多級加卸載下層理裂隙煤體瓦斯滲流軸向效應及應用

岑培山，田坤云，魏二劍，劉 松，畢寸光

（1.鄭州升達經貿管理學院 鄭州市地下工程防水土木工程重點實驗室，河南 新鄭 451191；2.微生物治理瓦斯技術與裝備河南省工程實驗室，河南新鄭 451191；3.河南工程學院安全工程學院，河南新鄭 451191；4.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢 430081；5.鄭州煤電股份有限公司超化煤礦，河南新密 452385；6.安陽市主焦煤業有限責任公司，河南安陽 455145）

鉆孔瓦斯抽采仍是突出礦井瓦斯治理的最主要措施之一[1]，決定其效果的最主要指標為煤層透氣性[2]。低透煤層瓦斯抽采難度較大，卸壓瓦斯抽采技術成為必要選擇。當前卸壓瓦斯抽采最有效的方法就是開采保護層法，但對于缺少保護層開采條件的礦井，鉆孔卸壓法必不可少。眾所周知，鉆孔卸壓法成本高、難度大、效果不盡如意。因此，考慮工作面采動影響卸壓區瓦斯抽采不失為一種有效的方法。層理裂隙普遍分布于煤層之中，是影響煤體破壞與透氣性的主控因素之一[3]。受采動影響后，煤體中增加新的裂隙，原有層理裂隙也會發生擴展變形，這種層理裂隙的擴展、互通對瓦斯擴散、滲流起到極大促進作用。近年來有關層理裂隙對滲透率影響的報道很多。牛麗飛等[4]研究了原位煤在加載條件下平行層理和垂直層理方向的瓦斯滲透特性，認為煤樣在加載過程中平行層理方向的滲透率始終大于垂直層理方向；董賀等[5]通過研究鉆孔與煤層夾角關系發現，鉆孔與煤層割理交集越大，瓦斯流通通道越暢通；潘榮錕等[6]研究了同一加卸載路徑下沿層理裂隙煤體滲流規律，認為加載過程會對煤體層理裂隙造成永久性損傷，使得在卸載過程中難以恢復而造成滲透率損失；LI Huoyin[7]等就層理方向對滲透率影響展開了室內及現場試驗，結果均表明，平行層理方向的滲透率是垂直于層理方向的2.5～3 倍。以上研究結果表明煤層層理裂隙對瓦斯滲透能力具有較大影響，平行層理方向的瓦斯滲透能力強于垂直層理方向；并且研究均基于原位煤為試驗對象，此研究結論對設計預抽鉆孔有利；但對于受采動影響的工作面前方煤體層理裂隙方向的瓦斯滲透特性缺乏相關實驗研究和實踐。為此，在參考前人研究方法的基礎上，研究受采動影響下層理裂隙煤樣受多級加卸載作用下沿x 軸、y 軸向的瓦斯滲透規律，為采動工作面瓦斯治理提供參考。

1 瓦斯滲流特性實驗

為了獲取工作面采動影響下前方煤體平行及垂直層理裂隙向的瓦斯滲流規律，采集層理裂隙發育煤樣，利用加載滲透實驗系統測試煤樣軸向瓦斯滲透特征[8]。

1.1 實驗裝置

瓦斯滲透實驗系統如圖1。主要包括：三軸加載伺服控制系統、方體試塊放置腔、氣體注入系統，滲流測量系統。煤樣尺寸：200 mm×200 mm×200 mm，三軸壓力量程：0～40 MPa，控制精度±0.1 MPa。

圖1 瓦斯滲透實驗系統Fig.1 System diagram of gas permeability experiment

1.2 煤樣制作

在實驗礦井采煤工作面采集各向尺寸不低于250 mm 的原始煤樣樣品，包封后運至實驗室，按照平行（垂直）層理方向切割，打磨成200 mm×200 mm×200 mm 立方體試塊。

試件密封主要是對煤樣邊角棱與加載腔體之間的封閉處理，防止滲流過程氣體沿著棱角處滲漏。實驗試樣采用角銅條固邊玻璃膠密封，密封效果好，又具有一定的彈性。

1.3 實驗方案

1）滲流測試原理。瓦斯滲流測定基于達西定律的穩態方法。試樣兩側一定壓差條件下，瓦斯滲透率與黏性系數、流經距離、流量等因素有關[9]。實驗通過對壓力、流量傳感器的數據采集，經程序自動計算滲透率值。

式中：K 為滲透率，10-15m2；Q0為流經試件瓦斯流量，cm3/s；p0為實驗條件下大氣壓，MPa；μ 為瓦斯動力黏性系數，Pa·s；p1為進氣口瓦斯壓力，MPa；p2為出氣口瓦斯壓力，MPa；A 為方體煤（巖）樣截面積，cm3；L 為試件長度，cm。

2）實驗方案。①安裝試件：將煤樣層理裂隙平行于x 軸垂直于y 軸；②煤樣吸附：關閉x 軸、y 軸滲流出口，打開滲流入口，使煤樣吸附瓦斯12 h，吸附瓦斯壓力0.65 MPa（取樣處實測數值）；③加載：調整x、y 軸滲流出、入口瓦斯壓力，圍壓及軸壓加載速率0.2 MPa/step；④保持軸壓不變，同樣以0.2 MPa/step 的速度卸載圍壓。加卸載過程中采集試件滲透率，設置采集頻率為5 s。有效應力計算如下[10]：

式中：σe為有效應力，MPa；σ1、σ3分別為軸壓及圍壓，MPa。

煤樣多級加卸載方案見表1。

表1 煤樣多級加卸載方案Table 1 Stress loading and unloading schemes

2 煤樣滲透特征

同一加卸載路徑下，通過對不同滲流方向控制（平行、垂直于層理裂隙），得到的煤樣加卸載過程滲透率測試結果見表2。煤樣試件滲透率-有效應力演化特征如圖2。

表2 煤樣加卸載過程滲透率測試結果Table 2 Permeability of coal samples during stress loading and unloading

圖2 煤樣試件滲透率-有效應力演化特征Fig.2 Permeability-effective stress evolution characteristics of coal samples

加載中，x、y 2 個方向煤樣瓦斯滲透率均隨有效應力的增大而減小。加載前、后期，2 個方向的有效應力-滲透率關系曲線斜率均較小，滲透率值降幅均較小，有效應力在3.75～9.75 MPa 之間，滲透率值下降幅度較大。加載前期應力相對較低，試件逐漸被壓實，裂隙響應剛剛開始，此時裂隙閉合速率較低，瓦斯滲透率降幅較低；隨著應力的增加，試件發生彈性形變，裂隙響應明顯，裂隙閉合速率增大，瓦斯滲透率降幅隨之增大；隨著試件有效應力進一步增加，最終試件發生塑性變形裂隙被壓實，滲透率趨于穩定數值。加載過程中煤樣試件經歷壓實、彈性變形及塑性變形3 個階段。

加載過程，x 軸向瓦斯滲透率總是大于y 軸向。當應力無限增加時，2 個方向的瓦斯滲透率均趨于0。經計算，加載前期x 軸向瓦斯滲透率是y 軸向的3.96 倍。加載后期（最大有效應力時）前者是后者的1.37 倍，x 軸向和y 軸向瓦斯滲透率分別下降了92.8%和79.3%。應力加載到最大值時，y 軸向幾乎失去滲透能力。實驗表明，沿層理裂隙方向瓦斯滲透率大于垂直層理方向。

z 軸方向壓力恒定，x、y 軸方向圍壓卸載過程中，2 個方向的瓦斯滲透率均隨著有效應力的減小而增大。卸壓時，有效應力到5.08 MPa 時，試樣x、y軸向滲透率分別是初始值（應力1.75 MPa）的33%和21%。說明煤樣x、y 軸向裂隙均未完全恢復。

試樣的卸載并非是加載的逆過程。加卸載過程中煤樣試件的應力應變如圖3。加載前期煤樣處于彈性工作階段，當荷載大于彈性極限（A 點）時，試樣進入塑性工作階段，此時試樣結構發生損傷，卸載時試樣的變形不會恢復到原來狀態，有變形損失，相對應地滲透率無法恢復到加載狀態[11]。

圖3 加卸載過程中煤樣試件的應力應變Fig.3 Deformation loss figure of coal sample during stress loading and unloading

經計算有效應力從11.75 MPa 降低到5.08 MPa時，x、y 軸向的瓦斯滲透率分別恢復到滲透率最小值的361%和147%，這說明，沿層理方向裂隙恢復程度高于垂直層理方向。

按照煤樣有效應力σe-滲透率K 關系曲線按指數擬合，得到：

按式（3）、式（4）計算，同一有效應力條件下滲透率實際值、計算值及損失率見表3。

表3 同一有效應力條件下滲透率實際值、計算值及損失率Table 3 Calculated permeability, actual permeability value and loss damage rate under the same effective stress

滲透率損失大小能反映煤樣內部裂隙損傷程度，可作為評價煤樣裂隙損傷的指標[12]，煤樣滲透率損失率LP計算如下[13]：

式中：LP為滲透率損失率；kL為加載過程中通過相應擬合公式計算的滲透率，10-15m2；kU為卸載過程滲透率實測值，10-15m2。

煤樣滲透率損失率隨有效應力變化曲線如圖4。煤樣滲透率損失率隨有效應力減小而增加。當煤樣的有效應力卸載至5.08 MPa 時，x 軸向的滲透率損失率為32.3%，而y 軸向的滲透率損失率高達65.9%。這說明煤樣加載后內部裂隙恢復程度沿層理方向遠高于垂直層理方向。由于加卸載過程中，試樣x 軸向瓦斯滲透率均高于y 軸向，因此，瓦斯沿層理裂隙方向的滲透效果好于垂直層理方向。

圖4 煤樣滲透率損失率隨有效應力變化曲線Fig.4 Curves of permeability loss rate with effective stress of coal samples

由于煤層中平行層理方向的鉆孔瓦斯流動方向垂直于層理方向，垂直于層理方向的鉆孔瓦斯流動方向平行于層理方向，所以，布置垂直于煤層層理裂隙方向的鉆孔瓦斯抽采效果更好。

3 實踐應用

試驗礦井為煤與瓦斯突出礦井。主采二1 煤層平均厚度6.0 m，受滑動構造影響沿層方向層理裂隙發育，煤層原始瓦斯含量高、透氣性差，瓦斯抽采效果不佳。

22031 回采工作煤層厚度大于6 m，回采期間瓦斯涌出量大，為了治理工作面瓦斯，試驗了工作面順層鉆孔和穿層鉆孔2 種抽放措施。22031 回采工作面順層及穿層鉆孔布置圖如圖5。

圖5 22031 回采工作面順層及穿層鉆孔布置圖Fig.5 Gas drainage drilling boreholes layout along and through layer of 22031 working face

順層鉆孔在工作面上下付巷沿煤層布置，平行于層理裂隙。穿層鉆孔在工作面底板巷內垂直于煤層布置，鉆孔方向垂直于煤層層理。隨著工作面的推進，鉆孔周圍煤體分別受到應力“三區”的影響，即原巖應力區、集中應力區和卸壓區，如同對煤體進行一次加載和卸載的過程。回采工作面煤體應力模型如圖6。

圖6 回采工作面煤體應力模型Fig.6 Stress model diagram of coal body in working face

鉆孔瓦斯抽采量隨抽采時間變化曲線如圖7。由圖7 可知，成孔初期（A 段）順層鉆孔瓦斯抽采量大于穿層鉆孔，這是由于順層鉆孔煤孔段長度較大，穿層鉆孔煤孔段長度較小的緣故；隨著抽采時間的延長和工作面應力集中區向前推移（距離鉆孔越來越近），2 種鉆孔的瓦斯抽采量均呈下降趨勢，但順層鉆孔下降更明顯（B 段）。分析原因主要是工作面受采動應力影響，此區域煤體應力集中，層理裂隙閉合速率增加，且垂直層理方向的瓦斯滲透率下降率高于平行層理方向。因此，順層鉆孔瓦斯抽采量低于穿層鉆孔。過程同于試驗中對煤樣的加載過程。

圖7 鉆孔瓦斯抽采量隨抽采時間變化曲線Fig.7 Curves of pure gas drainage flow with time

隨著工作面應力集中區繼續遷移，試驗區鉆孔位于工作面卸壓區范圍內，2 種鉆孔的瓦斯抽采量均呈增加趨勢（C 段），此過程同于試驗中對煤樣的卸載過程，煤層層理裂隙不同程度的恢復，滲透率增加，垂直層理方向的滲透率仍然低于平行層理方向。此時，穿層鉆孔瓦斯抽采量仍然高于順層鉆孔。

煤樣加卸載試驗不完全等同于工作面煤層應力“三區”的變化過程。在回采工作面的卸壓區內煤體受應力集中后結構遭到破壞，越靠近工作面的煤體結構破壞越嚴重，煤體得到充分卸壓后其內部各向滲透率均大大提高。2 種鉆孔的瓦斯抽采量均高于鉆孔抽采初期。由于順層鉆孔控制煤孔段長度大于穿層鉆孔，致使此段的瓦斯抽采量大于穿層鉆孔（D段）。但從鉆孔瓦斯抽采周期計算，穿層鉆孔瓦斯抽采量大于順層鉆孔。

4 結 論

1）加載過程，煤樣經歷壓實、彈性變形和塑性變形3 個階段。煤樣瓦斯滲透率均呈遞減趨勢，y 軸向的滲透率低于x 軸向；卸載過程，煤層瓦斯滲透率均有所恢復，y 軸向的滲透率仍低于x 軸向。

2）加卸載過程煤樣層理軸向瓦斯滲透率變化特征能夠真實反映工作面煤體應力集中后的瓦斯滲透特性；但回采工作面煤層應力“三區”變化過程不完全等同于煤樣的加卸載過程。平行層理方向的順層鉆孔由于控制煤孔段長度大，抽采前、后期的瓦斯流量均大于穿層鉆孔；但在抽采周期內抽采瓦斯總量仍低于垂直層理的穿層鉆孔，布置垂直層理裂隙的鉆孔有利于瓦斯抽采。礦井可以根據瓦斯抽采周期、鉆孔施工條件、經濟成本等綜合因素考慮鉆孔布置方式。