中高階煤樣承載過程裂隙演化及瓦斯滲透性變化對比

2019-10-14 03:41:34郭軍杰程曉陽

中國礦業 2019年10期

郭軍杰，程曉陽

(1.河南工程學院安全工程學院，河南鄭州 451191；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

煤體裂隙演化對瓦斯滲透率的變化具有重要的影響。深入研究煤樣承載過程中裂隙演化對瓦斯滲透性變化的控制作用，是解決煤礦瓦斯治理及抽采的基本問題。

李紅濤[1]通過手工制作較軟的構造煤試驗煤樣，研究了構造煤滲透率隨堅固性系數(用f表示)減小而減小的規律，滲透率與孔隙度之間的關系；倪小明等[2-3]通過研究構造煤類型與滲透率之間的關系，認為隨著構造變形程度的加大，煤層的滲透率逐漸減小；尹光志等[4-5]對比研究了型煤和原煤的變形和滲透率之間的關系；潘榮錕等[6]研究了不同加卸載下層理裂隙煤體的滲透特性；李波波[7]、劉大錳等[8]不同開采條件下煤巖損傷演化與煤層瓦斯滲透機理；王偉等[9]建立了深部含瓦斯煤體滲透率演化及卸荷增透理論；張朝鵬等[10]研究了低滲透巖石三軸壓縮過程中的滲透性；程遠平等[11]研究了不同瓦斯壓力原煤應力應變全過程中的滲透特性；王登科等[12]建立了基于Klinkenberg效應影響的煤體瓦斯滲流規律及其滲透率計算方法；魏建平等[13]、WANG等[14]、SHI等[15]探討了含瓦斯煤滲透率動態演化規律。目前對不同應力路徑下煤巖滲透性變化研究已有豐富的成果，但對常規三軸下煤樣峰后滲透率變化的描述還較少。

本文擬選取硬度較高的無煙煤2個，屬于中硬煤樣的煙煤2個，根據常規三軸下煤樣應變、聲發射和滲透率數據，分析煤樣裂隙演化對滲透率變化控制作用，為瓦斯治理和抽采提供理論幫助。

1 試驗方案及煤樣

1.1 試驗方案

試驗設備為自主研發，主要由軸壓和圍壓加載控制系統、氣滲透系統、流量測量系統、壓力傳感與伺服控制系統、聲發射測試系統、數據采集與處理系統六部分構成，可以實現對軸壓的加載-卸載以及各種氣體的滲透和聲發射實驗，見圖1。主要技術參數：軸壓加載范圍：0～120 MPa；圍壓加載范圍：0～60 MPa；瓦斯壓力范圍：0～10 MPa；軸向位移范圍：0～100 mm；溫度控制范圍：室溫-150 ℃；負壓控制范圍：0～100 kPa；軸向載荷控制方式：位移控制、應力控制；圍壓載荷控制方式：應力控制；應力值誤差范圍：示值的+0.5%；變形量誤差范圍：示值的+0.5%；溫度控制誤差：+0.5 ℃；負壓測量誤差：示值的+1%；實驗過程相關參數均為全自動采集。聲發射參數采集設備為DS5-8B型全信息聲發射信號分析儀。

圖1 三軸應力滲流實驗系統Fig.1 The triaxial stress seepage experiment system

氣體參數設定：試驗氣體為純度99.99%甲烷，圍壓為2 MPa，瓦斯出口壓力0.6 MPa，進口壓力1.6 MPa，試驗溫度為20 ℃，測試加載過程中瓦斯滲透率。

聲發射試驗參數設定：為了保障聲發射信號接收的可靠性，在煤樣加載裝置的底座上對稱布置兩個傳感器同時進行數據采集，頻率為3 MHz，通道使能50 mV，撞擊閉鎖時間200 μs，采用門限觸發控制，門檻值50 dB。

1.2 煤樣

1.2.1 煤樣采集及編號

試驗煤樣來自山西晉煤集團寺河礦的3#無煙煤和河南平頂山礦區十礦的煙煤。寺河礦的采樣地點為西二盤區W2301工作面，煤層埋深-460 m，結構均一，以水平層理為主且煤質堅硬。平頂山十礦的采用地點為-140水平戊七采區東翼的戊9-11煤。無煙煤用W1和W2表示，煙煤用Y1和Y2表示。

1.2.2 煤樣基礎參數

寺河礦兩個煤樣為無煙煤，鏡質體反射率分別為3.43、3.38，顯微組成中的鏡質組、殼質組、惰質組和礦物參數分別為90、無、7和3。平頂山礦區兩個煤樣為煙煤，鏡質體反射率分別為1.16和1.14，顯微組成中的鏡質組、殼質組、惰質組和礦物參數分別為83、6、9、2和83、5、9、3。

兩種煤樣力學性能參數見表1。煤樣軟硬分析，兩個無煙煤的三軸強度分別是67.700 MPa和58.576 MPa，強度都大于40 MPa，屬于硬煤。而兩個煙煤的三軸強度分別是27.935 MPa和25.205 MPa，兩個煤樣強度都大于20 MPa，小于40 MPa，屬于中硬煤。

2 試驗結果

4個煤樣的聲發射和滲透率測試結果如圖2所示。

表1 兩種煤樣的力學參數Table 1 Mechanical parameters of two types of coal

圖2 煤樣聲發射和滲透率測試結果Fig.2 Test results for acoustic emission and permeability of coal samples

圖2所示的4個煤樣應力應變-聲發射-滲透率變化具有一定規律性。在峰值前，4個煤樣的應力應變曲線、聲發射振鈴數變化趨勢和滲透率變化趨勢較為一致，煤樣應變增量經歷了減速、勻速和加速三個階段，而聲發射振鈴數和滲透率變化趨勢則經歷了下降、穩定和上升三個階段。而在峰值后，無煙煤與煙煤具有較大的差異性，兩個無煙煤的應變曲線下降較陡，未出現多個殘余強度值，且聲發射振鈴數和滲透率數據在峰值后測不到；而兩個煙煤的應變曲線下降較緩，出現多個殘余強度值，且聲發射振鈴數和滲透率還能夠被監測到。

3 討論

受載煤體在破壞過程中，不同的測試手段反映的研究對象也不盡相同。力學變形反映了煤體在受載過程中整體變形的情況。聲發射測試技術則反映煤體內部裂隙壓縮、萌生、擴展、集結、貫通等情況，在裂紋發展的各個階段，伴隨著不同的聲發射現象。而滲透率測試手段反映煤體裂隙演化過程對滲透率的影響。三者具有一定密切的內在關聯，也有較大的差異，不可等同。

3.1 應力應變全過程裂隙演化與聲發射特征

研究表明，無論是單軸壓縮試驗還是三軸壓縮試驗[16-17]，與應力應變全過程曲線6階段相對應，聲發射事件頻次也有相應的規律性變化。

圖2顯示本次試驗煤樣應力應變試驗全過程中，裂隙演化聲發射特征分析如下。

1) 加載初期壓密階段(OA段)。本次試驗的4個煤樣在加載初期，聲發射事件相對量比較大，并隨著應力升高逐步降低，表明煤樣在初始壓密階段，初始裂隙被壓縮，并有損壞。與致密孔隙的頁巖相比，煤體不僅有致密的基質孔隙，還有大量的寬度較大的裂縫。

2) 準彈性階段(AB段)。4個煤樣在準彈性階段由于試樣內部某些閉合的裂紋之間同樣會發生滑移，也會有產生能量較低的聲發射事件，聲發射活動較少，表現為柱狀圖比較稀疏，是聲發射活動相對平靜的時期。這個階段與聲發射事件中間量較為稀疏的穩定階段相對應。

3) 進入屈服階段(BC段)。應力-應變曲線偏離應力軸，應力速率逐漸降低，表現出煤樣的初步損傷發展過程，煤樣內部微裂紋開始形成并出現擴容現象，聲發射事件逐漸趨于活躍，計數和能量大幅度增大，標志煤樣破壞前兆。本階段與聲發射急劇上升階段的前期具有一定的對應關系。

4) 破壞階段(CD段)。煤樣內部微裂紋發生聚合、貫通，從而導致了宏觀破裂面的形成，裂紋之間相互作用開始加劇，聲發射事件異常活躍，聲發射計數和能量迅速提高，煤樣破壞瞬時聲發射計數和能量均達到最大值。本階段與聲發射急劇上升的后期具有一定的對應關系。

5) 峰后貫通裂隙持續發展階段(DE段)：而后煤樣沿某破裂面產生宏觀滑移，軸向應力迅速跌落，煤樣整體失去承載能力，聲發射事件又迅速減少，聲發射計數和能量也隨即降低。與峰后的聲發射事件較為稀疏相對應。

6) 殘余強度階段(EF段)：裂隙停止發育，聲發射停止活動。

3.2 裂隙演化對滲透率變化控制分析

關于峰值前巖石滲透率變化的特征，特別是彈性階段滲透率的變化特征，國內外學者已經進行詳盡的研究，并提出了一系列經驗和理論公式[18-19]。但對峰值后滲透性能的變化特征研究的不是十分充分。通過大量的殷莊砂巖應力應變-滲透率全過程試驗，得到了巖石的滲透率-應變關系方程，砂巖的滲透率-應變關系劃分成三種類型[20]：圖3(a)所示為滲透率經歷一個減小階段后，開始不斷上升，最大值在流動端末尾，變化趨勢為“√”型；圖3(b)所示為滲透率最大值在軟化階段，之后滲透率不斷減小；圖3(c)所示為滲透率最大值和峰值強度點重合，比初始滲透率有所增加。

圖3 砂巖的滲透率-應變關系曲線的三種類型Fig.3 Three types of permeability-strain relationship curves for sandstone(資料來源：文獻[17])

本文試驗的4個煤樣滲透率對比分析：兩個無煙煤滲透率變化曲線符合圖3(a)類型，滲透率最大值在曲線的末端；兩個煙煤滲透率變化曲線符合圖3(c)，滲透率最大值與強度值點重合，比初始滲透率有所增加。

結合聲發射測試結果分析：對于兩個無煙煤煤樣，在加載初期，隨應力水平升高，原始裂隙和孔隙被壓縮，滲透率表現為下降趨勢，并在體積最小時，降到最低值；隨后雖然應力水平仍在不斷增加，但由于煤體內部出現新裂隙，并不斷發育、擴展和貫通，煤體體積開始增加，滲透率也出現上升趨勢，在煤體破壞前，主裂隙貫通，滲透率急劇上升，加載破壞后各碎塊間間接搭接形成連通性良好的孔隙通道，應力水平大幅度下降，孔隙寬度緩慢增加擴展，滲透率持續增高；對于兩個煙煤煤樣，應力強度峰值前階段與無煙煤分析相似，但在峰值后，有著較大差異，主要是因為裂隙和微裂隙在達到峰值后還處于較高的應力水平，破壞的小塊間隙逐漸降低，滲透率慢慢變小，但在殘余階段，由于應力水平大幅度下降，部分裂隙寬度增大，滲透率又有輕微上升現象。對于力學性質為中硬以上儲層，滲透最佳的時機為主裂隙貫通時，隨著硬度的增加，儲層有著更好的滲透效果。