水的侵入對(duì)煤體應(yīng)變特征影響試驗(yàn)研究

聶振宇　秦萬(wàn)里

【摘 要】為研究承壓狀態(tài)下水的侵入對(duì)煤體表面應(yīng)力變化影響規(guī)律，利用自制的水氣共吸煤體應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用應(yīng)變監(jiān)測(cè)的方法，開(kāi)展了純水壓和水氣共吸兩組不同條件下的試驗(yàn)，針對(duì)水的侵入對(duì)煤體表面應(yīng)變影響規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在純氣壓狀態(tài)下，充氣階段煤表面應(yīng)力發(fā)生瞬間突變，突變值為正；水氣共吸狀態(tài)下，水的侵入使得煤體表面應(yīng)力突變值為負(fù)；純氣壓條件下，煤體的應(yīng)變變化趨勢(shì)幅度和充氣壓力成正比；水氣共吸條件下，煤體的應(yīng)變變化趨勢(shì)幅度和充氣壓力成反比。煤體的縱向變形比橫向變形更加劇烈。

【關(guān)鍵詞】煤體變形；應(yīng)力變化；水的侵入

中圖分類號(hào)： TD32；TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）11-0149-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.064

0 引言

瓦斯治理一直是煤礦開(kāi)采面臨的主要難題，其中水力化措施在瓦斯治理中有著重要的地位。我國(guó)水力化技術(shù)作為瓦斯開(kāi)采的重要增透措施，一般通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)：一是向鉆孔內(nèi)注入高壓水壓裂鉆孔，在鉆孔周圍形成若干宏觀裂隙和分支裂隙，為瓦斯的解吸流動(dòng)提供通道，提高鉆孔的抽采范圍；另一種是通過(guò)高壓水射流割縫或沖孔等方式將煤層內(nèi)部分煤體破碎并經(jīng)鉆孔排出煤層，擴(kuò)大鉆孔的出煤量，使鉆孔周圍的煤體蠕變運(yùn)移，降低煤體的地應(yīng)力，促進(jìn)煤層內(nèi)裂隙通道的擴(kuò)展、連通，提升煤層的滲透性，促進(jìn)瓦斯解吸流動(dòng)，提高鉆孔瓦斯抽采效果[1]。煤體在承壓狀態(tài)下，外部水的侵入必然導(dǎo)致煤體變形，并影響到瓦斯運(yùn)移，研究外液浸濕和退出過(guò)程中煤體的變形，對(duì)于外液浸濕誘導(dǎo)煤體變形機(jī)理及其對(duì)瓦斯運(yùn)移的影響機(jī)理有更深的意義[2-4]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)水對(duì)對(duì)煤體理化性能的影響進(jìn)行大量的研究。吳春野采用理論研究方法得出高壓注水壓致裂后及卸水后水區(qū)和氣區(qū)的孔隙、瓦斯壓力和煤體應(yīng)力解析解[5]。李相臣等通過(guò)水飽和煤樣氣體運(yùn)移實(shí)驗(yàn)明確了兩相流體流動(dòng)行為，獲取了氣相滲透率、排驅(qū)壓力和吸附速率等參數(shù)[6]。黃炳香等提出煤巖體水力致裂在煤礦中可以應(yīng)用于堅(jiān)硬頂板控制、堅(jiān)硬頂煤的弱化、應(yīng)力定向轉(zhuǎn)移、局部集中應(yīng)力解除、強(qiáng)度弱化減沖、含瓦斯煤層增透、煤與瓦斯突出的防治等，并將其在煤礦中的應(yīng)用進(jìn)行了分析介紹[7]。田坤云采用二次成型法成功地制作同一煤礦的硬煤和軟煤原煤樣，并在高水壓加載前后使用自行設(shè)計(jì)的瓦斯?jié)B流試驗(yàn)裝置，對(duì)兩種典型原煤煤樣的瓦斯?jié)B透率的變化規(guī)律進(jìn)行研究[8]。吳強(qiáng)等利用水合固化反應(yīng)與三軸壓縮一體化實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)含瓦斯氣體及水合物型煤進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究不同圍壓下兩種煤樣的力學(xué)性質(zhì)[9]。岳振等在利用“高壓水載荷下瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)裝置”成功制取原煤煤樣試件的基礎(chǔ)上，對(duì)煤樣試件高壓水載荷下的破裂過(guò)程及壓裂前后的滲透率變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[10]。

本文針對(duì)原煤首先進(jìn)行了較為系統(tǒng)的物理以及力學(xué)特性分析，然后利用自制的煤體應(yīng)變監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，采用煤表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)的方法，開(kāi)展了純氣壓和水氣共吸兩組不同條件下的試驗(yàn)，對(duì)煤的表面應(yīng)力變化進(jìn)行研究，以期為現(xiàn)場(chǎng)煤樣開(kāi)采以及相關(guān)設(shè)計(jì)提供必要理論支持。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及步驟

1.1 試驗(yàn)制備

試驗(yàn)準(zhǔn)備了六個(gè)試塊，試塊柱體采用Φ50mm*50的圓煤體，見(jiàn)圖1。所有煤體砂紙打磨，用無(wú)水乙醇擦拭表面，除去表面氧化層，待無(wú)水乙醇風(fēng)干后，在煤體的軸向側(cè)面中部位置橫向、縱向粘貼一應(yīng)變片，用來(lái)分析煤體在純氣壓作用和水氣共吸作用下的表面應(yīng)變值。

采取502膠水將應(yīng)變片前端區(qū)域粘貼在煤體，用AB膠將應(yīng)變片尾端固定在煤體上，晾至膠體干透后開(kāi)始試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括水氣填充和應(yīng)變采集2部分，水氣填充儀器包括有：導(dǎo)氣管，導(dǎo)水管，壓力計(jì)，儲(chǔ)煤罐體，儲(chǔ)水罐體，高壓氣泵。應(yīng)變采集部分有DT85G數(shù)據(jù)采集器，應(yīng)變片，計(jì)算機(jī)，連接線路。其中，高壓氣泵電機(jī)電壓220V，50Hz，功率1.3Kw，充氣流量80L/min，見(jiàn)圖2。DT85G數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)頻率為20ms采集一次數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3。

試驗(yàn)步驟：

A、純氣壓下作用

（1）將粘有橫縱應(yīng)變片的煤樣放入吸附罐中

（2）將煤樣上的應(yīng)變片尾端導(dǎo)線連接到數(shù)據(jù)采集儀

（3）開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)待平穩(wěn)后，開(kāi)啟氣泵

（4）當(dāng)煤體表面應(yīng)變達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定，關(guān)閉氣泵和數(shù)據(jù)采集儀

（5）重復(fù)上述步驟，開(kāi)展不同壓力下多組實(shí)驗(yàn)

B、水氣共吸下作用

（1）將粘有橫縱應(yīng)變片的煤樣放入吸附罐中

（2）將煤樣上的應(yīng)變片尾端導(dǎo)線連接到數(shù)據(jù)采集儀

（3）開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)待平穩(wěn)后，開(kāi)啟氣泵，將儲(chǔ)水罐內(nèi)水加入吸附罐

（4）當(dāng)煤體表面應(yīng)變達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定，關(guān)閉氣泵和數(shù)據(jù)采集儀

（5）重復(fù)上述步驟，開(kāi)展不同壓力下多組實(shí)驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

分析試驗(yàn)中煤體應(yīng)變的數(shù)據(jù)，得到其中較為典型的煤體應(yīng)變–時(shí)間曲線，見(jiàn)圖5，由圖可以看出：

（1）在純氣壓狀態(tài)下，充氣階段應(yīng)力發(fā)生瞬間突變，突變值為正，這一數(shù)值在應(yīng)力變化達(dá)到穩(wěn)定時(shí)保持不變，應(yīng)力變化與氣壓值成正比；由于氣壓的作用，煤體的內(nèi)部膨脹變形大于外部氣體造成的壓縮變形，高壓下這一趨勢(shì)更加明顯；縱向變化趨勢(shì)比橫向趨勢(shì)大。

（2）在水氣共吸狀態(tài)下，充氣階段應(yīng)力發(fā)生瞬間突變，突變值為負(fù)，應(yīng)變值受水和氣壓的共同影響，尤其是縱向變化趨勢(shì)較大，變化趨勢(shì)幅度和充氣壓力成反比。

3 結(jié)論

（1）構(gòu)建了煤體在純氣壓條件下和水氣共吸條件下煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展采用煤體應(yīng)變監(jiān)測(cè)的方法，開(kāi)展純氣壓下和水氣共吸不同條件下煤體變形的試驗(yàn)，針對(duì)水的侵入對(duì)煤體應(yīng)變特征進(jìn)行研究試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在純氣壓狀態(tài)下，充氣階段煤體表面應(yīng)力發(fā)生瞬間突變，突變值為正，水的作用使得煤體表面應(yīng)變值呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)狀態(tài)。

圖5 煤體應(yīng)變-時(shí)間曲線

（2）純氣壓作用下，煤體的內(nèi)部膨脹變形大于外部氣體造成的壓縮變形，高壓下這一趨勢(shì)更加明顯，且煤體縱向變化趨勢(shì)較大，變化趨勢(shì)幅度和充氣壓力成正比；縱向變化趨勢(shì)比橫向趨勢(shì)大。在水氣共吸狀態(tài)下，充氣階段應(yīng)力發(fā)生瞬間突變，突變值為負(fù)，應(yīng)變值受水和氣壓的共同影響，尤其是縱向變化趨勢(shì)較大，變化趨勢(shì)幅度和充氣壓力成反比。

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