水的侵入對煤體應變特征影響試驗研究

聶振宇　秦萬里

【摘 要】為研究承壓狀態下水的侵入對煤體表面應力變化影響規律，利用自制的水氣共吸煤體應變監測系統，采用應變監測的方法，開展了純水壓和水氣共吸兩組不同條件下的試驗，針對水的侵入對煤體表面應變影響規律進行了研究。結果表明：在純氣壓狀態下，充氣階段煤表面應力發生瞬間突變，突變值為正；水氣共吸狀態下，水的侵入使得煤體表面應力突變值為負；純氣壓條件下，煤體的應變變化趨勢幅度和充氣壓力成正比；水氣共吸條件下，煤體的應變變化趨勢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。

【關鍵詞】煤體變形；應力變化；水的侵入

中圖分類號： TD32；TD712 文獻標識碼： A 文章編號： 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。我國水力化技術作為瓦斯開采的重要增透措施，一般通過兩種方法實現：一是向鉆孔內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，為瓦斯的解吸流動提供通道，提高鉆孔的抽采范圍；另一種是通過高壓水射流割縫或沖孔等方式將煤層內部分煤體破碎并經鉆孔排出煤層，擴大鉆孔的出煤量，使鉆孔周圍的煤體蠕變運移，降低煤體的地應力，促進煤層內裂隙通道的擴展、連通，提升煤層的滲透性，促進瓦斯解吸流動，提高鉆孔瓦斯抽采效果[1]。煤體在承壓狀態下，外部水的侵入必然導致煤體變形，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[2-4]。

國內外對水對對煤體理化性能的影響進行大量的研究。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和氣區的孔隙、瓦斯壓力和煤體應力解析解[5]。李相臣等通過水飽和煤樣氣體運移實驗明確了兩相流體流動行為，獲取了氣相滲透率、排驅壓力和吸附速率等參數[6]。黃炳香等提出煤巖體水力致裂在煤礦中可以應用于堅硬頂板控制、堅硬頂煤的弱化、應力定向轉移、局部集中應力解除、強度弱化減沖、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用進行了分析介紹[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計的瓦斯滲流試驗裝置，對兩種典型原煤煤樣的瓦斯滲透率的變化規律進行研究[8]。吳強等利用水合固化反應與三軸壓縮一體化實驗裝置，對含瓦斯氣體及水合物型煤進行常規三軸壓縮實驗，研究不同圍壓下兩種煤樣的力學性質[9]。岳振等在利用“高壓水載荷下瓦斯滲流實驗裝置”成功制取原煤煤樣試件的基礎上，對煤樣試件高壓水載荷下的破裂過程及壓裂前后的滲透率變化進行了實驗研究[10]。

本文針對原煤首先進行了較為系統的物理以及力學特性分析，然后利用自制的煤體應變監測試驗系統，采用煤表面應變監測的方法，開展了純氣壓和水氣共吸兩組不同條件下的試驗，對煤的表面應力變化進行研究，以期為現場煤樣開采以及相關設計提供必要理論支持。

1 試驗系統及步驟

1.1 試驗制備

試驗準備了六個試塊，試塊柱體采用Φ50mm*50的圓煤體，見圖1。所有煤體砂紙打磨，用無水乙醇擦拭表面，除去表面氧化層，待無水乙醇風干后，在煤體的軸向側面中部位置橫向、縱向粘貼一應變片，用來分析煤體在純氣壓作用和水氣共吸作用下的表面應變值。

采取502膠水將應變片前端區域粘貼在煤體，用AB膠將應變片尾端固定在煤體上，晾至膠體干透后開始試驗。

1.2 試驗系統及試驗步驟

本試驗系統主要包括水氣填充和應變采集2部分，水氣填充儀器包括有：導氣管，導水管，壓力計，儲煤罐體，儲水罐體，高壓氣泵。應變采集部分有DT85G數據采集器，應變片，計算機，連接線路。其中，高壓氣泵電機電壓220V，50Hz，功率1.3Kw，充氣流量80L/min，見圖2。DT85G數據采集儀采集數據頻率為20ms采集一次數據，見圖3。

試驗步驟：

A、純氣壓下作用

（1）將粘有橫縱應變片的煤樣放入吸附罐中

（2）將煤樣上的應變片尾端導線連接到數據采集儀

（3）開啟數據采集儀監測數據待平穩后，開啟氣泵

（4）當煤體表面應變達到持續穩定，關閉氣泵和數據采集儀

（5）重復上述步驟，開展不同壓力下多組實驗

B、水氣共吸下作用

（1）將粘有橫縱應變片的煤樣放入吸附罐中

（2）將煤樣上的應變片尾端導線連接到數據采集儀

（3）開啟數據采集儀監測數據待平穩后，開啟氣泵，將儲水罐內水加入吸附罐

（4）當煤體表面應變達到持續穩定，關閉氣泵和數據采集儀

（5）重復上述步驟，開展不同壓力下多組實驗

2 試驗結果與討論

分析試驗中煤體應變的數據，得到其中較為典型的煤體應變–時間曲線，見圖5，由圖可以看出：

（1）在純氣壓狀態下，充氣階段應力發生瞬間突變，突變值為正，這一數值在應力變化達到穩定時保持不變，應力變化與氣壓值成正比；由于氣壓的作用，煤體的內部膨脹變形大于外部氣體造成的壓縮變形，高壓下這一趨勢更加明顯；縱向變化趨勢比橫向趨勢大。

（2）在水氣共吸狀態下，充氣階段應力發生瞬間突變，突變值為負，應變值受水和氣壓的共同影響，尤其是縱向變化趨勢較大，變化趨勢幅度和充氣壓力成反比。

3 結論

（1）構建了煤體在純氣壓條件下和水氣共吸條件下煤體應力監測試驗系統，開展采用煤體應變監測的方法，開展純氣壓下和水氣共吸不同條件下煤體變形的試驗，針對水的侵入對煤體應變特征進行研究試驗，發現在純氣壓狀態下，充氣階段煤體表面應力發生瞬間突變，突變值為正，水的作用使得煤體表面應變值呈現負增長狀態。

圖5 煤體應變-時間曲線

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

【參考文獻】

[1]袁亮，林柏泉，楊威.我國煤礦水力化技術瓦斯治理研究進展及發展方向[J].煤炭科學技術，2015，43（01）：45-49.

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[3]袁欣鵬，梁冰，孫維吉，張秀平.卸壓煤層瓦斯抽采滲透率演化模型研究[J].中國安全生產科學技術，2016，12（2）：127-131.

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[5]吳春野，殷志祥，唐治. 煤層水壓致裂后煤巖應力解析[J].煤田地質與勘探，2016，44（4）：114-118.

[6]李相臣，康毅力，周來誠，戰麗穎.水飽和煤巖儲層甲烷運移動態特征[J].石油學報，2015，36（07）：876-881.

[7]黃炳香，程慶迎，劉長友，魏民濤，付軍輝等.煤巖體水力致裂理論及其工藝技術框架[J].采礦與安全工程學報，2011，28（2）：168-173.

[8]田坤云等高水壓載荷下軟硬原煤瓦斯滲流試驗研究[J].安全與環境工程，2014，21（6）：161-165.

[9]吳強，劉文新，高霞，高橙等.不同圍壓下含瓦斯氣體及水合物煤體的力學性質[J].黑龍江科技大學學報2016，26（2）128-121.

[10]岳振，李丹，唐永久，等.高壓水載荷下松軟煤體的破裂過程及瓦斯滲流特性實驗研究[J].現代礦業2014，11（11）11-13.