含瓦斯型煤樣三軸瓦斯?jié)B透特性試驗(yàn)研究

1圍壓狀態(tài)下煤體滲透率特性在采煤和地下采采過程中，煤巖體受采動(dòng)力的影響會(huì)變形和破壞。隨著煤巖的變形和破壞，其磚瓦滲透特性也會(huì)發(fā)生變化。這是影響礦山磚瓦動(dòng)力的重要原因，比如防止磚瓦在煤層中的引入和突出。煤巖的瓦斯?jié)B透特性是煤巖的一種重要物理性質(zhì)。該性質(zhì)受煤巖所處的地應(yīng)力狀態(tài)和煤巖的變形破壞狀態(tài)的影響很大。許多學(xué)者對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)中煤巖的瓦斯?jié)B透特性進(jìn)行過研究,林柏泉和周世寧研究了在施加圍壓狀態(tài)下,煤樣滲透率與孔隙壓力及煤樣變形間的關(guān)系;譚學(xué)術(shù)和鮮學(xué)福研究了型煤的滲透特性和應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系;梁冰等研究了煤層瓦斯流動(dòng)與煤體變形的數(shù)值耦合;趙陽升等研究了煤巖的變形和吸附作用對(duì)其滲透特性的影響;唐巨鵬等研究了有效應(yīng)力和解吸作用對(duì)煤層氣滲流的影響;J.Gawuga研究了氣體在應(yīng)力作用下的含碳地層中的滲流規(guī)律;J.R.E.Enever和A.Henning研究了煤層中有效應(yīng)力與滲透率的關(guān)系;C.R.Mckee等研究認(rèn)為煤體滲透率隨煤層埋藏深度和地應(yīng)力的增加而呈指數(shù)降低;何偉鋼等發(fā)現(xiàn)煤體滲透率與地應(yīng)力呈冪指數(shù)關(guān)系;楊永杰等通過原煤煤樣的水滲透試驗(yàn),研究了煤巖在變形破壞過程中的滲透率變化規(guī)律。前人的研究豐富了煤巖體瓦斯流動(dòng)理論,但對(duì)含瓦斯型煤試件的全應(yīng)力–應(yīng)變過程中模擬的地應(yīng)力狀態(tài)和變形破壞對(duì)其瓦斯?jié)B透特性的影響方面的研究還鮮見報(bào)道。為此,本文應(yīng)用自行研制的含瓦斯煤樣三軸滲流試驗(yàn)裝置模擬地應(yīng)力場(chǎng),觀察含瓦斯型煤試件在模擬三向地應(yīng)力狀態(tài)下變形破壞的全應(yīng)力–應(yīng)變過程,研究在全應(yīng)力–應(yīng)變過程中煤巖瓦斯?jié)B透特性的變化規(guī)律,重點(diǎn)模擬重力應(yīng)力作用下煤巖變形破壞過程中瓦斯?jié)B透特性的變化,研究結(jié)果為利用地應(yīng)力提高瓦斯抽采效率,通過瓦斯涌出量預(yù)測(cè)煤巖的變形破壞以及煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面提供了新的思路。2試驗(yàn)過程2.1試驗(yàn)方法和試驗(yàn)材料本試驗(yàn)應(yīng)用自行研制的煤巖三軸瓦斯?jié)B流裝置模擬地應(yīng)力場(chǎng)中含瓦斯煤巖的受力情況和瓦斯?jié)B流情況。地應(yīng)力場(chǎng)主要包括重力應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力,重力應(yīng)力是普遍存在的一種地應(yīng)力,重力作用不僅產(chǎn)生垂直應(yīng)力,而且由于巖體的泊松效應(yīng)和流變效應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生水平應(yīng)力,且重力應(yīng)力易于測(cè)算,所以,本試驗(yàn)以模擬重力應(yīng)力作用下煤巖變形破壞過程中瓦斯?jié)B透特性的變化為主。對(duì)模擬水平應(yīng)力的作用本文將作不同圍壓的對(duì)比試驗(yàn)。2.2顆粒制備試驗(yàn)本試驗(yàn)所用的煤樣取自重慶松藻礦務(wù)局打通一礦,將取回的原煤在粉碎機(jī)上進(jìn)行粉碎后,篩選其中40~80目的顆粒制成試驗(yàn)用的粉煤。在粉煤中加入適量的水,攪拌均勻。之后,在成型模具上用200kN的成型壓力加壓,壓制成φ50mm×100mm的圓柱體型煤試件。將制成的試件在烘箱中烘干。試件準(zhǔn)備完畢后,測(cè)得試件單軸抗壓強(qiáng)度為0.43MPa,屈服應(yīng)力為0.31MPa。2.3煤巖瓦斯?jié)B流試驗(yàn)加載裝置本試驗(yàn)使用自行研制的煤巖三軸瓦斯?jié)B流裝置,該滲流裝置軸向載荷采用壓力試驗(yàn)機(jī)外部加載,圍壓由電動(dòng)油泵加載,瓦斯氣體由高壓瓦斯氣瓶提供,可模擬地應(yīng)力場(chǎng)中含瓦斯煤巖的瓦斯?jié)B流特性。煤巖三軸瓦斯?jié)B流裝置如圖1所示。軸向載荷由島津250伺服壓力試驗(yàn)機(jī)提供,該試驗(yàn)機(jī)可自動(dòng)采集軸向載荷和壓頭行程的數(shù)據(jù)。瓦斯流量由數(shù)字式電子氣體流量計(jì)采集。2.4煤巖三軸瓦斯?jié)B流裝置進(jìn)標(biāo)方案2.(1)試件的裝配將準(zhǔn)備好的型煤側(cè)面涂上適當(dāng)厚度的一層硅橡膠,涼干5h。將長(zhǎng)度為105mm左右的熱收縮套套在試件的側(cè)面。將試件連同熱收縮套裝在煤巖三軸瓦斯?jié)B流裝置的試件底座上,安裝導(dǎo)向支架,加熱熱收縮套,使其收縮。連接試件瓦斯?jié)B透進(jìn)氣端接口,吊裝煤巖三軸瓦斯?jié)B流裝置頂蓋,擰緊頂蓋緊固螺栓。試件裝配完畢。(2)試驗(yàn)方案將滲流裝置提升到壓力試驗(yàn)機(jī)的加載平臺(tái),對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)與滲流裝置的加載壓頭。先打開進(jìn)油閥、出油閥,關(guān)閉回油閥,將壓力油泵入滲流裝置的三軸壓力室內(nèi)。關(guān)閉出油閥,對(duì)試件施加圍壓。同時(shí),打開高壓氣瓶減壓閥,給試件通入瓦斯。為了保證試件和熱收縮管之間的密封,施加的圍壓應(yīng)該大于瓦斯壓力。在本試驗(yàn)中,由于主要模擬地應(yīng)力對(duì)煤巖瓦斯?jié)B透特性的影響,所以,相對(duì)于瓦斯壓力,圍壓被作為對(duì)試件滲透率影響較大的主要因素來考慮。試驗(yàn)分2種方式進(jìn)行:(1)恒定瓦斯壓力變化圍壓的試驗(yàn)。(2)恒定圍壓變化瓦斯壓力的對(duì)比試驗(yàn)。方式一所加瓦斯壓力為0.4MPa,圍壓分別為2,4和6MPa;方式二為圍壓為2MPa,分別施加瓦斯壓力0.4和0.6MPa的對(duì)比試驗(yàn)。3試驗(yàn)結(jié)果的分析本試驗(yàn)主要模擬不同地應(yīng)力下,三軸應(yīng)力狀態(tài)的煤巖在全應(yīng)力–應(yīng)變過程中的瓦斯?jié)B透特性的變化規(guī)律。3.1應(yīng)力場(chǎng)一定時(shí)試件滲透率根據(jù)已有的研究成果,型煤試件是一種多孔介質(zhì),瓦斯在多孔介質(zhì)中的滲流特性取決于流動(dòng)方向上的孔隙數(shù)量、孔隙大小、孔隙連通性和孔隙兩端的壓力。由流體通過窄縫的層流方程可推出:當(dāng)所處應(yīng)力場(chǎng)一定時(shí)試件的滲透率公式為式中:K為滲透率(m2);Q′為瓦斯?jié)B流速度(mL/s);Pa為大氣壓(MPa);μ為瓦斯黏滯系數(shù),室溫20℃時(shí)μ=1.087×10-6Pa·s;L為型煤試件長(zhǎng)度(mm);A為型煤試件橫截面積(m2);1P為試件進(jìn)口瓦斯壓力(MPa);2P為試件出口瓦斯壓力(MPa)。近期研究成果顯示,當(dāng)所處應(yīng)力場(chǎng)一定時(shí),峰后煤巖試件的滲透率與滲流速度的關(guān)系為由此可見,型煤試件的瓦斯?jié)B流速度與滲透率是正線性相關(guān)的,因此,可通過滲流速度與其他相關(guān)物理量的關(guān)系曲線來反映出試件的滲透特性。3.2應(yīng)力–應(yīng)變曲線特性恒定瓦斯壓力時(shí)煤樣應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可知,含瓦斯型煤試件的變形過程大致可分為4個(gè)階段:密實(shí)階段、彈性變形階段、屈服階段和破壞階段。在密實(shí)階段,隨著軸向應(yīng)力和應(yīng)變的增加,煤樣的彈性模量也增加,應(yīng)力–應(yīng)變曲線微向上彎曲,這是試件內(nèi)部的孔隙和裂隙被壓密實(shí)的結(jié)果;在彈性變形階段,煤樣的應(yīng)力–應(yīng)變基本呈線性關(guān)系,彈性模量為一恒定值,服從Hoek定律;在屈服階段,當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí),煤樣的內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷而導(dǎo)致試件的承載能力降低,此時(shí),煤樣的彈性模量降低,應(yīng)力–應(yīng)變曲線開始偏離直線,向下彎曲,這是煤樣內(nèi)部損傷不斷發(fā)展,不斷產(chǎn)生新的裂紋的結(jié)果;在破壞階段,煤樣的軸向應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限,應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而減小,這是煤樣內(nèi)部出現(xiàn)貫穿煤樣的宏觀裂紋的結(jié)果。在相同的瓦斯壓力下,隨著圍壓的增加,煤樣的彈性模量增加,煤樣的剛度變大,同時(shí),試件的抗壓強(qiáng)度也表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),這與不含瓦斯煤樣表現(xiàn)出的性質(zhì)類似。3.3圍壓對(duì)煤樣滲透特性的影響(1)煤樣破壞前滲透特性與軸向應(yīng)力的關(guān)系恒定瓦斯壓力時(shí)煤樣峰前滲流速度–軸向應(yīng)力曲線如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)瓦斯壓力恒定時(shí),在某一圍壓下,煤樣的滲流速度隨著軸向應(yīng)力的增加而減小,在密實(shí)階段和彈性變形階段,隨著軸向應(yīng)力的增加,煤樣的滲流速度單調(diào)遞減,主要原因是在這2個(gè)階段煤樣要產(chǎn)生壓密變形,孔隙性要降低;在屈服階段,煤樣的滲流速度呈現(xiàn)出先遞減后趨于平直的趨勢(shì),主要原因是煤樣的內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷,產(chǎn)生微裂紋,孔隙性有所增加。當(dāng)瓦斯壓力恒定,在不同的圍壓下,煤樣峰前的滲透特性和軸向應(yīng)力的關(guān)系表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),由于圍壓有阻礙軸向變形和環(huán)向壓密的作用,隨著圍壓的升高,煤樣的滲透特性整體上趨于降低。當(dāng)瓦斯壓力一定時(shí),可將峰值應(yīng)力前煤樣的滲流速度和軸向應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行分段擬合,擬合關(guān)系如下:式中:Q為滲流速度(mL/s);σ1為軸向應(yīng)力(MPa);d,f,a,b均為擬合系數(shù)。從式(3)可看出,煤樣在峰值前的密實(shí)階段,滲流速度與軸向應(yīng)力呈線性關(guān)系,在峰值前的彈性及屈服階段,滲流速度與軸向應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。(2)煤樣峰后滲透特性與軸向應(yīng)力的關(guān)系恒定瓦斯壓力時(shí)煤樣峰后滲流速度–軸向應(yīng)力曲線如圖4所示。由圖4可知,在峰后破壞階段,當(dāng)瓦斯壓力恒定時(shí),在某一圍壓下,煤樣的滲流速度隨著位移控制加載方式的軸向控制應(yīng)力的減小而增大,主要原因是煤樣的軸向應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限,煤樣內(nèi)部出現(xiàn)貫穿煤樣的宏觀裂紋,煤樣的孔隙性和滲透性大大增加,同時(shí),煤樣的變形處于逐漸向延性發(fā)展的階段,還未進(jìn)入表現(xiàn)出塑性流動(dòng)特性的蠕變狀態(tài),不會(huì)出現(xiàn)變形過程中部分裂隙變窄和碎屑阻塞的情況,所以煤樣滲流速度隨應(yīng)力的增加而下降的趨勢(shì)較為明顯。當(dāng)瓦斯壓力恒定,隨著圍壓的增加,煤樣的峰后滲透特性和軸向應(yīng)力的關(guān)系表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),由于圍壓有阻礙軸向變形和環(huán)向壓密的作用,隨著圍壓的升高,煤樣的滲透特性整體上趨于降低。當(dāng)瓦斯壓力一定時(shí),可將峰后煤樣的滲流速度和軸向應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行擬合,擬合關(guān)系為式中:σ1為軸向應(yīng)力(MPa);l,m,n均為擬合系數(shù)。從式(4)可以看出,煤樣在峰后階段,滲流速度與軸向應(yīng)力呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。(3)煤樣峰值流量與圍壓的關(guān)系應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^程曲線的峰值點(diǎn)是煤樣的破壞點(diǎn),其瓦斯?jié)B透特性是預(yù)測(cè)含瓦斯煤巖失穩(wěn)的重要指標(biāo)。為了給含瓦斯煤的卸圍壓變形破壞全過程試驗(yàn)打下基礎(chǔ),在這里專門研究煤樣峰值瓦斯流量與圍壓的關(guān)系。煤樣分別在不同的圍壓下達(dá)到峰值,圖5為恒定瓦斯壓力時(shí)煤樣的峰值滲流速度與圍壓的關(guān)系。由圖5可知,在瓦斯壓力恒定時(shí),煤樣的峰值滲流速度與圍壓基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。3.4煤樣滲流速度–應(yīng)變曲線階段及瓦斯壓力梯度變化的主要原因分析恒定瓦斯壓力時(shí)煤樣軸向應(yīng)力–軸向應(yīng)變、滲流速度–軸向應(yīng)變曲線如圖6所示,通過滲流速度–應(yīng)變曲線和應(yīng)力–應(yīng)變曲線的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)與應(yīng)力–應(yīng)變曲線的各個(gè)階段相對(duì)應(yīng),滲流速度–應(yīng)變曲線也表現(xiàn)出階段性特征。在應(yīng)力–應(yīng)變曲線的密實(shí)階段,滲流速度緩慢降低;在應(yīng)力–應(yīng)變曲線的彈性變形階段,滲流速度也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),且降低的速度要大于密實(shí)階段,主要原因是在密實(shí)階段型煤試件的孔隙度較高,而在彈性變形階段開始時(shí),煤樣的原始孔隙已被壓密。在彈性變形階段和屈服階段的分界點(diǎn)附近,滲流速度降到最小值,此時(shí),煤樣的原生裂隙被最大程度壓實(shí),新的裂隙還未產(chǎn)生。在應(yīng)力–應(yīng)變曲線的屈服階段,滲流速度開始增加,原因是煤樣的內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷,產(chǎn)生微裂紋,孔隙性有所增加。在應(yīng)力–應(yīng)變曲線的峰后破壞階段,隨著煤樣內(nèi)部出現(xiàn)貫穿煤樣的宏觀裂紋,滲流速度繼續(xù)增加,其增加的趨勢(shì)還會(huì)持續(xù)下去,并隨著型煤試件在峰后向塑性流動(dòng)發(fā)展而持續(xù)增大,由于其塑性流動(dòng)屬于不穩(wěn)定蠕變,所以在煤樣完全破壞后滲流速度會(huì)趨于穩(wěn)定。在相同的瓦斯壓力下,改變不同的圍壓,每種圍壓條件下煤樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線各階段與滲流速度–應(yīng)變曲線各階段仍然保持較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。瓦斯壓力梯度和煤體強(qiáng)度是影響煤與瓦斯突出的2個(gè)重要因素,從圖6可以看出,煤樣應(yīng)力–應(yīng)變曲線的密實(shí)階段和彈性變形階段對(duì)應(yīng)的滲流速度–應(yīng)變曲線上,其瓦斯?jié)B流速度較大,可以反映出該階段的瓦斯壓力梯度較大,具備瓦斯突出的可能,但該階段的煤體強(qiáng)度較大,所以引發(fā)煤與瓦斯突出的可能性不大;在應(yīng)力–應(yīng)變曲線的屈服階段對(duì)應(yīng)的滲流速度–應(yīng)變曲線上,煤樣的強(qiáng)度降低,具備瓦斯突出的可能,但該階段瓦斯?jié)B流速度較小,瓦斯壓力梯度較低,所以引發(fā)煤與瓦斯突出的可能性也不大,在應(yīng)力–應(yīng)變曲線的破壞階段對(duì)應(yīng)的滲流速度–應(yīng)變曲線上,其瓦斯?jié)B流速度持續(xù)增大,瓦斯壓力梯度也持續(xù)增大,而煤體的強(qiáng)度較低,所以引發(fā)煤與瓦斯突出的可能性較大。以前曾在自行研制的油壓加載瓦斯三軸滲透儀上研究過含瓦斯煤的滲透特性,與這次的研究結(jié)果相對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在煤樣應(yīng)力–應(yīng)變曲線屈服階段和破壞階段對(duì)應(yīng)的瓦斯流量及其變化規(guī)律有所不同,主要原因可能是此次采用的加載方式是用剛性材料伺服壓力試驗(yàn)機(jī)以位移加載的方式緩慢加載,加載過程中試件內(nèi)部積蓄的能量得到逐漸釋放,而以前是用油壓方式躍升式加載,試件內(nèi)部積蓄的能量來不及釋放而對(duì)試件內(nèi)部產(chǎn)生的破壞較大,因而其瓦斯?jié)B流速度增長(zhǎng)較大。此外,楊永杰等用原煤煤樣進(jìn)行了滲透試驗(yàn),由于原煤煤樣比較堅(jiān)硬,強(qiáng)度較大,大多數(shù)原煤煤樣是脆性材料,其變形破壞呈現(xiàn)出脆性,其破壞速度大于型煤煤樣。所以,在破壞過程中,其滲透率比型煤煤樣大。4瓦斯壓力對(duì)煤樣性能的影響在本試驗(yàn)中,主要模擬地應(yīng)力對(duì)煤巖瓦斯?jié)B透特性的影響,所以,相對(duì)于瓦斯壓力,圍壓被作為對(duì)試件滲透率影響較大的主要因素來考慮。在此,專門做保持圍壓不變改變瓦斯壓力的對(duì)比試驗(yàn),以討論瓦斯壓力對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)和滲透特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)圍壓恒定改變瓦斯壓力時(shí),全應(yīng)力–應(yīng)變過程曲線保持基本相同的形態(tài)。隨著瓦斯壓力的增大,煤樣的延性有所減少,脆性有所增加。隨瓦斯壓力的增加,煤樣的彈性模量減小,即煤樣的剛度減小。同時(shí),煤樣的抗壓強(qiáng)度也隨著瓦斯壓力的增加而減小。在煤樣滲透特性與應(yīng)力的關(guān)系方面,如圖8所示,對(duì)于峰值前和峰值后的滲流速度–軸向應(yīng)力關(guān)系曲線,在某一瓦斯壓力下,曲線的趨勢(shì)與恒定瓦斯壓力改變圍壓時(shí)的曲線基本相同,隨著瓦斯壓力的增大曲線基本保持相同形態(tài),滲流速度整體增大。在煤樣滲透特性與應(yīng)變的關(guān)系方面,如圖9所示,在某一瓦斯壓力下,煤樣滲流速度隨軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線與恒定瓦斯壓力改變圍壓時(shí)的曲線保持基本相同的趨勢(shì),隨著瓦斯壓力的增大,曲線基本形態(tài)保持相同,滲流速度整體增大。引起上述現(xiàn)象的原因主要是施加瓦斯壓力有大,實(shí)際上是增加了煤樣的孔隙率,同時(shí),瓦斯壓力增加會(huì)引起煤樣對(duì)瓦斯的吸附作用增加,從而導(dǎo)致煤樣的孔隙率