煤巖全應力-應變過程中的瓦斯流動特性研究

1煤巖瓦斯流動特性參數(shù)煤炭的自然狀態(tài)主要處于三軸應力狀態(tài)。當受到采動作用影響后,其應力狀態(tài)將發(fā)生改變,即應力重新分布,這極可能導致煤巖的變形、失穩(wěn)或煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。隨著工作面的開采,煤巖所受應力狀態(tài)將在時間和空間上不斷的發(fā)生變化,從而導致煤巖內(nèi)部孔隙、裂隙結構的重構和發(fā)展,進而導致瓦斯在其內(nèi)部的流動特性發(fā)生變化。因此研究煤巖變形過程中瓦斯在其內(nèi)的流動特性,對于了解煤巖的滲透特性、提高煤與瓦斯突出事故預測的準確性及提高瓦斯抽放過程中的瓦斯抽采率均具有積極意義[1~3]。煤巖在其全應力–應變過程中的變形,通常包括4個階段:壓密階段、線彈性階段、屈服階段、峰后階段。此4個階段中的煤巖內(nèi)部孔隙、裂隙變化程度、速度均不相同。在壓密階段,煤巖內(nèi)的原有孔隙、裂隙將發(fā)生閉合。從屈服階段開始,煤巖內(nèi)的宏觀破裂開始形成,由于宏觀裂隙的存在,導致瓦斯在煤巖內(nèi)部流動變得復雜,既包含瓦斯?jié)B流又包含瓦斯在宏觀裂隙內(nèi)的流動,不再遵循達西定律。因此,本文擬采用瓦斯在煤巖內(nèi)的流動速度作為衡量瓦斯流動特性的參數(shù),對煤巖全應力–應變過程中瓦斯在其內(nèi)的流動特性進行研究。在煤巖的滲透特性研究方面,國內(nèi)外學者進行了大量的研究,繆協(xié)興等研究了破碎巖體的滲透特性,并建立了巖石滲透特性方程;楊永杰等以水為滲透介質(zhì)研究了煤巖全應力–應變過程中的滲透特性;尹光志等進行了地應力對煤巖的滲透特性影響研究;徐濤等對瓦斯在煤巖中的滲流進行了數(shù)值模擬研究。但這些對滲透特性研究多集中在巖石材料、水介質(zhì)、單一應力因素應力變化、數(shù)值模擬方面[9~15],對于煤巖全應力–應變過程中的瓦斯流動特性涉及較少。因此,本文以具有突出傾向的煤制備的型煤試件為研究對象,對其全應力–應變過程中的瓦斯流動特性進行了試驗研究。2種煤巖瓦斯流動特性的對比分析為得到煤巖全應力–應變過程的瓦斯?jié)B流特性,采用2種顆粒組成不同的煤巖對其在不同圍壓條件下的全應力–應變過程瓦斯流動特性進行了試驗研究,分析2種煤巖在受載–變形–破壞全過程的瓦斯流動速度變化特性,以確定不同煤巖對其瓦斯流動特性的影響。2.1標準煤巖試件的制備本試驗煤巖取自重慶松藻煤電集團打通一號礦7號軟分層,該層質(zhì)軟、手可碾碎,因此制備原煤試件困難較大,故采用型煤試件代替原煤試件進行煤巖全應力–應變過程中瓦斯流動特性試驗研究。型煤試件制備過程為:首先將煤礦井下原煤巖運至實驗室,然后將煤巖進行粉碎、篩選,取其粒徑為20~40目和60~80目的煤粉顆粒,加少許水并攪拌均勻,經(jīng)自制型煤制備模具加壓成型,成型壓力根據(jù)前人研究取100MPa,達到成型壓力后保持壓力30min,目的是使試件受壓均勻;再經(jīng)脫模即可制得符合國際巖石力學學會標準的型煤試件,尺寸為φ50mm×100mm。試驗前將試件烘干24h,后在側面均勻涂硅橡膠,目的是防止瓦斯流動試驗時瓦斯從側壁溢出,實驗室制得的標準煤巖試件如圖1所示。本試驗所用設備均為重慶大學西南資源開發(fā)及環(huán)境災害控制工程教育部重點實驗室設備。試驗系統(tǒng)由AG–250kNI電子精密材料試驗機、自制煤巖三軸蠕變瓦斯?jié)B流裝置和輔助設施組成,試驗系統(tǒng)如圖2所示。試驗時,試驗系統(tǒng)的載荷由AG–250kNI電子精密材料試驗機提供,試驗時采用位移控制方式,可以精確獲得煤巖應力–軸向應變的關系曲線;圍壓由自制煤巖三軸蠕變瓦斯?jié)B流裝置內(nèi)的特殊液壓油提供,其可提供最大圍壓為20MPa;瓦斯由瓦斯壓力罐經(jīng)輸氣管、減壓表以及輸氣銅管進入煤巖一端,通過煤巖后從另一端經(jīng)設備出氣端排出,如圖2所示。試件側壁由硅橡膠保護層防止瓦斯溢出,而由熱縮管緊密包裹防止圍壓油進入試件導致試驗失敗,熱縮管與試驗設備結合出亦用硅橡膠進行密封,試驗證明該密封方法具有較好的試驗效果。2.2試驗方案及測量方法根據(jù)本文試驗設想,分別取2種粒度煤粉組成的煤巖為研究對象,進行不同圍壓下煤巖全應力–應變過程中的瓦斯流動特性試驗研究。在設計圍壓較大的試驗水平中,施加圍壓前先施加一定軸向載荷,目的是防止圍壓作用破壞試件,具體試驗方案如表1所示。瓦斯流動速度的測量方法采用瞬態(tài)法測量,具體步驟為:(1)施加較小軸壓和設定圍壓、瓦斯壓力,待煤巖充分吸附瓦斯24h后,開始試驗。(2)保持煤巖頂部瓦斯壓力恒定,打開煤巖底部瓦斯控制閥門,使瓦斯僅在瓦斯壓力作用下自由經(jīng)煤巖流出,穩(wěn)流5min后,測量瓦斯流動速度,記錄100mL瓦斯流過煤巖所需時間,并換算瓦斯在煤巖內(nèi)的流動速度。(3)繼續(xù)增加軸壓至選取試驗點,穩(wěn)壓1h后重復步驟(2)。(4)重復上述步驟(2)和(3),直至得到煤巖全應力–應變過程中瓦斯流動特點的規(guī)律曲線。(5)更換煤巖試樣,進行下一個煤巖的試驗。3試驗研究與成果分析3.1煤巖變形階段內(nèi)瓦斯流動規(guī)律圖3為2種不同圍壓情況下煤巖全應力–應變過程中瓦斯流動關系曲線。由圖3可知,在煤巖全應力–應變過程中瓦斯流動變化規(guī)律較為復雜。在煤巖壓密階段,瓦斯流動速度隨應變增加呈減小趨勢,但由于圍壓和施加軸向載荷的存在,對瓦斯流動速度的測量并非從應變起始點開始,故而壓密階段前期的瓦斯流動速度未量測,但從2種試驗情況均可看出,壓密階段瓦斯流動特性呈隨應變增加而減小趨勢,且可看出瓦斯流動特性具有明顯的應變滯后特性;在煤巖變形至線彈性階段的中點處,煤巖內(nèi)瓦斯流動速度達到最小,表明煤巖內(nèi)部的孔隙、裂隙結構已經(jīng)達到最小并致使瓦斯流動通道最為狹窄。根據(jù)前人對含瓦斯煤的力學性質(zhì)試驗,表明此時的煤巖內(nèi)部新的孔隙、裂隙結構已經(jīng)開始形成,故瓦斯流動通道并非為最狹窄,這又表明煤巖內(nèi)瓦斯流動具有應變滯后性;經(jīng)過此點后,煤巖內(nèi)的瓦斯流動速度變化趨勢發(fā)生明顯變化,即由隨應變增加而減小趨勢變化為隨應變增加而增加趨勢,這表明煤巖內(nèi)的瓦斯流動通道開始逐漸通暢,而含瓦斯煤巖的力學試驗也得到相同結果;煤巖變形進入屈服階段后,煤巖內(nèi)瓦斯流動隨應變增加而增加的趨勢開始變緩,表明瓦斯流動通道變化趨于恒定,而含瓦斯煤巖的力學性質(zhì)試驗表明此時煤巖內(nèi)部已經(jīng)形成宏觀裂隙,煤巖內(nèi)的瓦斯流動以宏觀流動為主,直至峰后少許階段。若煤巖破裂后繼續(xù)加載,煤巖內(nèi)的瓦斯流動又將出現(xiàn)少許下降趨勢,這可能是在圍壓和熱縮管的共同束縛下,繼續(xù)加載將使試件發(fā)生少許密實,而導致煤巖內(nèi)瓦斯流動通道變窄,導致瓦斯流動呈現(xiàn)下降趨勢。上述分析表明,煤巖全應力–應變過程中瓦斯流動特性與煤巖受載過程中的損傷演化密切相關,且瓦斯在煤巖內(nèi)的流動具有明顯的滯后性特點。試驗前后煤巖變形情況如圖4所示。3.2煤巖瓦斯流動規(guī)律分析圖5可知,不同圍壓作用下煤巖內(nèi)瓦斯流動速度變化規(guī)律具有較強的規(guī)律性,均呈現(xiàn)先增大后減小的緩“U”字形。這可能主要是因為在煤巖的全應力–應變過程中,煤巖內(nèi)的孔隙裂隙結構是先在壓密階段逐漸減小,導致此變化階段內(nèi)的瓦斯流動通道逐漸劣化而使煤巖內(nèi)的瓦斯流動速度呈減小趨勢,又由于瓦斯在煤巖內(nèi)流動具有明顯的應變滯后性,導致瓦斯流動減小趨勢一直持續(xù)到煤巖線彈性階段的中間點附近,此時出現(xiàn)煤巖內(nèi)瓦斯流動速度的最小點,表明煤巖內(nèi)已經(jīng)達到了孔隙裂隙結構最小點;在此后的階段里,隨載荷增加新生裂隙開始形成,煤巖內(nèi)的孔隙裂隙結構逐漸增大,導致煤巖內(nèi)瓦斯流動通道變得通暢,因而瓦斯在煤巖內(nèi)的流動速度隨載荷增加而呈逐漸增加趨勢;直至屈服階段時,煤巖內(nèi)形成宏觀破壞通道,瓦斯在煤巖內(nèi)的流動通道(孔隙、裂隙結構)相對固定,此時瓦斯流動速度增加變化逐漸趨向于定值;進入殘余強度階段后,煤巖內(nèi)的瓦斯流動速度趨向定值,但數(shù)值上要大于煤巖內(nèi)初始瓦斯流動速度,說明破碎煤體內(nèi)的瓦斯流動特性優(yōu)于原始煤體,這也證明了開采保護層卸壓釋放瓦斯措施的有效性。相同軸向載荷作用下,煤巖所受圍壓越大其內(nèi)的瓦斯流動速度越小。這可能是因為隨著圍壓的增加,相同軸向載荷作用下的煤巖側面所承受的壓力越大,導致煤巖內(nèi)的瓦斯流動通道變化越大,且趨向閉合的程度越大,進而導致瓦斯流動困難。而產(chǎn)生相同應變時,圍壓越小煤巖側向所受到載荷越小而導致煤巖側向變形越大,使煤巖內(nèi)的瓦斯流動通道變得越通暢,導致瓦斯流動速度在圍壓越小時變得越大。3.3瓦斯流動特性本次試驗制備型煤試件所用煤粉粒徑分別為20~40和60~80目,相同條件下制備所得煤巖試件經(jīng)單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗表明,其力學性質(zhì)差別較大,這正可以用來模擬相同變質(zhì)程度而不同軟硬程度的煤巖相關試驗研究。顆粒較大煤粉制備的標準型煤試件其質(zhì)量較小,表明煤巖內(nèi)孔隙裂隙較多、強度較小,烘干后該型煤試件強度為0.25MPa左右;而由60~80目煤粉制備的標準型煤試件其質(zhì)量較大,表明其內(nèi)部孔隙裂隙結構較少、強度較大,烘干后的該型煤試件強度為0.45MPa左右。利用該2種型煤試件進行一些列瓦斯流動特性研究,得到了一系列典型曲線,不同煤巖瓦斯流動特性如圖6所示。由圖6可知,由粗粒煤粉制備的型煤試件在相同應力條件下瓦斯流動速度較大,這可能是由于相同條件下制備所得的型煤試件,組成顆粒較粗的試件內(nèi)孔隙裂隙結構更為發(fā)育,導致瓦斯在其內(nèi)的流動通道更為通暢所致;在相同的外界應力狀態(tài)下,粗粒煤粉制備的型煤試件內(nèi)的瓦斯流動速度明顯大于細粒煤粉制備的型煤試件內(nèi)的瓦斯流動速度,且單位圍壓變化導致瓦斯流動速度變化時,粗粒煤巖內(nèi)的瓦斯流動速度變化率更大,這可能是恒定軸壓作用時,改變圍壓主要促使煤巖試件側壁受到擠壓作用,導致其內(nèi)部的孔隙裂隙結構趨于閉合,使瓦斯流動通道變窄所致。當軸壓增大時,相同圍壓下的粗粒煤巖內(nèi)的瓦斯流動速度變化要大于細粒煤巖內(nèi)的瓦斯流動速度變化,這可能是粗粒煤巖在遭受軸壓變化作用時,內(nèi)部孔隙裂隙結構將發(fā)生較大變化,且粗粒煤巖的變化要大于細粒煤巖,但又由于其原始孔隙裂隙結構是遠遠大于細粒煤巖,導致其內(nèi)部的瓦斯流動速度變化大于細粒煤巖樣。4煤巖瓦斯流動規(guī)律根據(jù)本文進行的煤巖全應力–應變過程的瓦斯流動特性試驗研究,主要可得到以下結論:(1)煤巖全應力–應變過程中,瓦斯流動速度變化的總體規(guī)律呈緩“U”型,且具有明顯的應變滯后特性,即:在壓密階段和線彈性階段的中間點前,其內(nèi)部的瓦斯流動速度隨應變的增加呈減小趨勢,直至瓦斯流動速度最小點;進入線彈性階段中點之后至屈服階段前,瓦斯流動速度隨應變增加而呈現(xiàn)增加趨勢,這主要是新的孔隙裂隙結構形成所致;進入屈服階段至峰值強度點階段,瓦斯流動速度增加趨近于最大值,此時煤巖內(nèi)的瓦斯流動速度要大于瓦斯流動的起始流動速度;峰后階段的瓦斯流動速度漸趨于定值,僅有少許增