作為煤礦瓦斯防治領域的重要參數[3]，學者們對煤巖的電阻率和滲透率展開了深入的研究。孟磊[4]對構造煤進行單軸壓縮試驗，認為型煤的電阻率變化規律與煤體變質程度有關；陳鵬[5]研究了煤體不同層理方向電阻率，得到煤體電阻率各向異性的特征；王恩元[6]通過對受載煤體全應力應變過程電阻率進行實時監測，認為電阻率變化規律可以作為前兆信息，以反映煤體失穩破壞前的擴容突變現象；朱亞飛等[7-8]對含瓦斯煤與不含瓦斯煤單軸壓縮過程電阻率變化進行對比，發現含瓦斯煤與不含瓦斯煤電阻率均呈現先減小后增大的規律；康天慧等[9-10]通過對煤體的吸附解吸實驗，分析了煤體電阻率隨瓦斯含量的變化規律；張朝鵬等[11-15]通過大量實驗研究了煤樣滲透率與瓦斯壓力、溫度和含水量等因素的關系。

上述學者主要對煤體的電阻率和滲透率單獨研究，而對二者之間在加載過程中的對應關系研究尚不清楚，電阻率的變化規律反映了煤巖破壞的過程，滲透率是反映高瓦斯礦井安全性的一個重要參數，研究電阻率和滲透率變化規律及對應關系，從而通過監測電阻率的變化規律同時反映煤體受力情況以及滲透率的變化規律。瓦斯壓力和孔隙率是影響煤體電阻率和滲透率的2個主要因素。基于此，本文以淮南礦區謝一礦51采區C15煤層煤體為研究對象，測量三軸壓縮過程中不同瓦斯壓力和孔隙率下原煤的電阻率和滲透率變化規律及對應關系，為礦井瓦斯滲流監測提供一種安全高效的新方法，以期對提高瓦斯抽采率及治理瓦斯突出具有積極意義。

1　實驗

1.1　試樣制備

試驗煤樣取自淮南礦區謝一礦51采區C15煤層，C15煤層采深超過600 m,處于高采動應力環境，平均煤厚1.0 m，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量均較低，P=0.57 MPa，W=6 m3/t，但煤巖巷道掘進過程中，常發生噴孔事故，主要是煤層透氣性減弱瓦斯積聚而導致。

考慮煤體物理力學性質具有各向異性的特征，在現場選取塊度大、未風化、完整性好的煤塊，運回實驗室烘干，加工成尺寸φ50 mm × 100 mm的標準原煤試件。

1.2　實驗系統

實驗系統由加載系統、滲流系統、電阻率測試系統組成，采用MTS-816試驗機、氣滲透系統、電阻儀改裝而成，如圖1所示，該系統可以進行不同瓦斯壓力下的煤樣三軸壓縮滲透試驗，加載系統改變圍壓和軸壓，滲流系統改變瓦斯壓力并測量氣體流量，電阻率測試系統記錄煤樣電阻率。

1.3　實驗步驟

1)將加工的原煤試件，抽真空稱得煤樣干質量md，浸泡在水中稱出飽水質量ms，試件孔隙率ω可用式(1)表示，其中ρL為水的密度，取1×103kg/m3，V為試件體積：

(1)

2)將試件烘干，選取孔隙率相近的試件1組，分4組，每組5個試件，一共20個試件，進行編號，如表1所示。

表1　試件編號

3)在室溫環境下，圍壓設為8 MPa，瓦斯壓力分別為0.5,1.0,1.5,2.5和4.0 MPa條件下對每組試件進行三軸滲流試驗，采用位移控制，加載速率為0.02 mm/min，記錄下電阻率變化情況以及通過試件的瓦斯流量，用式(2)計算煤樣的瓦斯滲透率K：

(2)

式中：Q0為滲透量，cm3·s-1；P0為測點大氣壓力， MPa；μ為氣體黏性系數，取 10.8×10-6Pa·s；P1為進口氣體壓力，Pa；P2為出口氣體壓力，Pa；A為試樣的橫截面積，cm2；L為試件長度，cm。

2　試驗結果及分析

2.1　煤樣不同孔隙率和瓦斯壓力下的電阻率試驗結果分析

2.1.1電阻率隨瓦斯壓力的變化規律

如圖2所示是最小電阻率隨瓦斯壓力的變化曲線。相同孔隙率下最小電阻率隨瓦斯壓力的升高先增大后減小，拐點處為1.0 MPa。瓦斯壓力對最小電阻率的影響可分為3個階段，瓦斯壓力小于1.0 MPa時，最小電阻率隨瓦斯壓力的升高而增加；瓦斯壓力大于1.0 MPa小于2.5 MPa時，最小電阻率隨瓦斯壓力的升高而減小；瓦斯壓力大于2.5 MPa時，最小電阻率隨瓦斯壓力的升高緩慢減小，瓦斯壓力4.0 MPa時達到最小，瓦斯壓力1.0 MPa時達到最大。

圖2　最小電阻率-瓦斯壓力曲線Fig.2　Minimum resistivity-gas pressure curves

2.1.2電阻率隨孔隙率的變化規律

如圖3所示是最小電阻率隨孔隙率的變化曲線。瓦斯壓力相同時，最小電阻率隨孔隙率的增大而增大；孔隙率對最小電阻率的影響可分為2個階段：孔隙率小于9.5%時，最小電阻率隨孔隙率增加緩慢，孔隙率大于9.5%時，最小電阻率的增加趨勢相對顯著；瓦斯壓力4.0 MPa時，最小電阻率隨孔隙率增加幅度最小，且當孔隙率為8.8%時最小電阻率為最小值113 kΩ·m；瓦斯壓力1.0 MPa時，最小電阻率隨孔隙率增加幅度最大，且當孔隙率為11.2%時最小電阻率為最大值209 kΩ·m。

圖3　最小電阻率-孔隙率曲線Fig.3　Minimum resistivity-factor of porosity curves

2.2　煤樣不同孔隙率和瓦斯壓力下的滲透率試驗結果分析

2.2.1滲透率隨瓦斯壓力的變化規律

如圖4所示是最小滲透率隨瓦斯壓力的變化曲線。相同孔隙率下，最小滲透率隨瓦斯壓力的升高先增大后減小，拐點處為1.0 MPa。瓦斯壓力對最小滲透率的影響可分為3個階段：瓦斯壓力小于1.0 MPa時，最小滲透率隨瓦斯壓力的升高大幅度增加，孔隙率越大增加幅度越大；瓦斯壓力大于1.0 MPa小于2.5 MPa時，最小滲透率隨瓦斯壓力的升高急劇減小；瓦斯壓力大于2.5 MPa時，最小滲透率隨瓦斯壓力的升高緩慢減小；孔隙率越大，下降幅度越大；瓦斯壓力4.0 MPa時，最小滲透率近似為0；瓦斯壓力為1.0 MPa時最小滲透率達到最大；瓦斯壓力1.0 MPa，孔隙率11%～12%時，最小滲透率最大值為65 nm2。

圖4　最小滲透率-瓦斯壓力曲線Fig.4　Minimum permeability-gas pressure curves

如圖5所示是最小滲透率隨孔隙率的變化曲線。瓦斯壓力相同時，最小滲透率隨孔隙率的增大而增大，其中瓦斯壓力為2.5 MPa和4.0 MPa時，最小滲透率隨孔隙率的增大發生微小的增大并且瓦斯壓力為4 MPa時，最小滲透率近似于0；瓦斯壓力小于2.5 MPa時，孔隙率對最小滲透率的影響可分為2個階段：孔隙率小于9.5%時，最小電阻率隨孔隙率增加緩慢，孔隙率大于9.5%時，最小電阻率的增加趨勢相對顯著；瓦斯壓力為1.0 MPa時，最小滲透率隨孔隙率的增加幅度最大；孔隙率11.2%，瓦斯壓力1.0 MPa時，最小滲透率為最大值65 nm2。

圖5　最小滲透率-孔隙率曲線Fig.5　Minimum permeability-factor of porosity curves

2.3　全應力應變過程電阻率和滲透率變化規律

為了便于研究全應力應變過程電阻率和滲透率的變化規律，引入參數λ和μ分別表示滲透率和電阻率的變化幅度：

λ=k/k0,μ=ρ/ρ0

式中:ρ0表示初始電阻率;k0表示初始滲透率。

根據全應力應變過程電阻率和滲透率的變化曲線結果分析可得，試件的電阻率和滲透率都呈隨著軸向應變的增大先減小后增大的規律。 考慮到篇幅有限，取A1試件全應力應變過程電阻率和滲透率變化幅度比曲線作具體分析。如圖6所示，A1試件電阻率和滲透率變化整體呈現快速下降-平緩下降-突變上升-加速上升的規律，λ和μ初始值為1，加載初期電阻率和滲透率下降迅速，之后下降速率減緩，拐點處λ和μ達到最小，λ最小為0.59，μ最小為0.28，μ對應拐點滯后于λ對應拐點，拐點后突然升高并繼續保持快速升高的趨勢；煤樣加載過程中滲透率和電阻率的演化具有明顯的階段性，與變形破壞各階段相對應，分別對應著壓密階段-彈性階段-塑性階段-破壞階段。

圖6　A1試件全應力應變過程變化幅度比曲線Fig.6　Variation amplitude ratio curve of tensile strain process of A1 specimen

從以上試驗結果可以看出，在三軸加載過程中，不同孔隙率和瓦斯壓力下的電阻率和滲透率的變化規律基本保持一致；電阻率和滲透率與孔隙率、瓦斯壓力的關系也基本一致。

3　電阻率、滲透率變化機制分析

3.1　瓦斯壓力、孔隙率對電阻率、滲透率的影響機制分析

從微觀角度來看，電阻率和滲透率的大小主要取決于煤體裂隙孔隙的發育程度。瓦斯壓力相同時，孔隙率越大，瓦斯流動通道越暢通，滲透率越大，孔隙率越大，電阻率也越大。孔隙率相同時，瓦斯壓力較小時(本文小于1.0 MPa時)，瓦斯氣體將煤體裂隙孔隙撐開，煤體骨架受到壓縮，瓦斯流動通道拓寬，滲透率隨瓦斯壓力的增大而增大，同樣電阻率也增大。瓦斯壓力較大時(本文大于1.0 MPa時)，瓦斯壓力的增大使得煤體內部的碎粒發生脫落，裂隙通道發生崩落，導致瓦斯流動通道堵塞，煤體的滲透率和電阻率變小。

3.2　全應力應變過程電阻率、滲透率的變化機制分析

全應力應變過程電阻率和滲透率變化幅度比曲線恰好對應應力應變過程的壓密階段-彈性階段-塑性階段-破壞階段。壓密階段，煤樣原生裂隙孔隙被壓密閉合，電阻率、滲透率減小，減小幅度較大；彈性階段，煤體進一步被壓縮，孔隙裂隙在彈性階段結束時被壓縮到最小，電阻率、滲透率減小，減小幅度較小；塑性階段，試件由體積壓縮轉為擴容，煤體微破裂擴張，電阻率、滲透率急劇增大，瓦斯吸附在新生裂隙孔隙上導致滲透率拐點滯后電阻率拐點的現象；破壞階段，煤體進一步破裂，電阻率、滲透率繼續增大。

4　結論

1)從試驗結果分析可知，電阻率、滲透率隨瓦斯壓力、滲透率的變化規律具有一致性。瓦斯壓力相同時，電阻率和滲透率隨孔隙率的增大而增大；孔隙率相同時，最小電阻率、滲透率隨瓦斯壓力的增大先增大后減小。

2)全應力應變過程，電阻率-應變曲線和滲透率-應變曲線具有很好的對應關系，都隨著軸應變的增大先減小后增大；滲透率拐點滯后于電阻率拐點。

3)從機制分析可知，瓦斯壓力和孔隙率的不同直接影響了孔隙的連接貫通，不同加載階段裂隙的擴展發育情況不同，從而導致了電阻率和滲透率的改變。

4)可以通過監測電阻率的變化預測滲透率的變化，為滲透率的監測提供一種新的方法，同時電阻率也可以反映煤體應力變化情況，保證了含瓦斯煤的安全高效開采。

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