溫度作用煤巖力學滲流特性演化規律試驗研究

潘玉婷，趙耀江，郭勝亮，趙 亮，王 浩

(太原理工大學安全與應急管理學院，山西 太原 030024)

隨著我國煤炭資源的逐年消耗，煤礦開采深度不斷增加，地溫也隨之升高。不同地點地溫梯度值不同，通常為1～3 ℃/100 m。多位學者研究表明，溫度對煤層力學特性、瓦斯吸附及解吸、瓦斯滲流特性均有顯著影響，而我國煤層大多屬于低滲透性，井下煤層開采時煤與瓦斯突出事故的發生危險性大，并且影響煤層氣的有效開采。因此研究煤巖體力學及滲透特性隨溫度變化的規律具有重要意義。

關于溫度對煤體的作用，部分學者已經進行了一些研究。在溫度對煤巖力學特性影響方面，尹光志等[1]以晉城無煙煤制成的型煤為研究對象，認為在恒定瓦斯壓力與圍壓的條件下，溫度升高，煤樣三軸抗壓強度降低，煤樣彈性模量變大。在溫度對含瓦斯煤滲流影響方面，梁冰等[2]、劉均榮等[3]在做溫度對煤樣滲透率影響試驗時，將試件預熱至預定值后冷卻至室溫下進行試驗，均發現隨著溫度升高，滲透率隨之增加，但這兩個試驗不足之處是無法測定實時在線加熱溫度對煤樣的影響，故試驗數據不足以證明溫度對滲透率的影響。于永江等[4]以吉林華興礦煤制成的成型煤樣為研究對象，在三軸滲透儀上對型煤進行了不同圍壓、軸壓、溫度下滲透率試驗，認為成型煤樣隨著溫度升高，滲透率呈降低趨勢。但試驗為型煤，與實際工程應用的煤會有差異性。與前者相同，魏建平等[5]以型煤為研究對象，認為溫度變化對滲透率的影響與煤巖破壞變形階段有關。滲透率在壓密階段、彈性階段、破壞階段隨著溫度的升高分別增加、減小、增加。但試驗溫度只有40 ℃。孫光中等[6]認為在溫度21～80 ℃范圍內,溫度變化對構造煤樣的滲透率變化影響不顯著。李志強等[7]以型煤為研究對象，得出在高有效應力下滲透率隨溫度的升高而減小，低有效應力下滲透率隨溫度的升高而升高的結論。張丹丹等[8]分析比較原煤和型煤兩種煤樣對溫度的敏感性，發現原煤的滲透性敏感于型煤。李波波等[9]利用自主研究裝置開展不同溫度孔隙壓力下煤巖滲透特性的試驗研究,發現在考慮溫度作用和不考慮溫度作用對煤巖滲透率變化量的影響時，其考慮溫度作用下煤巖吸附膨脹模型更合理。

上述試驗中多數試驗煤樣是型煤，或者溫度不是在線加熱所進行的試驗。對于實時在線溫度下原煤煤樣全破壞過程偏應力對煤巖力學及滲流特性研究較少。而且不同學者關于溫度對煤巖滲透率影響的結論還未達成一致。因此，本文通過自主研制力熱固耦合三軸滲流試驗裝置針對原煤煤樣在實時較高溫度下進行全破壞過程的力學及滲流特性試驗研究。分析破壞過程中溫度作用下應力-應變和滲透率的變化規律，以期更好地認識高溫度煤層在煤巖開采時對煤巖瓦斯滲透特性的影響，為瓦斯防治工作及有效開采煤層氣提供更多理論依據。

1 實驗方法

1.1 煤樣制備

煤樣選自山西馬蘭煤礦，為焦煤。采集的尺寸至少為350 mm×350 mm×350 mm的大塊無明顯裂隙的煤樣。利用DL5640數控砂線切割機床將原始大煤塊切割成規格為直徑×高=50 mm×100 mm的標準煤樣，加工精度滿足規程[10]所要求的，不端面利用砂紙打磨且不平行度小于0.05 mm。每個試驗煤樣無肉眼可見的裂隙，連續性較好，盡量消除煤樣的離散性。

1.2 試驗裝置

試驗設備為自主研制的WYS-800微機控制電液伺服三軸試驗裝置，其中最大軸向壓力為800 kN,最大圍壓為15 MPa，最大氣體壓力為15 MPa，最高油域溫度為100 ℃。本試驗區別于其他試驗，不是水域加熱[11]，采用油域加熱。加熱油域箱(圖1)主要由箱體、儲氣罐、電磁閥、電加熱器、溫度傳感器、循環泵等組成,實現溫度實時在線加熱。

圖1 加熱油域箱

1.3 試驗方案與步驟

本試驗主要是不同溫度下進行含瓦斯煤三軸壓縮試驗，因此制定了如下方案：①滲流氣體采用純甲烷氣體，固定瓦斯壓力為0.5 MPa；②試驗圍壓固定為2 MPa；③油域溫度分別控制為20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃；④控制方式為力控制，軸向加載速率為0.05 kNs，直至煤樣破裂。

為了保證試驗的基礎條件相同及在不同溫度下的試驗數據分析對比可靠，該試驗是在5種不同溫度下分別進行三個煤樣的試驗，取得三個煤樣平均值之后得到不同溫度下試驗結果。 且每組試驗中固定瓦斯壓力、圍壓值及相同加載條件。 步驟如下所述。

1) 煤樣的安裝。將煤樣上下端面用砂紙打磨平整，確保與三軸室的上下壓頭緊密貼合。在放入三軸室之前用704硅橡膠將煤樣周圍涂抹均勻，確保套入熱縮管后與其緊密貼合。

2) 抽真空。將套上熱縮管的煤樣放入三軸室，并上下緊好喉箍，安裝環向引伸計及溫度傳感器。用螺絲固定好三軸室，打開出氣閥，關閉進氣閥，進行真空抽氣。

3) 調節試驗條件。將三軸室下降到恒溫油域中，圍壓、軸壓加載到預定值，通入瓦斯進行吸附平衡，測量氣體流量，直至煤樣破碎。

4) 每個溫度下進行三個試驗后，再調節溫度進行后續試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 實時溫度作用下含瓦斯原煤變形特性分析

圖2為實時溫度條件下對含瓦斯原煤進行三軸壓縮試驗的全程偏應力-應變曲線。由圖2(a)可知，該曲線大致分為壓密階段、彈性階段、屈服階段、破壞峰后階段、殘余變形階段5個階段，與文獻[5]研究結果一致。

1) 軸向應變：如圖2(a)所示，在溫度20 ℃時，煤樣的屈服階段不明顯，隨著溫度的升高，煤樣軸向應變曲線的屈服階段逐漸明顯，并且較早達到屈服點；在實時溫度作用下，煤樣在20～40 ℃時抗壓強度值大小變化不明顯，分析認為可能是較低溫度時熱力固耦合作用的結果。但在50 ℃、60 ℃溫度作用下三軸抗壓強度比20～40 ℃下降明顯，特別是溫度為60 ℃時，煤樣抗壓強度減少3.27 MPa，下降幅度為23.3%；由圖3可知，煤樣的抗壓強度隨著溫度的升高而呈現下降趨勢，而峰值軸向應變隨溫度升高呈增大趨勢(圖2(a))。因此溫度越高，軸向變形越明顯。

2) 徑向、體積應變：如圖2(b)和圖2(c)所示，兩者曲線變化趨勢基本一致，壓密階段不明顯，在彈性階段，偏應力-應變曲線大致呈線性關系，且隨著溫度的升高，線性增加趨勢越緩慢，徑向、體積應變增加越大。溫度越高，抗壓強度達到峰值時的徑向、體積應變絕對值呈現增大趨勢。表明煤樣的抵抗變形能力隨著溫度的升高而變弱。

綜上，煤樣的抗壓強度隨著溫度升高而呈現下降趨勢。一方面是因為煤的吸附能力隨著溫度的升高而下降，故溫度高的煤樣中游離的瓦斯含量增加，削弱了圍壓的作用，而軸壓不斷加載時，使得孔裂隙增加并不斷的發展、衍生，使得煤樣的抵抗變形能力減小。另一方面是因為溫度的升高使煤樣內部產生熱應力，改變了煤樣內部基質，煤樣內部顆粒受熱體積膨脹而相互擠壓，煤體結構遭到破壞，也使得煤樣抵抗變形能力減小。

圖2 含瓦斯原煤偏應力-應變曲線

圖3 原煤抗壓強度隨溫度變化曲線

如圖3所示，數值擬合數學表達式為：y=-6.852 59×10-4exp(x/6.815 03)+15.299 69，由數學表達式可知煤樣抗壓強度與溫度呈指數關系，擬合度為0.923 46。

2.2 含瓦斯煤滲透率隨偏應力演化規律分析

由試驗結果繪制出實時溫度為20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃時，煤樣偏應力-應變-滲透率關系曲線，如圖4所示。

圖4 實時溫度下原煤偏應力-應變-滲透率曲線

從圖4中可以看出，20～60 ℃溫度下偏應力、滲透率隨應變變化曲線規律大致相同。煤樣在壓密階段，滲透率隨著偏應力增大而減小，這是由于施加的偏應力使得原煤煤樣原有的孔裂隙擠壓閉合，使得瓦斯的通道變窄而形成一道阻礙瓦斯流動的障礙區，所以工作面開采時煤巖處于壓密階段，不利于煤層瓦斯的抽采；當采動偏應力處于彈性階段時，滲透率也隨著偏應力增大而減小，但下降速率比壓密階段較緩慢，這是由于原有孔裂隙被進一步壓實，但是施加的力不足以使煤產生新的破壞，故原有瓦斯通道變窄幅度較壓密階段減小，故滲透率下降緩慢，此時同樣不利于瓦斯抽采；當快要到屈服階段，隨著偏應力的增大，滲透率出現繼續下降、與彈性階段持平、較小增幅等現象。此階段煤樣只是產生微裂隙，孔隙度較小，瓦斯的流通通道并沒有打開，瓦斯抽采時需要注意此階段的變化；當煤樣偏應力達到峰值時，即煤巖體失穩破壞階段，滲透率突然增大。此階段煤樣的孔裂隙變化較大，原始裂隙擴展貫通和新生裂隙的發展，甚至出現宏觀破裂都為瓦斯滲透形成了良好的通道。 峰值后應力驟然下降，滲透率猛增，煤樣承載并沒有完全消失，還有一定的殘余應力。

綜上，在受偏應力影響下，軸向應變增加，滲透率呈“V”字演化即先減小到最低點后迅速增大。偏應力-應變曲線呈倒“V”形式變化，兩者曲線相反。因此當井下工作面采動時，會打破原本平衡的應力分布狀態，出現應力集中現象。要注意應力處于不同階段，進行合理的瓦斯抽采工作。對于高瓦斯、低透氣的煤層開采，要注意開采速度的控制，做好支護和瓦斯抽采及檢測工作，確保煤層開采工作安全科學有效。

2.3 含瓦斯煤滲透率隨溫度演化規律分析

由圖4可知，滲透率與溫度的關系和煤巖所受應力-應變階段相關。在壓密階段，滲透率隨著溫度的升高而降低，彈性階段較壓密階段降低幅度減小。在屈服階段整體也呈下降趨勢，但60 ℃煤樣滲透率變化明顯比其他溫度快，這是由于高溫度使得煤巖抗壓強度變低，60 ℃煤樣較早進入屈服階段且停留時間較短，孔裂隙迅速擴大和發展，滲透率增高。直到在滲透率轉折點之前(即偏應力到峰值左右時)，不同溫度下在相同軸向應變時，都隨著溫度升高，滲透率呈下降趨勢。綜合分析其原因：①溫度升高，煤顆粒受熱發生膨脹，在偏應力未達到峰值前，導致煤體受熱膨脹熱應力小于偏應力，使得煤基質向內膨脹，煤體顆粒及孔裂隙結構骨架相互擠壓，瓦斯通道減少，使得滲透率降低；②結合文獻[4]和文獻[5]，當瓦斯壓力固定時，溫度升高，瓦斯氣體密度降低，質量不變下體積膨脹，氣體分子的活性和內能增大，由于氣體分子在煤樣中是流動的，進而將內能轉化為動能，即溫度升高，瓦斯氣體分子動能增加，動力黏滯系數增加進而煤的透氣系數降低,不利于煤內瓦斯氣體流動，滲透率降低；且從壓密階段到屈服階段，溫度越高，滲透率下降速度越緩慢，滲透率變化曲線越平緩。由于溫度越高，煤樣的塑性越強，引起煤樣孔裂隙張開及顆粒、骨架膨脹，在同一軸向應變下，當熱應力小于偏應力時，高溫煤樣內部可壓縮空間較小，孔裂隙閉合速度較快。所以滲透率下降緩慢。但失穩破壞階段，滲透率迅速升高，60 ℃依舊比其他溫度下的滲透率升的快，由于溫度升高內部孔裂隙迅速產生新的裂隙，瓦斯通道打開，滲透率增加。因此當采煤工作面進行到屈服失穩破壞階段，高溫煤層瓦斯迅速涌出，煤與瓦斯突出事故危險性增加。 要注意合理抽采瓦斯及工作面的采掘速度。

圖5 含瓦斯煤滲透值隨溫度變化曲線

圖5為含瓦斯煤初始滲透率與最小滲透率隨溫度變化曲線，大致呈線性反相關關系，表明隨著溫度的升高，煤樣初始滲透率與最小滲透率呈下降趨勢。溫度越高，同溫度下的初始滲透率與最小滲透率之間差值越小；這也表明溫度越高，溫度對煤樣的滲透率影響程度越低。

由于煤炭資源是不可再生能源，隨著能源需求不斷增加，煤礦開采深度逐漸增大，地溫也隨之上升，瓦斯壓力也在不斷增加，由試驗結果可知，溫度越高，煤層滲透率越低。因此，瓦斯透氣性差，導致瓦斯積聚，容易造成煤與瓦斯突出事故。由圖4可知，當采動工作面進入屈服階段，瓦斯滲透率增加，溫度越高，煤的抗壓強度越低，越早進入屈服階段，大量瓦斯涌出，很容易造成煤與瓦斯突出事故。在采煤工作面工作時，需要注意煤層溫度及采煤應力的發展階段，合理抽采瓦斯量及瓦斯監測工作。

3 結 論

1) 含瓦斯煤三軸壓縮條件下，溫度越高其三軸抗壓強度越低，兩者呈反相關關系，峰值時軸向應變和徑向、體積應變絕對值增大。表明隨著溫度升高，原煤的抵抗變形能力越小。

2) 煤樣在受偏應力影響下，隨著軸向應變的增加，滲透率先減小后增加呈現“V”字型演化，當發生相同軸向應變時，溫度越高，滲透率越低。

3) 隨著溫度的升高，煤樣初始滲透率與最小滲透率呈下降趨勢。同一溫度下的初始滲透率與最小滲透率之間差值越小。表明溫度越高，溫度對煤樣的滲透率影響程度越低。