馬建宏，候　超，信長(zhǎng)喻，李建明

(1. 河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000；2. 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000； 3. 鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限公司，河南 鄭州 450000)

0　引　言

瓦斯事故一直是我國(guó)煤礦五大災(zāi)害之首，中國(guó)也已經(jīng)成為世界上瓦斯災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家，礦井瓦斯真正受到人們的普遍關(guān)注是在20世紀(jì)，且多半是由于瓦斯所造成的災(zāi)害事故[1]，，面對(duì)這種嚴(yán)峻的局面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于煤體滲透特性的研究。1984年，S.HarPaalni[2]與J.Gawuga[3]以煤層賦存的地質(zhì)條件為前提，探討了含瓦斯煤樣在受載狀況下的滲透特性。V.Khodot[4]學(xué)者以煤層賦存的地物場(chǎng)環(huán)境和地質(zhì)條件為前提，探討了含瓦斯煤樣的力學(xué)狀況，系統(tǒng)的分析了瓦斯?jié)B流和煤巖體之間的固氣力學(xué)特征。1997年，Enever[5]通過(guò)研究含瓦斯煤層的滲透性與有效應(yīng)力之間的互相影響，總結(jié)出了煤層中應(yīng)力的增量和滲透能力變化表示出指數(shù)特征。其后，周世寧和林柏泉[6]進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，探討了原巖應(yīng)力環(huán)境對(duì)瓦斯的滲透性能作用。仵彥卿[7]通過(guò)巖體滲流與應(yīng)力關(guān)系測(cè)試，總結(jié)出巖體滲透系數(shù)與有效應(yīng)力存在冪指數(shù)關(guān)系。李樹剛[8]初次提出了煤樣滲透系數(shù)—體積應(yīng)變方程，該方程基于采場(chǎng)卸壓瓦斯的運(yùn)移規(guī)律明顯受礦山壓力影響的原理[9]。梁冰、劉建軍[10]對(duì)差別溫度下煤巖應(yīng)力和瓦斯壓力的分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬創(chuàng)立了考慮溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的固氣耦合數(shù)學(xué)模型。趙延林、曹平[11]等，以巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)和細(xì)觀損傷力學(xué)為依據(jù)，建立了合適的裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合數(shù)學(xué)模型。唐春安[12]研究團(tuán)隊(duì)在分析巖石破裂過(guò)程中滲透率演化時(shí)，基于統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)建立了裂隙損傷同滲透率演化的耦合模型。劉先珊等[13]以現(xiàn)有裂隙變形曲線的研究成果為依據(jù)，創(chuàng)立了滲透系數(shù)與卸荷應(yīng)力、應(yīng)變間的本構(gòu)關(guān)系。許江[14]等運(yùn)用三軸滲透裝置開展了不同環(huán)境溫度和不同有效應(yīng)力條件下長(zhǎng)期荷載作用前后含瓦斯煤的滲透率演化試驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上分析了長(zhǎng)期荷載作用前后煤樣滲透率對(duì)有效應(yīng)力以及環(huán)境溫度的敏感性。 袁欣鵬[15]等為研究井下卸壓抽采時(shí)瓦斯流動(dòng)規(guī)律，建立煤層滲透率演化模型，從應(yīng)力條件和孔隙壓力2個(gè)方面，結(jié)合煤樣滲透率試驗(yàn)，對(duì)該模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，瓦斯抽采技術(shù)在各個(gè)礦區(qū)應(yīng)用，我國(guó)在煤體滲透特性演化規(guī)律研究方面已取得了一些成果，在一定程度上較好的指導(dǎo)了煤礦開采過(guò)程中的瓦斯抽采及增透技術(shù)。目前存在的問(wèn)題主要是針對(duì)型煤峰值強(qiáng)度后的滲透率演化特征研究較少。所以，開展型煤峰值強(qiáng)度后滲透特性研究很有現(xiàn)實(shí)意義，在探索出峰后強(qiáng)度滲透率演化的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他瓦斯治理措施，進(jìn)行全方位的瓦斯治理，才能更好的解決瓦斯超限和局部瓦斯積聚的問(wèn)題。

1　試驗(yàn)過(guò)程

1.1　型煤制備及試驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)所采集煤樣為鄭煤集團(tuán)大坪礦煤，按照標(biāo)準(zhǔn)制作成尺寸為Φ50 mm×H100 mm的圓柱標(biāo)準(zhǔn)型煤試件，型煤的制作方法為：將取來(lái)的煤樣在破碎機(jī)中破碎為煤粉，用0.5 mm的篩子過(guò)篩，之后將一定比例的煤粉、水?dāng)嚢杈鶆?，放在壓力機(jī)上以200 kN的壓力壓制30 min后在脫模機(jī)上脫模即可。

試驗(yàn)采用滲流模擬-吸附解吸試驗(yàn)裝置，儀器采用模塊化設(shè)計(jì)，便于操作、移動(dòng)和維護(hù)。儀器自動(dòng)化程度高，實(shí)時(shí)采集壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制電磁閥、氣動(dòng)閥的工作狀態(tài)，自動(dòng)處理滲流曲線和自動(dòng)出具實(shí)驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　煤巖三軸蠕變—滲流試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1　Three-axis creep-seepage test system for coal and rock

1.2　試驗(yàn)原理及方案

設(shè)有一橫截面積為A，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的巖石，將其夾持于巖心夾持器中，如圖2所示，使粘度為μ的流體在壓差△P下通過(guò)巖心，測(cè)得流量Q。實(shí)驗(yàn)證明單位時(shí)間通過(guò)巖心的體積流量Q與壓差△P和巖心橫截面積A成正比，與巖心的長(zhǎng)度L和流體的粘度成反比：

圖2　滲透率計(jì)算模型Fig.2　Permeability calculation model

(1)

這就是所謂的“達(dá)西方程”，從式中看出A、L是巖石的幾何尺寸，△P是外部條件，當(dāng)外部條件、幾何尺寸、流體性質(zhì)都一定時(shí)，流體通過(guò)量Q的大小就取決于反映巖石可滲性的比例常數(shù)K的大小，我們把K稱為巖石的滲透率；式(1)可改寫成為：

(2)

此式便可計(jì)算巖石的滲透率。

前面討論的都是以不可壓縮流體(液體)為基礎(chǔ)的，我們?cè)O(shè)計(jì)的氣體滲透率是以氣體作為介質(zhì)，因?yàn)闅怏w是壓縮流體，所以達(dá)西方程式需要修正才能應(yīng)用。

眾所周知，可壓縮的氣體最大特點(diǎn)是當(dāng)壓力增加流體能被壓縮；當(dāng)壓力降低時(shí)，流體就發(fā)生膨脹；當(dāng)溫度一定時(shí)，流體的膨脹服從玻義爾定律。如果以最簡(jiǎn)單的平面線滲流考慮，設(shè)進(jìn)口壓力為P1，出口壓力為P2。顯然，當(dāng)壓力從P1變化到P2時(shí)，氣體的體積必然變化，故流速也變化。因此，必須考慮用平均體積流量Q代入達(dá)西方程。

若把氣體膨脹視為等溫過(guò)程，按玻義爾定律：

(3)

(4)

(5)

從上面分析得出對(duì)可壓縮流體的達(dá)西公式的修正只把流量用平均流量代入即可：

(6)

式中：μg為氣體的粘度。

本試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)方案為：測(cè)定瓦斯壓力為0.7 MPa時(shí)，圍壓分別為2，3，4 MPa條件下加載軸壓至煤樣破壞后卸載軸壓、圍壓過(guò)程中滲透率的變化，以及卸載完成后加載至二次破壞過(guò)程中的滲透率的變化特性，以用來(lái)模擬煤礦開采過(guò)程中煤層所受應(yīng)力的反復(fù)增加與降低。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

煤樣破壞后測(cè)定卸載過(guò)程中，以及給予一定的圍壓加載軸壓煤樣發(fā)生二次破壞過(guò)程中滲透率的變化，A1在煤樣瓦斯壓力為0.7 MPa，圍壓為2 MPa條件下，加載至煤樣破壞后，測(cè)定卸載圍壓、軸壓過(guò)程中，以及測(cè)定圍壓為1 MPa加載軸壓至煤樣發(fā)生二次破壞過(guò)程中的瓦斯流量變化，得出以下曲線，見圖3。

圖3　A1煤樣峰后卸壓及二次破壞過(guò)程滲透率變化曲線Fig.3　Permeability change curve of A1 coal sample after stress peak unloading and secondary damage process

由圖3(a)可知，A1煤樣破壞后圍壓保持2 MPa不變，以20 N/S的速率卸載軸壓，應(yīng)力由12～1 MPa，在此過(guò)程中隨著軸壓的減小，煤樣的裂隙逐漸擴(kuò)張，同時(shí)滲透率逐漸增大。軸向應(yīng)力降至1 MPa時(shí)滲透率增加到約1.075 mD，較卸載前增加了約1.3倍。

由圖3(b)可知，煤樣軸壓卸載至1 MPa后，開始卸載圍壓，煤樣產(chǎn)生的裂隙失去圍壓約束開始松弛，其滲透率逐漸增大，圍壓卸載至1 MPa后滲透率增加到約1.14 mD比卸載之前增大了約1.32倍。

由圖3(c)可知，煤樣破壞后隨著軸向壓力的增大，其裂隙被壓縮此時(shí)滲透率逐漸減少，軸壓增大到一定程度時(shí)煤樣發(fā)生二次破壞，裂隙逐漸擴(kuò)展?jié)B透率又開始逐漸增大，整個(gè)過(guò)程中滲透率變化近似U型，A1煤樣初次破壞后開始卸載軸壓時(shí)的滲透率約為0.85 mD，而二次破壞過(guò)程中的滲透率極小值約為1.05 mD，可見煤樣發(fā)生二次破壞過(guò)程中其滲透率整體增大，這是由于煤體中已有裂隙通道的存在，二次破壞過(guò)程中該裂隙通道先閉合后又發(fā)展新的裂隙通道。

A2在煤樣瓦斯壓力為0.7 MPa，圍壓為3 MPa條件下，加載至煤樣破壞后測(cè)定卸載圍壓、軸壓過(guò)程中，以及測(cè)定圍壓為2 MPa加載軸壓至煤樣發(fā)生二次破壞過(guò)程中的瓦斯流量變化，得出以下曲線，見圖4。

圖4　A2煤樣峰后卸壓及二次破壞過(guò)程滲透率變化曲線Fig.4　Permeability change curve of A2 coal sample after stress peak unloading and secondary damage process

由圖4(a)可知煤樣加載至峰值應(yīng)力破壞之后卸載軸向應(yīng)力由15 MPa至1 MPa過(guò)程中其滲透率逐漸增大，增大速率先緩后快，其滲透率比圍壓2 MPa條件下有所降低，原因?yàn)閲鷫涸龃?，使煤樣增密從而減小了其滲透特性，軸向應(yīng)力降低至1MPa后滲透率增加到約0.9 mD，增大了約1.8倍。

由圖4(b)可知當(dāng)A2煤樣軸向應(yīng)力卸載至1 MPa時(shí)開始卸載圍壓由3～1 MPa，在此過(guò)程中煤樣橫向約束力減小，其破壞后產(chǎn)生的裂隙開始擴(kuò)張滲透率呈近似線性增長(zhǎng)，圍壓卸載完成后滲透率增加到約1.15 mD，較卸載之前增大了約1.32倍。

由圖4(c)可知當(dāng)A2煤樣圍壓和軸向應(yīng)力均降為1 MPa后，增大A2煤樣的圍壓至2 MPa，在此過(guò)程中煤樣的破壞裂隙又重新閉合其滲透率呈近似線性減小，圍壓增加1 MPa其滲透率減小了約1.17倍。

由圖4(d)可知當(dāng)A2煤樣圍壓加到2MPa時(shí)開始增大其軸向應(yīng)力，當(dāng)軸向應(yīng)力約為9 MPa時(shí)煤樣發(fā)生二次破壞，A2煤樣初次破壞峰值強(qiáng)度是二次破壞峰值強(qiáng)度的2.33倍。整個(gè)過(guò)程中A2煤樣的滲透率先減小后增大，原因?yàn)樵诔跏技訅簳r(shí)A2煤樣的破壞裂隙發(fā)生閉合致密，滲透率在此階段逐漸減小，當(dāng)加載軸向應(yīng)力約為9 MPa時(shí)，煤樣發(fā)生二次破壞，產(chǎn)生新的裂隙，此時(shí)滲透率又開始增大，整個(gè)過(guò)程滲透率變化趨勢(shì)先減后增近似U型。

對(duì)比圖4(a)可知A2煤樣初次破壞后卸載軸壓時(shí)的滲透率約為0.48 mD，而A2煤樣二次破壞過(guò)程中的滲透率極小值約為0.53 mD，由此可見A2煤樣二次破壞過(guò)程中的滲透率整體要大于初次破壞過(guò)程中的滲透率。

A3煤樣瓦斯壓力為0.7 MPa，圍壓為4 MPa，加載至煤樣破壞后測(cè)定卸載圍壓、軸壓過(guò)程中，以及定圍壓為3 MPa加載軸壓至煤樣發(fā)生二次破壞過(guò)程中的瓦斯流量變化，得出以下曲線，見圖5。

由圖5(a)可知A3煤樣在圍壓為4 MPa的條件下軸向應(yīng)力加載至20 MPa后發(fā)生破壞，在卸載軸向應(yīng)力由20 MPa至1 MPa的過(guò)程中其破壞裂隙逐漸擴(kuò)張，A3煤樣的滲透率逐漸增大，當(dāng)軸向應(yīng)力降為1 MPa時(shí)滲透率增大了約1.3倍。

由圖5(b)可知當(dāng)A3煤樣軸向應(yīng)力卸載到1 MPa時(shí)開始卸載其圍壓由4～1 MPa，在此過(guò)程中A3煤樣破壞后產(chǎn)生的裂隙約束力減小，裂隙略微擴(kuò)張，其滲透率逐漸增大，當(dāng)圍壓降為1MPa時(shí)滲透率增大了約1.25倍。

由圖5(c)可知當(dāng)A3煤樣圍壓和軸向應(yīng)力均降為1 MPa后，增大A3煤樣的圍壓至3 MPa，在此過(guò)程中煤樣的破壞裂隙又重新閉合，瓦斯?jié)B流通道變小，氣體通過(guò)煤樣的滲流阻力增大，其滲透率呈近似線性減小，圍壓增加2 MPa其滲透率減小了約1.22倍。

由圖5(d)可知當(dāng)A3煤樣圍壓加到3 MPa時(shí)開始增大其軸向應(yīng)力，當(dāng)軸向應(yīng)力約為13 MPa時(shí)煤樣發(fā)生二次破壞，A3煤樣初次破壞峰值強(qiáng)度是二次破壞峰值強(qiáng)度的1.76倍。整個(gè)過(guò)程中A3煤樣的滲透率先減小后增大，原因是在初始加壓時(shí)A3煤樣的破壞裂隙發(fā)生閉合致密，滲透率在此階段逐漸減小，當(dāng)加載軸向應(yīng)力約為13 MPa時(shí)，煤樣發(fā)生二次破壞，產(chǎn)生新的裂隙，此時(shí)滲透率又開始增大。

圖5　A3煤樣峰后卸壓及二次破壞過(guò)程滲透率變化曲線Fig.5　Permeability change curve of A3 coal sample after stress peak unloading and secondary damage process

對(duì)比圖5(a)可知A3煤樣初次破壞后卸載軸壓時(shí)的滲透率約為0.64 mD，而A3煤樣二次破壞過(guò)程中的滲透率極小值約為0.62 mD，由此可見，A3煤樣二次破壞過(guò)程中的滲透率整體要大于初次破壞過(guò)程中的滲透率，同A1，A2煤樣二次破壞過(guò)程中與初次破壞的滲透率對(duì)比相一致。

將得到的各煤樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到表1。

表1　煤樣試驗(yàn)結(jié)果Table 1　The result of the coal sample experiment

3　結(jié)論

1)煤樣峰值強(qiáng)度后的滲透率較初始狀態(tài)有所增大，峰值強(qiáng)度后開始卸載圍壓和軸壓由于在此過(guò)程中破壞產(chǎn)生的裂隙失去力的作用，裂隙張開一定程度，其滲透率均增大，其后，給煤樣固定一個(gè)圍壓加載軸壓使煤樣發(fā)生二次破壞，此過(guò)程中煤樣的裂隙先閉合到二次破壞時(shí)出現(xiàn)新的裂隙，滲透率先減后增整體呈U型趨勢(shì)。

2)煤樣發(fā)生二次破壞過(guò)程中的滲透率整體上要大于初次破壞過(guò)程中的滲透率。

3)當(dāng)煤樣應(yīng)力降至1 MPa時(shí)滲透率隨著圍壓的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于圍壓的增大使煤樣圍向約束加大，從而使煤樣中的裂隙通道張開度減小，瓦斯在裂隙中的流動(dòng)阻力增大。

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