不同溫度-圍壓-氣體壓力下煤體蠕變-滲流演化規律

張磊麗 ，蔡婷婷 ，石 磊 ，姜玉龍 ，夏 瑾

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

礦產資源的開采至今已有近百年的歷史，淺部礦產資源已逐漸趨于枯竭，煤炭等資源開采深度不斷創紀錄，礦產資源深部開采已成為常態[1]。煤層氣作為煤炭的伴生資源，是一種清潔、高效、儲量巨大和開發前景廣闊的非常規天然氣，我國深 埋2 000 m 以 淺 的 煤 層 氣 地 質 資 源 量 約為30.05×1012m3，煤層氣可采資源量為12.50×1012m3；埋 深 大 于2 000 m 的 煤 層 氣 地 質 資 源 量 約為40.71×1012m3，可采資源量10.01×1012m3[2-3]。深部煤層氣儲量巨大，有著廣闊的開發前景，對于解決我國能源問題和實現碳中和目標具有很大意義。與淺部開采不同，深部煤層具有高瓦斯壓力、高地應力、高煤層溫度以及強烈開采擾動特性，具體表現為大變形、大地壓、難支護的特點，從而導致深部煤體出現裂隙，破裂，孔隙率改變。同時，深部煤體的非線性行為更加凸顯，煤體變形由脆性向延性轉變，具有強時間效應，更容易發生明顯的蠕變變形，嚴重制約深部煤層氣抽采效率[4-6]。因此針對不同溫度、圍壓和瓦斯壓力下煤體的蠕變特性且其對滲透性能影響的研究十分有必要。

李祥春等[7]進行了不同瓦斯壓力下分級加載軸壓時煤體常規三軸蠕變–滲流試驗，發現在軸向應變呈梯度增大直至煤樣破壞的過程中，煤體內部瓦斯滲透率呈先減小后增大的趨勢；XU等[8]開展了壩基硬巖的常規三軸流變試驗，分析了蠕變變形與滲透率之間的關系，認為滲透率與蠕變變形、損傷變量、水壓等因素有關；何峰等[9]研究了不同圍壓、孔隙壓條件下煤體蠕變-滲流耦合規律，采用對關鍵點和試驗點進行插值的方法得到了煤體滲透率-應變的多項擬合公式；蔡婷婷等[10]研究了不同溫度和應力下煤體蠕變中的滲流規律，得出不同溫度下貧煤煤體在分級蠕變過程中體積變形基本經歷壓密硬化、體積壓縮的蠕變變形和體積膨脹的蠕變變形3 個階段，其煤樣滲透率呈現先下降后增加的趨勢；曹亞軍等[11]采用分級加載開展不同圍壓和滲壓作用下滲透-應力耦合三軸流變試驗中發現，巖石在低應力水平和流變破壞應力水平下滲透率變化基本保持穩定趨勢，而破壞應力蠕變加速階段，滲透率會發生明顯的加速增長現象；江宗斌等[12]對石英巖進行循環加載條件下巖石蠕變-滲流耦合試驗，分析了巖石加卸載過程中的蠕變、滲透性變化規律和滲流-蠕變耦合機理；ZHOU 等[13]基于煤層深處的地應力狀態，進行了卸載徑向應力（URS）下的煤體蠕變試驗，分析了煤樣滲透率隨時間和蠕變變形的變化規律；張雷等[14]基于深部煤體非線性蠕變三維本構方程、Kozeny-Carman 方程、含裂隙煤體滲透率計算方程建立了基于蠕變影響的深部煤體分數階滲透率模型；ZHOU 等[15]建立了三軸應力考慮基質-裂縫相互作用和蠕變變形對深層煤滲透率影響的模型，并討論了蠕變變形和內膨脹系數對滲透率模型的影響；趙建會等[16]改進西原模型，探究了含水狀態下含孔煤巖體蠕變損傷演化規律，發現同一加載應力水平下，干燥煤樣到達加速蠕變階段的時間高于含水煤樣，即水對煤巖體具有物理侵蝕和軟化作用；郭澤雄等[17]進行了不同分級加載速率下無煙煤三軸蠕變試驗，發現隨著應力水平的提高，煤樣蠕變應變表現為基本不變-緩慢增加-快速增加的整體增大趨勢，而蠕變速率的變化過程可分為急速衰減、緩慢衰減和穩定3 個階段；楊玉良等[18]發現溫度升高會增加無煙煤減速蠕變和穩態蠕變過程中的損傷。

雖然以上研究均涉及煤體的蠕變-滲流特性，但涉及的條件場域均較為單一，對多個變量下煤體蠕變過程中的滲透率演化規律研究甚少。為此，對于不同溫度、圍壓和瓦斯壓力下焦煤蠕變過程中的滲流規律展開研究；以期對深部煤層氣儲層改造、促進煤層氣資源高效開發和低深部煤層氣開采工程提供理論依據和技術支持。

1 試驗介紹

試驗系統如圖1。

圖1 試驗系統Fig.1 Experimental system

不同溫度、圍壓和瓦斯壓力下焦煤的三軸蠕變-滲流試驗系統主要由軸壓加載系統、圍壓加載系統、位移測試系統、溫度控制系統和滲流系統組成。

WJ-10A 型機械式萬能試驗機作為軸壓加載系統提供軸向壓力和測量軸向位移，壓力量程為100～10 000 kg，精度為1 kg，位移精度為1 μm；高溫高壓反應釜作為圍壓加壓系統提供徑向壓力和測量徑向變形； OHR-A300/A304PID 溫控器配合加熱袋實現反應釜控溫，精度為0.1 ℃，同時，該溫控器搭配徑向變形傳感器可以準測測量試樣徑向變形，精度為1 μm；以高純氮氣（99.999 9%）作為滲流系統的氣源，滲透率測試裝置記錄出氣口實時流速。整個系統置于20 ℃的恒溫室內，溫度變化±1 ℃。

試驗煤樣為焦煤，取自山西西山煤田斜溝礦，在實驗室用砂線切割機沿垂直層理方向進行鉆孔取樣。按照國際巖石力學學會的標準，將煤樣加工成?50 mm×100 mm 的標準試樣，干燥備用。

由于分級加載法具有可操作性強、采用率高的特點，因此采取分級加載的方式加載軸壓（軸向應力初始8 MPa，每級加載梯度3 MPa，加載時間3 d，最大至29 MPa），共進行6 組不同溫度、圍壓和瓦斯壓力下的煤樣三軸蠕變-滲流試驗。具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案Table 1 Experimental schemes

2 試驗結果

在試樣蠕變-滲流試驗過程中，高純氮氣通過試樣的滲透率可根據Darcy 定律得出,其中滲流氣體的動力黏度可由Sutherland 公式計算：

式中：k為煤樣的滲透率，m2；p0為標準大氣壓力，MPa；q為流過煤樣煤體的流速，mL/s；μ為滲流氣體的動力黏度，mPa·s；L為煤樣長度，cm；A為試樣的截面積cm2；p1為反應釜進口氣體的絕對壓力，MPa；p2為出口氣體的絕對壓力，mPa； μ0為氣體在0 ℃的動力黏度，試驗氣體為氮氣，故取值16.606×10-12mPa·s；TC=273.16 K；TS為Sutherland 常數，與氣體性質有關，取值104 K；T為氣體的熱力學溫度，K。

不同溫度和圍壓及瓦斯壓力下各試樣的蠕變與滲透率變化曲線如圖2。

圖2 不同溫度和圍壓及瓦斯壓力下各試樣的蠕變與滲透率變化曲線Fig.2 Variation curves of creep and permeability of coal samples under different temperatures, confining pressures and gas pressures

從圖2 中可以看出：隨著軸向應力的分級加載，各試樣的軸向應變和徑向應變均呈“階梯式”變化，表現為軸向壓縮和徑向膨脹。但具體來看，每個煤樣的“階梯式”程度大不一樣，如煤樣A 的軸向應變和徑向應變的變形階梯并不平整，在每級應力作用下，煤體仍產生一定程度的軸向或徑向形變，從而由“階梯式”轉為“爬坡式”變化；煤樣B 和煤樣D 的軸向和徑向應變呈現出標準的“階梯狀”特征；煤樣C、煤樣E 和煤樣F 的軸向和徑向應變經歷了2 個階段，前期仍表現為較為標準“階梯式”，但在最后一級應力的作用下，軸向和徑向應變在某個時間節點呈斷崖式的變化，表明此時煤樣出現了失穩破壞。煤樣的滲透率變化規律總體呈現2 種變化趨勢：①隨著分級軸向應力的加載，煤樣的滲透率逐級降低，如煤樣A、煤樣B、煤樣D；②隨著分級軸向應力的加載，煤樣的滲透率先逐級降低，在某一時刻出現滲透率拐點，從而滲透率由降低趨勢轉為上升趨勢，如煤樣C、煤樣E、煤樣F。

2.1 試樣蠕變變形規律

由圖2 中可以看出：在分級軸向應力加載過程中煤樣A～煤樣F 均存在一定的蠕變起始應力閾值，各煤樣的蠕變起始閾值出現的時間點明顯不同，并且在分級軸向應力加載過程中6 組煤樣發生的蠕變變形程度也存在強弱之分。煤樣A、煤樣C 和煤樣E 的起始蠕變變形出現在軸向應力8 MPa 下，在此后，每一級應力加載下，3 組煤樣的軸向應變量和徑向應變量均出現相應增長，表現出不同程度的蠕變變形特征為：煤樣E＞煤樣A＞煤樣C；煤樣B、煤樣D 和煤樣F 的起始蠕變變形則出現在軸向應力11 MPa 下，蠕變變形程度為：煤樣F＞煤樣B＞煤樣D。

在上述煤樣中，只有煤樣C、煤樣E、煤樣F經歷了臨界能量釋放和裂紋不穩定不發展階段、破裂和峰值后階段，表明這些試驗中煤樣受到的載荷超過了自身承受的強度極限，導致煤樣發生破壞。煤樣C 和煤樣E 分別在軸向應力29 MPa和23 MPa 下前期發生衰減蠕變，軸向應變和徑向應變分別增大、減小到一定值至平穩蠕變，隨著煤樣內部發生顆粒錯位、滑動進而導致裂隙進一步擴展，從而發生加速蠕變，軸向和徑向應變再進一步增大，最后煤樣失穩破壞；煤樣F 則是在20 MPa 的加壓過程中煤體直接發生壓裂破壞。

煤樣C、煤樣E 和煤樣F 的破壞圖如圖3。

圖3 破壞煤樣Fig.3 Destructed coal samples

由圖3 可以明顯看到：蠕變失穩破壞的煤樣其裂隙發展主要出現在煤樣側壁，并且在熱縮套束縛下破壞后煤樣徑向局部存在較大程度突出變形，而壓裂破壞煤樣的裂隙發展表現為斜向的側壁貫穿大裂隙，煤樣整體無明顯的徑向局部突出變形。

2.2 滲透率演化規律

由圖2 可以看出：煤樣的滲透率隨著每級應力的加載逐漸降低且下降梯度依次減小，個別煤樣在試驗的后期出現滲透率拐點。以煤樣B 為例，其滲透率在每級應力作用下的降低率分別為51.28%、5.54%、5.93%、2.55%、1.07%、2.22%、1.13%、0.82%，每級應力升高到恒定值前期滲透率下降率分別為40.62%、3.48%、4.41%、2.07%、0.77%、1.83%、0.64%、0.47%，保持恒定應力中后期滲透率下降率分別為10.66%、2.06%、1.52%、0.48%、0.30%、0.39%、0.49%、0.35%。

煤樣B 整個試驗過程滲透率演化經歷了2 個階段：①每級軸向應力加載前期煤樣B 的滲透率短時間內大幅下降，軸壓應力越大，降低程度越小，8 MPa 時降低程度最大達到了40.62%，27 MPa 時降低程度最小為0.47%；②每級恒定壓力的穩壓過程中滲透率也出現一定程度下降，但具有時間長，降低緩慢，且降低程度小于同一應力水平下的第1 階段滲透率下降值的特點，同樣隨軸向應力增大其降低程度越小，8 MPa 恒壓條件下中后期滲透率降低程度最大且達到了10.66%，27 MPa 恒壓中后期滲透率降低最小為0.39%；未出現滲透率拐點。

其余煤樣的滲透率變化大致同煤樣B 一致，但煤樣C、煤樣E、煤樣F 均出現了滲透率拐點，滲透率演化由下降趨勢轉為上升趨勢。因此該3個煤樣的滲透率演化相較于其余煤樣存在額外的第3 個階段；在某一級軸向應力的加載下出現滲透率拐點，煤樣的滲透率演化從下降趨勢轉為上升趨勢。

上述煤樣滲透率演化出現不同階段的原因是煤體內部裂隙的開度的變化。在軸向應力加載過程中，煤樣受到的荷載逐步增大發生軸向壓縮和徑向擴張，但整體仍以壓縮為主，此時煤體內部的較多原生孔裂隙受壓發生快速閉合，氮氣滲流通道大幅度減少，隨著軸向應力梯度的增大，應力梯度越高，加壓期間煤體內部原生裂隙的開度降低越小；每級應力恒定期間，如果應力水平達到或超過煤體自身蠕變起始應力閾值，煤樣內部微觀裂隙或孔隙結構進一步發生變化（具體表現為內部顆粒發生位置滑移，錯動），造成穩壓期間滲透率值緩慢下降的現象；如果應力水平未達到煤體自身蠕變起始應力閾值，每級恒壓加載時煤體的滲透率變化較小。當煤體受到的應力水平超過當時所能承受的應力極限或者在受壓過程中由于煤體內部結構調整造成煤體最大受壓能力逐漸下降，最終會導致在某一級恒定應力加載過程中煤樣破裂、滲透率出現拐點并短時間內急劇增大的現象。

2.3 煤樣蠕變變形影響因素

取試驗過程中每級應力結束時的徑向和軸向應變值繪制折線圖得到各試樣的徑向和軸向應變圖，各煤樣徑向應變量如圖4，各煤樣軸向應變量如圖5。

圖4 各煤樣徑向應變量Fig.4 Radial strain of coal samples

圖5 各煤樣軸向應變量Fig.5 Axial strain of coal samples

從圖4 和圖5 中可以看到各試樣的軸向和徑向變形趨勢大致保持一致，而由于試驗過程中溫度、圍壓強度以及煤體原生裂隙開度的不同，各試樣的蠕變形變存在一定差異。

2.3.1 溫度對煤體蠕變變形的影響

由圖4 和圖5 中可以看出：溫度110 ℃時，煤樣F 和煤樣E 的徑向和軸向應變更為平滑且曲線斜率逐漸增大，分別在應力區間11～14 MPa 和14～17 MPa 內轉為明顯的曲線，且最終在20 MPa和23 MPa 應力作用下煤樣發生破壞（前者為壓裂破壞，后者為蠕變失穩破壞）。其余煤樣的變化趨勢始終為折線式變化，溫度70 ℃時，煤樣C 在26 MPa 下煤樣發生蠕變失穩破壞，煤樣D 未出現破壞，但二者的徑向和軸向應變量在8 MPa 時出現明顯轉折，此后切線斜率變化波動較小，較為恒定；溫度30 ℃時，在整個試驗過程中煤樣A和煤樣B 均未出現破壞，二者徑向和軸向應變變化速率改變最小且曲線相互貼近。

因此，通過對上述試樣的分析可以得出隨著溫度的升高，煤樣徑向和軸向應變變化速率出現改變且高溫（110 ℃）下這種變化會一直持續直至煤樣破裂；其次，從煤樣是否發生破壞角度來看，溫度對煤樣破壞具有較大影響，溫度越高，煤樣發生破壞的可能性越大，且由失穩破壞逐步轉為壓裂破壞，這是因為溫度的升高使得煤樣形變從線性變形變為非線性變形，即煤樣更容易發生蠕變變形，其內部孔隙、裂隙在恒壓加載過程中存在錯動和滑移等微型結構調整，造成了材料的塑性增強，承受的最大應力強度變小，煤樣更容易發生破壞，且溫度越高煤體在低恒定應力下發生蠕變失穩破壞或升壓過程中發生壓裂破壞的可能性更大。

2.3.2 圍壓對煤體蠕變變形的影響

統計煤樣A～煤樣F 的蠕變起始強度和破壞強度值，并按照相同試驗溫度和依次遞增的圍壓強度將其分為3 組進行試驗。不同圍壓下煤樣的蠕變起始強度和極限破壞強度見表2。

表2 不同圍壓下煤樣的蠕變起始強度和極限破壞強度Table 2 Creep initial strength and ultimate failure strength of coal samples under different confining pressures

從蠕變變形角度來看，3 組煤樣具有相同的規律：煤樣的蠕變起始強度和蠕變變形程度隨圍壓強度的增大分別增大和減弱；從煤樣發生破壞角度來看，一般大多數研究都表明隨著圍壓強度的增大，巖石的彈性極限和抗壓強度均相應提高，這與前2 組結果相同，但第3組中圍壓強度4 MPa 的煤樣F 在軸壓20 MPa 就發生了試件破壞，造成該結果的原因可能是煤樣自身結構的非均質性，雖然試驗煤樣均取自線切割的整塊焦煤原煤并且按照相鄰部位鉆取煤心盡可能避免煤本身非均質性影響，但線切割后的標準焦煤試樣在黏土礦物含量及分布、割理發育仍會存在差異，因此煤樣各自的抗壓強度會有所不同，這也就造成了煤樣F 的破壞應力值較低于煤樣E 的破壞應力值情況的發生。但總的來說煤樣的破壞應力強度同樣隨圍壓強度的增大而增大。

2.3.3 煤樣破壞的軸徑向對比

在前面分析得出隨著溫度的升高，煤樣徑向和軸向應變變化速率出現改變且高溫（110 ℃）下這種變化會一直持續直至煤樣破裂，觀測高溫（110℃）下煤樣E 和煤樣F 的徑向和軸向應變量，發現徑向應變量曲線的彎曲程度更加明顯，為此，選取試驗溫度110 ℃時煤樣E 和煤樣F 的徑向和軸向應變量繪制曲線，并在每條曲線上選時間點相同的3 個點（所取點圖中已標紅）計算切線斜率和曲率，分別得到煤樣E 和煤樣F 的徑向和軸向的切線斜率圖和曲率。煤樣E 徑向和軸向的切線斜率和曲率如圖6，煤樣F 徑向和軸向的切線斜率和曲率如圖7。圖6 和圖7 中標注數據已取絕對值處理，切線斜率值在前，曲率值在后。

圖6 煤樣E 徑向和軸向的切線斜率和曲率Fig.6 Radial and axial slope and curvature of coal sample E

圖7 煤樣F 徑向和軸向的切線斜率和曲率Fig.7 Radial and axial slope and curvature of coal sample F

計算曲線上某點切線斜率和曲率的公式如下：

式中：x為曲線上任意一點；y為曲線該點的縱坐標值；y′為曲線該點的一階導數值；y′′為曲線該點的二階導數值；k為曲線該點的曲率值。

通過煤樣發生破壞前3 個點的切線斜率對比，可以看出徑向和軸向曲線的切線斜率均依次遞增，且軸向應變量的切線斜率值大于徑向應變量的切線斜率值。這表明在破壞前期煤樣的徑向和軸向變形量增大的速率越快，且在軸向上受到的應力遠大于徑向圍壓的緣故，煤樣在軸向應變量變化速率高于徑向應變量變化速率。而通過煤樣發生破壞前3 個點的曲率值對比發現：煤樣E 和煤樣F 徑向和軸向的曲率值呈遞減規律且兩煤樣徑向曲率均大于軸向曲率；以煤樣F 為例，破壞前3 個點的徑向曲率為0.026 6、0.025 0、0.017 1，軸向曲率為0.019 8、0.010 9、0.008 0，表明煤樣接近破壞時其軸向和徑向應變量曲線的曲線化程度減弱，而徑向應變量切線斜率的變化程度大于軸向應變量切線斜率的變化程度。這同樣是由于煤樣徑向上受到的作用力小于軸向上受到的作用力，加壓后期煤樣發生徑向上的損傷概率及其積累量的變化率的改變速率相較于軸向發生的可能性更大且更多，從而在高地應力差的環境中煤樣在發生破壞前其徑向應變量曲線化更加明顯且發生破壞時其徑向和軸向應變會在短時間內呈瀑布式急劇增大，呈直線型變化。故可得出通過分析徑向應變量變化趨勢比軸向應變量的變化趨勢更容易判斷煤樣是否發生破壞或臨近破壞。

2.4 煤樣滲流率演化影響因素

對試驗煤樣滲透率演化規律分析中發現整個試驗過程中存在3 個階段：①加壓前期滲透率大幅快速下降階段；②恒壓期間滲透率緩慢下降或平穩過渡階段；③試驗后期滲透率出現拐點由下降轉為上升趨勢階段。所有試驗煤樣都經歷了前2 個階段，但少數煤樣經歷了第3 階段，且出現的時間節點各不相同，其原因在于溫度、圍壓強度、原生裂隙發育程度和孔隙壓大小等因素作用下試驗過程中煤體內部裂隙開度的變化，導致煤體內部氮氣滲流通道演化，造成了不同的滲流性能。為進一步研究各煤樣的滲透率變化規律，計算每級恒定應力加載下滲透率最小值相對于初始滲透率的降低變化率，繪制了煤樣滲透率百分比下降曲線，各煤樣滲透率降低率曲線圖如圖8。

圖8 各煤樣滲透率降低率曲線圖Fig.8 Permeability reduction rate curves of each coal sample

計算各煤樣的每級滲透率最小值相對于初始滲透率的降低率如下：

式中： Δε 為煤樣滲透率降低率；k0為煤樣初始滲透率，m2；k1為各恒定應力下煤樣的滲透率最小值，m2。

2.4.1 溫度對煤體滲透率的影響

從溫度對煤體蠕變的分析中得出，溫度升高煤樣變形更多以非線性變形為主，蠕變行為更加明顯，故而加速了煤樣內部氣體滲流通道的改變，最終影響了煤樣的氣體滲透性能。

由圖8 中可以明顯看到：處于高溫110 ℃環境下的煤樣E 和煤樣F 滲透率降低率最大，分別達到了93.3%和88.7%；中溫70 ℃環境下煤樣C和煤樣D 的滲透率最大降低率分別為86.2%和82.9%；低溫30 ℃環境下煤樣A 和煤樣B 的滲透率最大降低率分別為76.0%和70.5%。將同溫度梯度下煤樣的最大滲透率降低值平均化：110 ℃時煤樣的最大滲透率降低率均值為91%，70 ℃時煤樣的最大滲透率降低率均值為84.6%，30 ℃時煤樣的最大滲透率降低率均值為73.25%。

可以得出，隨著溫度的升高煤樣滲透率的最大降低率增大；表明高溫環境下煤樣內部孔隙開度相對于初始孔隙開度減小程度更大。造成上述現象原因有2 個方面：①受熱脹冷縮效應的影響，煤樣碳骨架會發生膨脹變形，而在煤樣受到軸向和徑向方向上較大的對內壓縮作用力前提下，這種膨脹變形使得內部空隙空間受到擠壓，造成了部分氣體滲透通道的閉合；②高溫環境下煤樣的非線性變形更加明顯，更容易發生蠕變變形，其內部孔隙、裂隙在恒壓加載過程中會發生錯動和滑移等微型結構的調整，同樣造成一部分氣體滲流通道的減少，因此高溫環境下煤樣內部氣體滲流通道減小程度最大，具有最大的滲透率降低率。

此外高溫下煤樣更容易發生破壞，70 ℃的煤樣D 與110 ℃的煤樣E 和煤樣F 均發生了破壞，3 組煤樣的滲透率因此出現拐點從下降轉為上升趨勢，煤樣D 在29 MPa 下發生破壞出現滲透率拐點，煤樣E 和煤樣F 則在23 MPa 和20 MPa 下發生破壞出現滲透率拐點，表明隨著溫度的升高，煤樣在較低的應力水平下出現滲透率拐點，其滲透率由下降轉為上升趨勢。

綜上所述溫度越高煤樣內部孔隙開度的減小程度越大，其最大滲透率降低率越大，并且由煤樣破壞導致的滲透率拐點在低應力下出現可能性變大。

2.4.2 圍壓對于煤體滲透率的影響

圍壓大的煤樣具有更高的抗壓強度，在相同軸壓下低圍壓強度的煤樣產生的形變效應更強，導致其內部氣體滲透通道變更加顯著從而影響氣體的滲透性能。為了更好分析圍壓強度對于煤樣滲透性能的化影響，將不同溫度下的煤樣分別繪制滲透率降低率柱狀對比圖，30 ℃煤樣滲透率降低率如圖9，70 ℃煤樣滲透率降低率如圖10，110 ℃煤樣滲透率降低率如圖11。

圖9 30 ℃煤樣滲透率降低率Fig.9 Permeability reduction rate of coal samples at 30 ℃

圖10 70 ℃煤樣滲透率降低率Fig.10 Permeability reduction rate of coal samples at 70 ℃

圖11 110 ℃煤樣滲透率降低率Fig.11 Permeability reduction rate of coal samples at 110 ℃

由圖9～圖11 可以明顯發現：溫度相同時，任意軸壓下煤樣滲透率的降低率隨著圍壓強度的增大而減小，具有顯著負相關性；30 ℃下圍壓3 MPa 的煤樣A 與圍壓4 MPa 的煤樣B 二者滲透率降低率的最大差值為7.8%，最小差值為4.2%；70 ℃下圍壓3 MPa 的煤樣C 和圍壓4 MPa 的煤樣D 二者滲透性降低率的最大差值為5.2%，最小差值為2.1%；110 ℃下 圍 壓3 MPa 的 煤 樣E 和 圍 壓4 MPa 的煤樣F 二者滲透性降低率的最大差值為6.5%，最小差值為1.9%。這與圍壓對煤體的蠕變變形具有抑制作用密切相關，相同溫度下圍壓大的煤樣其碳骨架在受到徑向的約束力作用下更加致密緊固且內部氣體滲透通道受到軸向分級應力所產生的形變效應較小，因此在試驗期間此類煤樣具有較大的孔隙開度，在較高地應力差的環境中依舊表現出良好的氣體滲透性能。

3 結 語

1）溫度與煤樣的徑向和軸向蠕變變形呈正相關性。隨試驗溫度梯度的增加，煤樣徑向和軸向應變的變化速率發生改變，并且高溫（110 ℃）環境中在較高應力差作用下這種應變速率的變化會一直持續直至煤樣發生破裂。110 ℃下，焦煤煤樣發生破壞前三級應力下的軸向和徑向應變量的切線斜率呈遞增規律且軸向切線斜率高于徑向斜線斜率，而相對應的點的曲率值呈遞減規律且徑向曲率大于軸向曲率，徑向應變量變化趨勢比軸向應變量的變化趨勢更容易判斷煤樣發生破壞或臨近破壞。

2）圍壓與煤樣的徑向和軸向蠕變變形呈負相關性。隨著圍壓強度的增大，焦煤煤樣的蠕變起始強度變大，分級應力加載過程中煤樣徑向和軸向產生的蠕變變形量減小。溫度相同時同軸壓下煤樣滲透率的降低率隨著圍壓強度的增大而減小，二者具有顯著負相關性，圍壓強度3 MPa 與4 MPa 的焦煤煤樣在試驗溫度30、70、110 ℃下滲透率降低率的最大和最小差值分別為7.8%、5.2%、6.5%和4.2%、2.1%、1.9%。

3）焦煤煤樣的滲透率演化存在3 個階段：①加壓前期滲透率大幅快速下降階段；②恒壓期間滲透率緩慢下降或平穩過渡階段；③試驗后期滲透率出現拐點由下降轉為上升趨勢階段。所有試驗煤樣都經歷了前2 個階段，但少數煤樣經歷了第3 階段。溫度越高，三軸應力作用下的焦煤煤樣內部孔隙開度的減小程度越大，煤樣的滲透率最大降低率越高，試驗溫度110、70、30 ℃下的焦煤煤樣試驗過程中氣體滲透率最大降低率均值依次為91%、84.6%、73.25%。并且高溫環境中由煤樣破壞導致的滲透率拐點在低應力水平下出現的可能性更大。