改善松軟煤層抽采孔砂巖孔壁力學行為研究

程士宜，李文超

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

目前，我國煤炭生產90%以上為井下開采，受“三高”影響，煤礦生產常伴隨著重大災害事故發生，尤其到深部開采，“三高”影響導致的災害發生率逐年增高，其中煤與瓦斯突出危險性災害嚴重威脅了礦山財產和工人安全[1-7]。當前，高瓦斯煤礦主要采用精準瓦斯抽采的瓦斯治理方法[8-10]。據統計，我國煤礦瓦斯抽采利用率不到60%，超過1/2 的煤礦抽采孔密封性較差，1/2 以上的瓦斯抽采體積分數低于30%[11-14]，尤其深部高瓦斯煤礦瓦斯鉆孔的利用率更低。為此，以恒大煤礦具有“三高”條件的1366 掘進工作面瓦斯抽采鉆孔孔壁砂巖為研究對象，研究高溫影響砂巖強度變化規律和流變滲透規律，以及應用膨脹水泥漿技術改善深部“三高”條件下瓦斯抽采體積分數。

1 不同溫度砂巖的強度規律

1.1 巖樣及試驗設備

選取恒大煤礦1366 掘進工作面瓦斯抽采鉆孔孔壁砂巖，試驗巖樣均取自同一砂巖，加工成?5 cm×10 cm 標準試樣16 個，分成4 組，每組4 個試樣并進行編號。

通過室內熱處理，熱處理裝備選取MXQ 系列高溫爐，為保證均勻加溫，加溫速率設為5 ℃/min；試驗引用法國生產的多功能巖石三軸蠕變試驗系統，該系統應用于單軸壓縮、常規三軸壓縮試驗以及后續的三軸壓縮蠕變試驗。

1.2 試驗方案及步驟

將4 組試樣分別加熱到25、200、500、800 ℃，保持設計溫度2 h，再進行自然冷卻到室溫。定義σ1為最大主應力（軸壓）；σ3為最小主應力（圍壓）；σ1-σ3為偏應力；ε1為軸向應變；ε3為側向應變。取4 組試樣各1 個，用膠套密封，裝入三軸試驗系統中。試驗中，最大主應力為恒定值，最小主應力分別取0、15、30 MPa，進行不同偏應力下強度試驗，設置0.02 mm/min 的位移加載速度至試樣破壞，圍壓加載速率為5 MPa/min。不同溫度砂巖在不同圍壓下偏應力-軸向應變曲線如圖1，不同溫度砂巖在不同圍壓下偏應力-側向應變曲線如圖2。

圖2 不同溫度砂巖在不同圍壓下偏應力-側向應變曲線Fig.2 Deviatoric stress-lateral strain curves of sandstone with different temperatures under different confining pressures

由圖1 可知，隨溫度升高，曲線逐漸向應變軸方向偏移，說明對應的極限變形也逐漸增大。隨著載荷的不斷增大，試樣均經過初始微裂紋壓密階段、線彈性變形階段、屈服硬化階段和峰后軟化階段以及在高圍壓下的峰后殘余變形階段。其中，單軸壓縮下，試樣在25、200 ℃下，應力-應變曲線變化不大；溫度升高至500 ℃后，試樣極限強度降低近1/2；800 ℃時，極限強度降低近3/4；隨著圍壓增大，試樣應力-應變曲線峰值有所升高，但是，每種溫度試樣強度變化規律不變。

由圖2 可知，隨著圍壓增大，試樣側向應變逐漸增大。在單軸壓縮下，25 ℃和200 ℃的試樣側向應變變化趨勢不大；當溫度達到500 ℃后，側向應變變化趨勢增大；溫度到達800 ℃，側向應變較前3 個溫度試樣側向變化最大；圍壓在15 MPa 和30 MPa時，4 種溫度試樣側向應變變化有所改善，但均出現上述變化規律。

2 不同溫度砂巖流變-滲透規律

2.1 試驗方案和步驟

試驗引用瞬態法[15-18]進行氣體滲透性測量，瞬態法測滲透原理如圖3。

圖3 瞬態法測滲透原理Fig.3 Schematic of permeability measurement

以純氮氣為氣體介質，試驗選取上述4 種溫度試樣，采用上述三軸試驗系統，保持30 MPa 圍壓，然后進行充氮氣，先讓試樣初始的上游氣壓和下游氣壓相等并保持穩定為3 MPa，待試樣氣體飽和后，以0.3 MPa 壓差降低下游氣壓，形成壓力差，此時上游氣壓因壓力高致使氣體向下游滲透，當2 段氣壓再次平衡時，即可測得這一過程的氣體滲透率，計算公式如下：

式中: pgU（t）、pgD（t）為上游、下游在t 時刻的氣壓；△p0為在t0時刻上下游形成的壓差值；△p（t）為在t 時刻上下游壓力的差值，pgU（0）、pgD（0）分別為形成壓差時刻上游和下游的壓力；αU、αD為上游和下游容器單位壓力體積；H 為試樣的高度；S 為試樣的橫截面積；μ 為動力黏滯系數；k 為滲透率。

2.2 試驗分析

不同偏應力下砂巖三軸壓縮過程中體積應變-滲透性關系曲線如圖4，圖中εV為體積應變。

圖4 不同偏應力下砂巖三軸壓縮過程中體積應變-滲透性關系曲線Fig.4 Volumetric strain-permeability curves during triaxial compression of sandstone under different deviatoric stresses

由圖4 可知，當施加的偏應力低于損傷閾值時，滲透率隨著體積壓縮而逐漸減小至最小值，當應力值大于損傷閾值后，剪切膨脹變形占主導地位，新裂隙范圍變大，試樣內部裂隙擴展顯著，致使試樣滲透通道變大，逐級疊加，導致試樣滲透率增大；對比常溫度下砂巖滲透性，高溫導致試樣礦物粒子結構膨脹，內部結合水和自由水蒸發，微裂紋范圍增大，因此，較常溫下試樣滲透率，高溫試樣滲透率明顯增大。

3 膨脹水泥漿改善瓦斯抽采現場試驗

選擇1366 工作面1 段瓦斯治理巷，巷道標高-658 m，初測溫度38 ℃，施工5 組瓦斯抽采孔，并進行編號，其中，每組選擇1 個鉆孔巖孔段引用膨脹水泥漿噴射處理，膨脹水泥處理抽采孔示意圖如圖5。

圖5 膨脹水泥處理抽采孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of expansive cement treatment of extraction hole

之后安裝抽采系統，進行膨脹水泥漿改善瓦斯抽采試驗，試驗進行30 d，每天記錄1 次，記錄每個鉆孔瓦斯抽采量變化，瓦斯抽采量統計表見表1。1366 工作面瓦斯抽采量變化曲線如圖6。

由圖6 可知，前期經過膨脹水泥漿處理的瓦斯鉆孔較普通瓦斯鉆孔的抽采體積分數高3.5%～18.07%，由瓦斯抽采總量可知，膨脹水泥漿處理的瓦斯鉆孔瓦斯抽采量較普通抽采孔瓦斯抽采量高，總瓦斯抽采量增加29%，說明膨脹水泥漿充填了瓦斯抽采孔巖孔段裂隙，減少瓦斯殘余空間，增強了巖孔段砂巖抵抗載荷能力，孔壁表面形成1 層保護層，增強了巖孔段孔壁抗塌能力，最終導致1366 工作面穿層瓦斯抽采鉆孔成孔率和提高了瓦斯抽采效率。

4 結 語

1）在不同圍壓作用下，試樣均經過初始微裂紋壓密階段、線彈性變形階段、屈服硬化階段和峰后軟化階段以及在高圍壓下的峰后殘余變形階段。高溫作用下，砂巖應變曲線逐漸向應變軸方向偏移，說明對應的極限變形也逐漸增大，因此，砂巖試樣隨著溫度升高，而極限抵抗強度降低。

2）在不同偏應力作用下，試樣體積應變經過體積壓縮和剪切膨脹2 個階段，新裂隙增多，內部裂隙擴展顯著，滲透率隨偏應力變化呈先減小后增大的規律；高溫使試樣礦物粒子結構膨脹，內部結合水和自由水蒸發，微裂紋范圍增大，因此，砂巖試樣隨著溫度升高，滲透率明顯增大。

3）膨脹水泥漿填充了瓦斯抽采孔砂巖段因高應力高溫形成的發育裂隙，阻止裂隙繼續發育，減少瓦斯殘余空間，增強了巖孔段砂巖抵抗載荷能力，并在孔壁形成1 層保護層，增強孔壁抗塌能力，最高提高瓦斯抽采體積分數18.07%，最大抽采總量提高29%，改善了1366 工作面瓦斯治理效率，為深部“三高”下松軟煤層瓦斯治理提供參考。