1、第23卷增2巖石力學與工程學報23(增2:49124915 2004年7月Chinese Journal ofRock Mechanics and Engineering Jury,2004大煤樣瓦斯抽放試驗研究及尺寸效應現象木楊棟馮增超趙陽升(太原理工大學采礦工藝研究所太原030024摘要煤礦瓦斯災害是世界煤炭行業公認的重大災害之一。在進行低滲透煤儲層滲透特性改造試驗時,采用了大尺寸的煤體試件(500mmx500mmx500ram進行試驗,在該煤體試件中不僅包含了較多孔隙,而且還包含了幾條較大的裂縫。在對試件進行鉆孔瓦斯抽放和割縫瓦斯抽放試驗過程中,均首次觀測到大規模的瓦斯突出現象,而在以往

2、小尺寸煤樣瓦斯滲流試驗中則從未發現過類似現象。這種現象充分說明,對于煤體這樣孔隙、裂隙發育的巖體,標準尺寸的試件往往難以包含足夠多的巖體信息,采用大尺寸巖石試件后,所觀察到的試驗現象將更加接近于工程巖體實際,所測得的試驗數據會更真實。關鍵詞巖石力學,瓦斯,尺寸效應,試驗研究分類號Tu45文獻標識碼A文章編號1000.6915(2004增2-4912-04TESTING STUDY oF GAS oUTBURST IN BIG CoAL SAMPLE ANDPHENoMENoN oF DIMENSIoNAL EFFECTYang Dong,Feng Zengchao,Zhao Yangsheng

3、(Institute oflimning Technology,Taiyuan University ofTechnology,Taiyuan030024Ch/naAbstract Gas of coaI mine iS one of the most hazardous problems in coal industry of the world.In China,the lower permeability of coal is the main character which limits the development of gas extraction industry.In thi

4、stesting study of gas extraction from low permeability coal,the big coal samples(500mm x500mm×500ramare used.There are many pores and fractures in these samples.While the coal mass is under fracturing,the gas outbursts intermittently.This phenomenon is never reposed in articles before while sma

5、ll samples had been used. So we can conclude that when big samples are used,each sample Can contain more information which leads to the experiment result closer the in-situ rock test.The experiment results also reveal that to release the initial earth stress is a better way to improve the permeabili

6、ty of coal.Water fracturing method is one of the efficient methods to release the initial earth stress.Key words rock mechanics,gas,dimensional effect,testing study1前言煤礦瓦斯災害一直是世界采礦業中的重大災害之一,盡管各國相繼投入了相當大的人力物力,使煤礦瓦斯災害的控制有了一定的改觀,但其問題仍然相當嚴重。我國自20世紀50年代以來,進行了大量的試驗研究,尤其是工業性試驗研究,幾乎窮盡了所有可能的技術措施,但仍未能有一個較好的進展

7、。煤礦瓦斯治理采用較多的方法之一是瓦斯抽放。針對我國的低滲透性煤層瓦斯抽放,國內先后進行了密集鉆孔預抽放、加砂致裂預抽放、水力沖孔、2004年2月25日收到初稿,2004年4月17目收到修改稿。+國家杰出青年科學基金(59625409、國家自然科學基金青年基金(10102013和山西省青年基金(20001012聯合資助項目。作者楊棟簡介:男,1970年生,1993年畢業于太原理工大學采礦工程專業,現為太原理工大學采礦工藝研究所博士研究生、講師,主要從事巖石力學和滲流方面的研究工作。第23卷增2楊棟等.大煤樣瓦斯抽放試驗研究及尺寸效應現象4913水力割縫抽放試驗等,但由于種種原因,有的收效甚微,

8、有的難以推廣實施,致使低滲透煤層瓦斯抽放這一重大技術難題,一直未能得到較好的解決【l】,而對低滲透煤層滲透特性的研究在逐年增多【271。1996年至今,太原理工大學采礦工藝研究所趙陽升教授領導的課題組,在國家杰出青年科學基金資助下,深入、系統地研究了低滲透煤層瓦斯抽放這一難題8-10】,通過大量理論分析和試驗研究,基本確認水力壓裂技術不適用于低滲透煤儲層的滲透特性改造,而卸壓是改造低滲透煤儲層的唯一有效的技術途徑【111,進而提出了水力割縫改造低滲透煤儲層的技術方案。1999年在太原理工大學“211工程”建設研制的l000t大型多功能試驗機上,進行了大煤樣鉆孔瓦斯抽放試驗研究和割縫瓦斯抽放試驗

9、研究。試驗中觀測到了在以往小尺寸試件滲透試驗中從未觀測到的新現象瓦斯與水混合著煤間歇性地從抽放孔突出。這與工程實際中鉆孔瓦斯抽放時遇到的瓦斯突出現象極為相似。因此,這個試驗不僅對瓦斯抽放理論得出了有益的結論,而且從另一角度上揭示了對孔隙、裂隙發育的煤巖體,大尺寸試件的試驗結果往往比小尺寸試件的試驗結果更接近工程實際。2試驗方案2.1試驗目的及方案本試驗的目的是為了揭示潞安礦務局常村礦3”煤層在不同埋藏深度下割縫卸壓對煤體滲透率的影響。從安全角度考慮,試驗氣體采用了C02氣體。試驗煤樣采自常村礦34煤層,試樣采集和運輸過程中均采取了特殊的保護措施,以盡量減少對試件內原生孔隙、裂隙的后期人工擾動。

10、煤樣在室內加工成500mmx500mm×500mm的立方體試件,并使其層理面平行于頂面和底面。根據潞安礦區的實際情況,試驗模擬的煤層埋深分別為400和800m。對1勺噪樣主要進行了800m 埋深下的鉆孔瓦斯抽放試驗及水力割縫后瓦斯抽放試驗。對24煤樣主要進行了400m埋深下的鉆孑L瓦斯抽放試驗及水力割縫后瓦斯抽放試驗。2.2試驗方法試驗在太原理工大學“211工程”建設研制的1000t大型多功能試驗機上進行。(1試件裝入自行設計研制的剛性三軸壓力室進行試驗。(2將煤樣放入壓力室之前,在試件與壓力室之間墊2mm厚的橡膠板,用水泥砂漿澆注,填實橡膠板與試件之間的縫隙,使橡膠板與壓力室的內壁

11、緊密接觸,以防止氣體沿試件表面與壓力室側壁串通,影響試驗結果。(3待水泥砂漿凝固24h后,蓋上壓力室蓋并用螺栓擰緊。給試件施加很小的力(約O.125MPa,相當于埋深50m時的地層垂向應力,使試件與壓力室側壁及壓頭緊密接觸,并壓實試件。(4用煤電鉆在試件上鉆400mm深的注氣孔。利用高壓氣罐將C02氣體注入試件中。以1.5UPa 的壓力注氣24h后,關閉減壓閥,讓試件進行自由吸附直至達到1.0MPa飽和狀態。(5一般在35d后,煤體吸附達到飽和。將垂向壓力由O.125MPa加到預定壓力(相當于試驗所模擬的地層應力,并穩定一定時間后,打開排氣孔,采用排水取氣法,測量瓦斯排放量與時間的關系。(6割

12、縫抽放試驗中,利用自行研制的高壓水力割縫設備,在鉆孔兩側迅速割出高約1cm、寬約10em的裂縫,測量割縫時及割縫后的瓦斯排放規律。3試驗結果3.1試驗現象以上l:1的大煤樣室內鉆孑L瓦斯抽放試驗研究及割縫瓦斯抽放試驗研究,在國內外都屬首次,試驗中遇到了許多常規小試件從未遇到的麻煩和困難,經過努力,都得到了很好的解決。但也確實發現了許多小試件試驗所從未發現的物理現象與工程現象,這些寶貴的資料對深入研究瓦斯抽放,提出革命性的設想和指導工程實際具有極其重要的參考價值。根據煤層瓦斯運移理論,煤層瓦斯以吸附和游離2種狀態賦存在煤體孔隙中,在地應力作用下,這些氣體獲得了大量的勢能。一旦煤體獲得自由,則在煤

13、體應力、瓦斯壓力及解吸釋放的膨脹能的共同作用下,煤體將向自由面劇烈破壞,這也是煤層瓦斯突出的主要原因。在割縫瓦斯試驗中,首次在室內觀察到了煤體和瓦斯氣體間歇地噴射現象,如圖1和2所示。圖1為初始瓦斯和水均勻排出時的現象,圖2為瓦斯和水混和著煤一起噴射的現象。4914巖石力學與工程學報2004笠圖l瓦斯和水均勻排出時的現象Fig.1Steady discharging ofgas and water from coal mass圖2瓦斯和水混合著煤一齊噴射Fig.2Outburst ofgas and water from coal mass試驗中發現,地層應力越高,這種現象越明顯。在埋深800

14、m地壓作用下,割縫排出的煤體量占試件體積的10%,煤體卸壓徹底,抽放效果較好。而在埋深400m地壓作用下,盡管割縫過程中有氣體和煤塊一起噴出的現象發生,但其劇烈程度與埋深800m時相比,則弱了許多。割縫完成后,排出的煤體量僅占總體積的2%左右。煤層割縫過程中伴隨著氣體和煤一起噴出的現象,與現場瓦斯突出的現象完全類似,但在實驗室內再現這一現象是第一次。這也說明了小尺寸試件的測試結果往往與工程現場的實際情況存在較大的差距,而大尺寸試件往往更接近于工程的實際情況。3.2結果分析(1瓦斯抽放量與時間的關系將2個試件鉆孔抽放瓦斯量及割縫以后的瓦斯抽放量結果分別整理,其結果如圖3和4所示。05001000

15、l500200025003000,/min圖314試件埋深800m下瓦斯抽放曲線Fig.3Gas extraction volume VS time of Sample l under800mdepth圖42。試件埋深400m下瓦斯抽放曲線Fig.4Gas extraction volume VS time ofSample2under 400mdepth把2個試件鉆孔抽放瓦斯量以及割縫以后的瓦斯抽放量與時間的關系用最dx-乘法進行數學回歸,通過誤差分析,可知擬合結果是比較滿意的。因此,可以認為煤體瓦斯排放量與時間關系遵循如下對數方程:Q=aInt+b(1式中:Q為氣體排放量(L;t為排氣時間

16、(min;a, b均為擬合常數,其量綱為體積量綱。18,24試件為回歸公式及其相關系數分別為14試件:Q=56.32Int一99.819=0.7785(不割縫Q=80.665Int-141.85=0.9655(割縫28試件:Q=81.005Int-161.92=0.9570(不割縫443322ll一 一、i,第23卷增2楊棟等.大煤樣瓦斯抽放試驗研究及尺寸效應現象4915Q296.897int-148.38R2=0.9952(割縫(2瓦斯抽放速度與割縫的關系對瓦斯排放量關于時間t求導數,即可以獲得瓦斯抽放速度為dQQ:旦(2dt t由此可見,其抽放速度與時間的倒數呈一雙曲線變化。分別研究14和

17、24煤樣割縫與不割縫2種情況下煤體的瓦斯抽放速度變化,計算在相同埋深下,割縫與不割縫煤體瓦斯排放速度之比如下:14試件:y晶制t/圪硼鼉=80.665/56.32=1.43224試件:螄/硎麓=96.897/81.005=1.214試件在相當于埋深800m地層應力下割縫以后,抽放速度提高1.432倍。24試件在相當于埋深400m地層應力下割縫以后,抽放速度提高1.2倍。顯然,煤層進行割縫卸壓以后,煤體的滲透率有了很大的提高;而且煤層埋藏愈深,滲透率提高越明顯。4結論(1煤層瓦斯抽放量與時間的關系近似為對數關系,即Q=aInt+b。(2煤層采用割縫技術卸壓后,可以顯著提高煤體的瓦斯抽放速度,提高

18、煤體滲透率,并且隨著深度的增加,這種提高越明顯。(3采用大尺寸試件進行試驗,難度較大,但可以觀測到小尺寸試件試驗中無法觀測到的試驗現象。這從另一方面說明,進行巖體工程設計時采用的任何參數,如果是從小尺寸試件上測得的,就應充分考慮到尺寸效應的影響,才能更加符合工程實際。參考文獻1于不凡.煤和瓦斯的突出機理【M】.北京:煤炭工業出版社,1985 2周世寧,林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論【M】.北京:煤炭士業出版社,19993羅志明.煤比表面積和煤與瓦斯突出關系的研究【J】.煤炭學報。198914(1:25284葉建平.中國煤儲層滲透性及其主要影響因素們.煤炭學報.199924(2:1231275蔚

19、江遠.我國煤層氣儲層研究現狀及發展趨勢陰.地質科技情報, 2001.20(1:36396孫茂遠.煤層氣開發利用手冊M】.北京:煤炭工業出版社,1998 7Zhao Yh擎h朋g,Kang Tianhe.Hu Yaoqing.Permeability classification ofcoal蝴in Chinap.Int.J.Rock Mcch.&Min.Sci.&Geomeeh.Abstr.-199532(2:3283338趙陽升.礦山巖石流體力學【M】.北京:煤炭工業出版社,19949趙陽升.胡耀青.孔隙瓦斯作用下煤體有效應力規律的試驗研究們巖土工程學報.1995。17(5:

20、263110趙陽升,胡耀青.楊棟等.三維應力下吸附作用對巖體氣體滲流規律影響的實驗研究【J】.巖石力學與工程學報,1999,18(6: 65l653ll趙陽升,胡耀青,楊棟.我國煤礦瓦斯災害現狀及其對策A】.見:瓦斯災害防治討論會論文集【C】.北京:中國礦業大學出版社,2001 大煤樣瓦斯抽放試驗研究及尺寸效應現象作者:楊棟, 馮增超, 趙陽升, Yang Dong, Feng Zengchao, Zhao Yangsheng作者單位:太原理工大學采礦工藝研究所,太原,030024刊名: 巖石力學與工程學報英文刊名:CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND E

21、NGINEERING年,卷(期:2004,23(z2引用次數:3次參考文獻(11條1.于不凡煤和瓦斯的突出機理 19852.周世寧.林柏泉煤層瓦斯賦存與流動理論 19993.羅志明煤比表面積和煤與瓦斯突出關系的研究 1989(14.葉建平.史保生.張春才中國煤儲層滲透性及其主要影響因素期刊論文-煤炭學報 1999(25.蔚遠江.楊起.劉大錳.黃文輝我國煤層氣儲層研究現狀及發展趨勢期刊論文-地質科技情報 2001(16.孫茂遠煤層氣開發利用手冊 19987.Zhao Yangsheng.Kang Tianhe.Hu Yaoqing Permeability classification ofco

22、al seamin China 1995(28.趙陽升礦山巖石流體力學 19949.趙陽升.胡耀青孔隙瓦斯作用下煤體有效應力規律的試驗研究 1995(510.趙陽升.胡耀青.楊棟三維應力下吸附作用對巖體氣體滲流規律影響的實驗研究 1999(611.趙陽升.胡耀青.楊棟我國煤礦瓦斯災害現狀及其對策 2001相似文獻(10條1.期刊論文曹樹剛.劉延保.李勇.張立強.王軍.CAO Shugang.LIU Yanbao.LI Yong.ZHANG Liqiang.WANG Jun煤巖固-氣耦合細觀力學試驗裝置的研制-巖石力學與工程學報2009,28(8為從細觀力學的角度出發研究含瓦斯煤巖變形破壞規律,

23、研制一種煤巖固-氣耦合細觀力學試驗裝置,并對裝置密封、透明視鏡等關鍵技術難點進行深入分析.該試驗裝置主要由加載系統、充瓦斯系統、細觀觀測系統和聲發射監測系統4個部分組成.與現有的細觀試驗裝置相比,該裝置具有以下特點:可提供單軸、平面應變、三軸2 =3三種受力狀態;試驗測試方法多樣化,可進行試驗過程中的實時顯微圖像觀測和應力-應變、聲發射信號的采集;具有良好的氣密性和耐爆性,創造具有瓦斯的試驗環境,使煤與瓦斯突出機制的試驗研究更加接近礦山實際;裝置的結構簡單,成本低,系統可靠性高.利用該裝置進行瓦斯壓力為1.0 MPa、圍壓為1.0 MPa(2 = 3下的煤巖細觀力學試驗,得到煤樣受力破壞全過程

24、的表觀圖像和聲發射特征,以此分析試件破壞前后局部區域張拉裂紋的形成和擴展情況.初步的試驗結果表明,該試驗裝置為固-氣耦合條件下的相關試驗研究提供新的測試手段,具有較大實用價值.2.會議論文楊棟.馮增超.趙陽升大煤樣瓦斯抽放試驗研究及尺寸效應現象2004煤礦瓦斯災害是世界煤炭行業公認的重大災害之一.在進行低滲透煤儲層滲透特性改造試驗時,采用了大尺寸的煤體試件(500mm×500mm×500mm進行試驗,在該煤體試件中不僅包含了較多孔隙,而且還包含了幾條較大的裂縫.在對試件進行鉆孔瓦斯抽放和割縫瓦斯抽放試驗過程中,均首次觀測到大規模的瓦斯突出現象,而在以往小尺寸煤樣瓦斯滲流試驗

25、中則從示發現過類似現象.這種現象充分說明,對于煤體這樣孔隙、裂隙發育的巖體,標準尺寸的試件往往難以包含足夠多的巖體信息,采用大尺寸巖石試件后,所觀察到的試驗現象將更加接近于工程巖體實際,所測得的試驗數據會更真實.3.會議論文南存全.馮夏庭凹形圓弧斷裂構造的簡化力學模型及其解析分析2004從分析潘一礦的煤與瓦斯突出分布規律及其附近控制性斷裂構造特點出發,建立了求解豎向凹形圓弧斷開裂周圍構造應力的簡化的二維力學模型.導出了斷層上盤中水平應力和垂直附加構造應力的解析解,由此推得在斷層的上盤中存在一個范圍較大的垂直應力升高區,升高后的垂直應力自重應力的23倍,且垂直應力升高區的峰值距斷層很近,這與數值

26、模擬的結果完全一致.4.會議論文徐濤.唐春安.楊天鴻.梁正召.段東煤層上山掘進誘發煤與瓦斯突出數值模擬2006本文根據煤巖體介質變形與瓦斯滲流的基本理論,考慮到煤巖介質材料力學性質的非均勻性特點、煤巖介質變形破裂過程中透氣性的非線性變化特性以及煤巖體變形破裂過程中瓦斯滲流與煤巖體變形間的耦合作用,在巖石破裂過程分析系統(RFPA2D的基礎上,建立了含瓦斯煤巖破裂過程流固耦合作用的RFPA2D-GasFlow模型.應用該模型對上山掘進誘發煤與瓦斯突出進行了數值模擬,模擬結果再現了含瓦斯煤巖在瓦斯壓力、地應力及煤巖力學性質共同作用下煤巖損傷破裂并誘致突出的全過程,模擬結果表明上山突出是地應力、瓦斯

27、壓力和煤體物理力學性質三個因素綜合作用的結果,這為進一步深入理解煤與瓦斯突出機理及瓦斯抽放防治突出等提供理論基礎和科學依據.5.會議論文劉保縣.鮮學福.姜德義煤與瓦斯延期突出機理及其預測預報的研究2002利用非線性理論突變理論,對煤與瓦斯延期突出機理進行了研究,認為延期突出的滯后時間是由地應力、煤體中的瓦斯、煤的物理力學特性及外力作用(爆破等的共同作用所產生的,并依此提出延期突出的預測預報方法.6.會議論文章夢濤.梁冰.梁棟采動影響下煤層內瓦斯流動狀況的數學模型及數學分析19907.會議論文袁亮低透高瓦斯煤層群安全開采關鍵技術研究2008針對低透高瓦斯煤層群安全高效開采技術難題,以淮南礦區為主

28、要試驗研究基地,研究應用巖石力學、巖層移動理論和"O"形圈理論,針對不同煤層和瓦斯地質條件,探索出一整套"開采煤層頂底板卸壓瓦斯抽采工程技術方法",建立卸壓開采"抽采"瓦斯和煤與瓦斯共采工程技術體系.研究"采場巖層移動壓層瓦斯以及地面鉆孔卸壓瓦斯"理論與技術,形成系統、成熟的瓦斯抽采理論與技術.創新卸壓開采抽采瓦斯理論和技術,解決了煤與瓦斯共采重大工程 技術難題. 8.期刊論文 韓軍.張宏偉.宋衛華.王震.HAN Jun.ZHANG Hongwei.SONG Weihua.WANG Zhen 煤與瓦斯突出礦區地應 力場研究 -巖石力學與工程學報2008,27(z2 利用空芯包體地應力測量方法對分布于我國東北、華北、華中和華南的阜新、平頂山、鶴壁和淮南等7個煤與瓦斯突出礦區的地應力進行了測量.對 測量結果的分析表明,煤與瓦斯突出礦區的地應力場作用特征表現為以下幾點:(1最大、最小主應力為水平主應力,中間主應力為垂直主應力,即應力場類 型全部為大地動力場;(2突出礦區的水平主應力遠高于其他區域,突出礦區煤(巖體承受更高的構造應力;(3最大主應