承压水浸湿诱导煤体变形特征规律的实验研究*

张　曦，聂振宇，秦万里，马衍坤

(1.安徽理工大学 能源与安全学院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室， 安徽 淮南 232001 )

数字出版日期： 2017-12-19

0　引言

长期以来水力化措施作为煤矿瓦斯治理的有效手段得到广泛应用，尤其近年来随着我国煤矿瓦斯灾害形势的不断严峻以及治理难度不断加大，水力化措施更是在瓦斯治理中发挥着越来越重要的作用[1-4]。

水力化技术主要包括2类[5]，第一类是“封堵”煤体瓦斯，抑制煤层瓦斯的解吸和运移；第二类是“排放”煤体瓦斯，通过改善煤层的透气性来加大瓦斯的排放量和抽采率，把水作为动力，在煤层中形成槽缝或裂缝，增加瓦斯运移通道。这2类技术措施均在国内的瓦斯矿井中得到广泛应用。

水力化措施主要研究技术工艺提升、煤层裂隙形成以及水分对瓦斯解吸影响等方面，张国华等[6-7]认为注入水封堵了煤中部分孔隙通道，从而延缓了瓦斯放散速度；赵东等[8]针对块状原煤开展了不同注水压力对含瓦斯煤瓦斯解吸影响的实验研究，结果表明瓦斯解吸量随着注水压力的增大而减小，并结合临界孔隙尺度分析了高压注水抑制瓦斯解吸的机理；陈向军等[9]针对颗粒煤开展了高压注水影响瓦斯解吸规律的相关实验研究，结果表明注水实施过程中存在“水置气”效应；聂百胜[10]等采用水蒸气吸附法制取了6种不同水分含量的2类煤样进行瓦斯解吸扩散实验，结果表明煤体在受水作用后甲烷分子的运动受阻，导致解吸量减小， 解吸速度变缓，解吸率降低；马衍坤[11]开展了急倾斜煤层底板水力压裂工业性试验，实测分析了压裂影响区域不同位置处瓦斯含量与水分，得到了瓦斯及水分富集特征。

水力化措施的实施过程中，外部水浸湿煤层必然导致煤体变形，并影响到瓦斯运移，研究外液浸湿和退出过程中煤体的变形，对于外液浸湿诱导煤体变形机理及其对瓦斯运移的影响机理有更深的意义[12-14]。然而，目前针对水侵入煤体变形过程研究还未见报道，因此，本文针对承压水浸湿后煤体的变形特征进行研究，获得不同水压下煤体经历加压吸水-卸压-恢复过程的变形特征。

1　实验原理与方法

1.1　煤样制备

实验煤样采自山西潞安王庄矿，平行层理方向加工钻取为Φ50 mm×50 mm的圆柱形煤体，打磨使煤样上、下表面平行光滑，同时用无水乙醇处理表面的颗粒物，并进行干燥。同时焊接应变片通道，用502胶粘贴至处理好的煤样的轴向侧面中部，驱赶气泡抚平，一次性粘贴完毕待用，同时焊接数据采集通道，用AB胶进行线路固定和防水涂层。

1.2　实验原理

煤体的表面能和承压水的浸湿会导致煤体发生吸水现象，而卸压后吸入的水会产生退出，水的进入和退出会让煤体发生微小的形变，而这种变形量可以通过应变片和智能信号采集仪进行观测和采集，本实验通过煤体表面横纵方向的应变片粘贴来进行形变量的传导和放大，可通过智能信号采集仪进行采集。

1.3　实验方法

该瓦斯吸附实验系统主要包括：1)瓦斯吸附罐体：根据实验用途，应变片、液体槽均设置在罐体内部，可通过罐体壁的数据接口与采集系统连接并传输数据；2)真空泵、抽气泵：进行试验气密性检测和试验中的压力加入；3)智能信号采集分析：用于实时监测实验过程中的应变信息。如图1所示。

图1　试验装置Fig.1　Test apparatus

该实验步骤主要包括：1)检查吸附罐气密性，充气检验，1 h以上无压力降低；2)在液体罐内量取好能够没过煤样的水量；3)倒置液体罐内的水使其自然流入吸附罐，同时用抽气泵充入压力组别分别为：0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5MPa。实验开始通过信号采集仪记录煤体承压水下的横纵变形量，当水吸附平衡应变稳定不变化后卸去压力，采集卸压后平行层理和垂直层理方向的应变。

2　实验结果与讨论

实验结果主要从煤体承压水浸下横-纵变形量的趋势、数值大小，以及体应变进行分析，从承压开始到吸附水后的应变平衡，卸去压力的最终平衡，得出不同承压水下煤体的微观变形规律。

2.1　承压水浸煤体变形规律

实验样品共6组，依次采用压力为0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 MPa，单次加压煤样达到稳定状态持续时间30 h左右，1组数据将近180 h。试验变形曲线主要分别为2个阶段，压力加入至变形稳定阶段，卸压后至变形稳定平衡。

1)煤体变形量特征(横向和纵向的关系)

煤体在不同承压水浸作用下变形量见图2，0 MPa水浸湿作用下，煤体横向纵向变形量均呈现拉伸状态，而受到承压水作用后横向变形量始终是先负后正值，说明加压过程中横向应变先受到了压缩后逐步拉伸，水沿着平行层理进入煤体，但是此过程只是一个缓慢较小的过程就达到了稳定状态，而卸压后横向变形有一个明显的拉伸过程，说明卸压后进入煤体的水渗出使得煤体表层受到拉伸变形，而后有所减小是因为水退出后孔径缩小；而纵向变形量在加压后始终呈现出负值，卸压后纵向的应变急剧增大，说明加压后垂直层理方向受到了挤压作用，卸压恢复使煤体垂直层理方向受到了拉伸作用。

2)不同压力下的变形量分析

承压水加入和卸压的整个过程中，煤体横向的变形量在-200～200 με之间，基本变化差异性较小；而纵向变形量在-3 800～300 με之间，加压水浸后到达稳定变形所需的时间随压力增大逐渐减小，卸压后到达稳定所需的时间是压力越大平衡所需时间越长，横纵变形量均无法恢复到初始状态。

结果说明承压水对于煤体产生的变形基本不可逆，对于纵向变形产生的影响作用较大，而压力越大压缩变形越小，这可能是由于低压下煤样吸附水的能力低，内部产生的膨胀能力远小于水压，因此产生较大的压缩变形，而高压下，煤样吸水多，膨胀能力大，在与水压的抵消作用下，煤样出现小压缩变形。

图2　不同承压水浸作用下变形规律Fig.2　The same pressure relief deformation of coal body with different water pressure

卸压后，不同承压水作用下煤体的横向和纵向变形恢复也不同，说明不同承压水下，煤体的表面能和内部膨胀力以及水压的共同作用导致煤体的变形，而卸压后水压的消失会使得煤体受力平衡发生改变，因而恢复的状态不同，同时水压越大残余变形量越小。不同压力下煤体的具体变形见图3。

图3　不同承压水浸下变形比较Fig.3　Comparison diagram of deformation under different pressure flooding

2.2　不同压力煤体体应变变化规律

由于煤体本身的构造及破碎性程度不同，即使严格控制也无法消除实验结果的离散型，因此每组实验时采取对比煤样的实验方法，挑选构造相同的2块煤样做对比，用实验结果相差不大的平均值作为实验结果，整理出不同压力水浸下应力-应变曲线图(见图4)。其中σ～εz代表应力-纵向应变的关系；σ～εh代表应力-横向应变的关系；σ～εv代表应力-体应变的关系。其中体应变计算方法如下[15]：

εv=εz+2εh=(1-2μ)εz

式中：εv为一体应变；μ为纵横应变比。

表1为不同压力水浸下体应变的极值。

图4　不同承压水浸下体应变曲线Fig.4　Lower body curves of different pressure floods

表1　不同压力水浸下体应变的极值

从表1可以看出，压力增大体应变的最小值呈现递增状态，说明煤体受到压缩的程度和外界水压呈反比，最大体应变变化值不大，煤体受拉伸的状态是有限的。整个过程说明不管煤体压缩还是拉伸是外界水压和煤体膨胀应力共同作用的结果，这对于研究煤体微观状态和瓦斯抽采提供可参考的依据。

从图4可以看出，不同承压水浸湿下，体应变呈现出相似的变形曲线规律，承压浸水后体应变先是一个压缩减小过程，且压力越大变形反而越小，压力越小稳定过程越缓慢，降压后体应变呈现出一个急剧增大膨胀的过程，说明前期缓慢进入煤体内部的水由于压力卸载而溢出最后趋于稳定。

2.3　讨论

1)0 MPa水浸煤体后，煤体横纵变形均为拉伸状态，表明煤体仅受到水吸附的作用，水通过孔隙进入煤体内部，煤体产生微弱膨胀，导致煤体表面横纵应变均呈现拉伸状态。

2)承压水浸湿作用下，煤体受到水压和水吸附的共同作用，低压下煤样吸附水的能力低，内部产生的膨胀能力远小于水压，因此产生较大的压缩变形，而高压下，煤样被迫吸水多，膨胀能力大，在与水压的抵消作用下，煤样出现小压缩变形。

3　结论

1)承压水浸煤体后，横向的变形基本变化不大，而纵向变形和压力之间存在明显的差异性。当达到稳定平衡后，卸压导致了横向应变的短期膨胀，是由于水从煤体内部沿着孔隙内部溢出，当水流出后煤体自身有一个弹性恢复，因此变形达到峰值后又降低最后趋于稳定。

2)纵向变形受压力差异变化较大，随水压的升高，纵向变形量从减小到平稳的过程越来越迅速，且变形量基本小于0，说明纵向煤层一直处于压缩状态。卸压后，纵向变形量逐渐增大，且承压越大，恢复达到稳定的周期越长。

3)体应变总体呈现由压缩到膨胀拉升的状态，说明浸水下压力的增大对于煤体的微观状态结构产生压缩的影响，压缩的大小和浸水压力成反比。

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