含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究*

赵华天

(太原理工大学矿业工程学院)



含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究*

赵华天

(太原理工大学矿业工程学院)

采动裂隙场瓦斯流动是实现深部煤与瓦斯共采的基础。采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置，对平朔井工一矿14106工作面煤层进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。结果表明：常规三轴不同瓦斯压力条件下，全应力-应变曲线分为4个阶段：初始压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大，最后趋于稳定；煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势，而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线也主要表现为4个阶段。随围压值增大，三轴抗压强度呈线性增加趋势；在相同轴向载荷作用下，煤样所受围压越大，渗透率就越小。从不同围压条件下轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出，渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高，煤样的峰值强度随着围压升高而增大。

采动裂隙场 渗透率 瓦斯压力 围压

在煤炭开采进程中，矿井瓦斯涌出对煤矿安全生产的威胁是极大的，伴随着我国矿井开采煤层深度的进一步延伸，所采煤层的瓦斯总含量也会随之增大，使得我国矿井回采工作面更易发生瓦斯涌出等各种动力灾害事故。研究采动条件下相应煤层的煤岩力学特性及煤层各采空区瓦斯的涌出、运移规律，寻找更加科学、安全、高效的瓦斯抽采方法，为相适应的工程技术条件提供理论支持是非常必要的。聂百胜、何学秋[1-2]等研究了一般性气体在具有多孔属性介质中的扩散方式和扩散特性，并对照研究了瓦斯在煤层孔隙中的扩散方式和扩散特性。孙培德[3]指出煤层中所含瓦斯的流动是一种可压缩性流体的渗透扩散，然而流通介质是非均质并且各向异性的裂隙、孔隙双重介质，这种认识是以瓦斯地质的新观点来指导的，并且第一次建立了可压缩性瓦斯在煤层裂隙、空隙内流动的偏微分方程式。许江等[4]对煤岩在三轴应力状态下的强度特性及变形特性进行了研究，提出可以运用有效应力来描述煤岩力学参数受瓦斯压力的影响程度。尹光志等[5]通过实验，分析了原煤煤样和型煤煤样的抗压强度以及变形特性。M.C.He等[6]研究了石灰岩在真三轴条件下的破坏过程，以及用声发射研究其破坏特性。G.Wu等[7]提出了扰动状态的概念，并在此概念下研究了岩体卸荷的破坏特性。赵洪宝、尹光志等[8-10]研究了含瓦斯煤的单轴压缩力学试验，试验表现出了明显的阶段性，含瓦斯煤的强度减小，脆性增大；在含瓦斯煤三轴蠕变特性试验研究的基础上分析了塑性本构关系。王登科、尹光志等[11-16]进行了原煤和型煤的力学变形特性和抗压强度试验，对比了两种含瓦斯煤样的变形特性和抗压强度，得出原煤和型煤的变形特性和抗压强度的变化是一致的，建立了含瓦斯煤的三轴压缩条件下的本构损伤模型，运用了非关联塑性流动法则，建立了反映含瓦斯煤的耦合弹性塑性损伤本构模型，并建立了三轴压缩条件下含瓦斯煤的黏性、弹塑性蠕变模型。尹光志等[17]研究了较脆煤岩在加卸载应力途径下的变形特性以及煤岩体的变形失去稳定相关理论，并对比分析了含瓦斯原煤和含瓦斯型煤的峰值强度和变形特性，指出型煤和原煤在峰值强度和变形特性上有相同的规律，只是在数值上有显著的差异。煤层在开采以后，应力场会发生变化并且重新分布，而煤层中的瓦斯压力场也会随之发生变化。含瓦斯煤在各种应力条件下会对煤层当中的瓦斯流动起到抑制或促进的作用，对含瓦斯煤的力学特性及渗流规律的研究有着重要作用。本文以山西平朔井工一矿14106工作面回采面处煤层为研究对象，进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。为找寻更加科学、安全、高效的瓦斯抽采方法及相适应的工程技术条件，提供理论支持。

1 试验设备及试验方法

1.1 煤样的采集与制备

本次试验煤样全部取自山西平朔井工一矿14106回采面，煤块尺寸长宽均大于300 mm，高大于100 mm。为了避免运输过程中对煤样损坏，取样后用塑料膜包起来，装箱运到太原理工大学采矿楼力学实验室，在实验室中按照有关规定，取粒径为60～80目的煤粉颗粒制成直径与长度为1∶2的标准型煤(φ50 mm)，很多学者认为型煤和原煤的特征相差较大，但是在物理特性上相似度高，因此用型煤代替原煤,研究煤的力学特性和渗流规律是可行的。

1.2 试验仪器

采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置。该装置由加载框架、伺服液压缸、三轴室、试件安装升降机构、伺服液压站、测量单元、计算机软件、伺服控制单元等组成。如图1所示。

图1 电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置

1.3 试验方案

(1)不同瓦斯压力下煤样的常规三轴全应力-应变渗流试验。首先施加围压，再施加轴压，最后使轴压和围压都到达预定值σ1=σ2(σ3)=2 MPa，然后以不同瓦斯压力(p=0.5，1.0，1.5 MPa)、浓度为99.9%的甲烷进行6 h吸附，待达到饱和时，保持围压定值，将轴向压力以0.02 kN/s加载速度连续加载，直至煤样破坏后停止加压，同时在连续加载过程中进行煤样瓦斯渗流试验。

(2)不同围压条件下煤样的常规三轴全应力-应变渗流试验。首先施加围压，再施加轴压，最后使轴压和围压都到达预定值σ1=σ2(σ3)=(2，4，6 MPa)，然后以瓦斯压力1 MPa，浓度为99.9%的甲烷6 h吸附，待达到饱和时，保持围压定值，将轴向压力以0.02 kN/s加载速度连续加载，直至煤样破坏后停止加压，同时在连续加载过程中进行煤样瓦斯渗流试验。

2 试验结果分析

2.1 不同瓦斯压力煤体全应力-应变渗流试验

应力-应变曲线反应含瓦斯煤在径向压力和轴向压力过程中煤样变形的特性，其中ε1为轴向应变，ε2为径向应变，εν为体积应变，εν=ε1+2ε3，σ1-σ2为偏应力。

图2 常规三轴不同瓦斯压力下含瓦斯煤的偏应力-应变曲线

如图2所示，含瓦斯煤的应力-应变曲线表明：在瓦斯压力增大的过程中，煤样的抗压强度呈减小的趋势，并且应力-应变曲线为非线性关系。随着偏应力的增大，煤样的轴向应变、径向应变增大，而体积应变先减小后增大。 煤样的常规三轴压缩试验分为4个阶段：初始压密阶段，由于含瓦斯型煤内部孔隙和裂隙结构较多，在偏应力的作用下，内部的孔隙和裂隙结构逐渐压密闭合，应力-应变曲线呈现向上凸起的形态，型煤的轴向应变和径向应变同时增大，体积被压缩，形成非线性曲线阶段；弹性阶段，型煤中的原有裂隙和孔隙结构被压实闭合，最新的裂隙和孔隙未产生，煤样的应力-应变关系服从胡克定律，煤样的轴向应变和径向应变仍然增大，体积应变减小到一定值后开始增大；屈服阶段，煤样的应力-应变曲线增长幅度减小，这是因为轴向压力继续增大时，煤样内部产生新的裂隙和裂纹，使煤的强度降低，径向应变和体积应变增大的幅度变大，煤样出现扩容现象；破坏阶段，轴向应力迅速减小，煤样内部裂隙大幅度增加，裂隙之间相互交叉联合形成宏观断裂面，轴向应变与偏应力、径向应变、体积应变曲线均呈现向下的形态，偏应力下降到一定值后呈现稳定趋势，说明煤样受到围压约束的作用，破坏后的煤样裂隙之间还有一定力的作用，提供了一定的承载力。

从图3可以看出，不同瓦斯压力下，应变与渗透率曲线大致呈现“U”型。随着偏应力的增加，渗透率先减小后增大；在破坏阶段，煤样的渗透率急剧增加到一定值后趋于平稳。随着瓦斯压力的增加，型煤的渗透率基本呈现增大的趋势，瓦斯压力1.5 MPa的渗透率大于1 MPa的渗透率，但是由于Klinkenberg效应,瓦斯压力为0.5 MPa的渗透率仍大于1 MPa的渗透率。当瓦斯压力增大时，煤样的吸附量增大，煤样中的颗粒吸附过多的瓦斯后发生膨胀，使煤样原来的孔隙率变小，煤样的渗透率降低。从图3中可以看出,瓦斯压力为1.5 MPa的渗透率大于0.5 MPa的渗透率,这是由于当瓦斯压力达到一定值后，气体充满了煤样的微孔结构，随着瓦斯压力的继续增大，气体在微孔中产生张力，促使煤层中裂隙进一步产生，随后气体分子进入裂隙使其进一步扩张，煤层中内部颗粒的黏结力降低，使煤样的渗透率升高。

图3 不同瓦斯压力含瓦斯煤样渗透率-应变曲线

2.2 不同围压煤岩全应力-应变瓦斯渗流试验

当围压为2 MPa时，含瓦斯煤的三轴抗压强度为19.4 MPa；围压增至4 MPa时，该值增大了1.23倍，提高到23.907 MPa；当围压6 MPa时，其三轴抗压强度又增加1.23倍，升至29.5 MPa。由此可见，在含瓦斯型煤中，围压增大，煤样抗压强度随之增大。因此围压可以促使煤样承受破坏的能力发展，从以上数据可看出，围压每增加1 MPa，煤样的三轴抗压强度平均提高了2.5 MPa。

图4 常规三轴不同围压下含瓦斯煤的偏应力-应变曲线

图4中不同围压条件下含瓦斯煤的应力-应变曲线表明：含瓦斯煤的抗压强度随着围压的增大逐渐增大，应力-应变曲线为非线性关系。偏应力逐渐增加，煤样的轴向应变、径向应变也增大，而体积应变先减小后再增大。煤样的常规三轴压缩试验分为4个阶段：压密阶段，型煤内部孔隙和裂隙多，在压密阶段煤样内部的孔隙和裂隙逐渐被压密闭合，煤样的弹性模量逐渐增大，应力-应变曲线为向上凸起的形态，煤样的轴向应变和径向应变增大，体积被压缩，体积应变为正，形成了曲线早期的非线性阶段；弹性阶段，煤样的应力-应变关系服从胡克定律，因为型煤中原有的裂隙和孔隙被压实闭合，最新的裂隙和孔隙没有产生，煤样的轴向应变、径向应变继续增大，体积应变减小到一定值后开始增大，煤样的弹性模量值不变；屈服阶段，煤样的应力-应变曲线增长幅度减小，这是因为煤样内部随着轴向压力增大受到损伤，产生新的裂隙和裂纹，使煤的强度降低，径向应变和体积应变增大的幅度较大，煤样出现扩容的现象；破坏阶段，轴向应力迅速减小，煤样内部裂隙迅速发展，这些裂隙相互交叉联合形成宏观断裂面。偏应力与轴向应变、径向应变、体积应变曲线均为下沉的形态。

图5 不同围压含瓦斯煤样渗透率-应变曲线

从图5可以看出，不同围压条件下含瓦斯煤的渗透率-应变曲线呈现U型，即煤样的渗透率随着轴向应变先减小后增大。在煤样压密和弹性变形阶段，孔裂隙逐渐闭合，煤样中的颗粒被进一步挤压，导致其中的孔裂隙进一步减小，随着轴向应力的增加，煤样的渗透率减小，渗透率屈服强度值和峰值强度之间达到最小值；在屈服阶段煤的颗粒受到力的作用，强度逐渐减小而产生了塑性变形，煤样中的原始裂隙进一步扩大，所以渗透率逐渐增大；在应变软化阶段，轴向应力和轴向应变都到了最大，扩大的裂隙相互贯通产生了新的裂隙，使瓦斯的渗透率急剧增大。从图中可以看出，围压越大渗透率也就越小，这是因为随着围压的增大，煤体内部的瓦斯流动通道变窄，瓦斯流动困难；围压越小，煤样受到相同的轴向应力时径向变形也会越大，瓦斯通道变宽，渗透率增大。

3 结 论

(1)常规三轴不同瓦斯压力条件下，全应力-应变曲线分为4个阶段：压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。压密阶段煤样内部孔隙和裂隙被压实闭合；屈服阶段煤样产生新的裂纹；破坏阶段煤样内部结构遭到破坏。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大，最后趋于稳定。煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势，而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。

(2)常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线主要表现为4个阶段：三轴抗压强度随围压值增大呈线性增加；在相同轴向载荷作用下，煤样所受围压越大，渗透率就越小。从不同围压条件下，轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出，渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高，煤样的峰值强度随着围压升高而增大。

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Test on the Mechanical Characteristics and Seepage Laws of the Gas-containing Coal Seam

Zhao Huatian

(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology)

Gas flow Ming-induced fractures filed is the basis for deep mining of coal seam and gas.The test of the mechanical characteristics and seepage laws of the Pingshuo 14106 gas-containing working face is conducted by using the WYS-800 computer controlled servo triaxial gas seepage test apparatus.The results show that under different gas pressure conditions of conventional triaxial,the full stress-strain curve can be divided into four stages,including compaction stage,linear elastic stage,yield stage and failure stage.the permeability of coal samples is decreased firstly,and then it is increased stability with axial strain,the partial stress-strain and permeability-strain curves of coal samples are presented with the opposite trends,the increase of permeability is less after the destruction of the conventional triaxial compressing coal samples.The stress-strain curve of conventional triaxial under different confining pressures conditions can also be divided into for stages.With the increasing of the confining pressure,the triaxial compressive strength is increased linearly;under the action of the same axial loading,the greater confining pressure is,the lower permeability is.The axial stress-axial strain and permeability-axial strain curves under different confining pressures show that,the permeability is decreased firstly and then increased with increasing of axial strain,the peak strength of coal samples is increased with the increasing of confining pressure.

Minig-induced fractures field,Permeability,Gas pressure,Confining pressure

*山西省研究生教育创新资助项目(编号：02100757)。

2016-09-07)

赵华天(1989—),男，硕士研究生，030024 山西省太原市太原理工大学虎峪校区。