不同瓦斯压力和孔隙率的原煤电阻率和渗透率变化规律研究*

林　峰，荣浩宇

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控安徽省重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

数字出版日期： 2017-04-21

0　引言

近年来，随着开采深度加深，煤岩动力灾害日益严重[1-2]，电阻率作为灾害发生过程中一个重要的力学响应参数，渗透率作为煤矿瓦斯防治领域的重要参数[3]，学者们对煤岩的电阻率和渗透率展开了深入的研究。孟磊[4]对构造煤进行单轴压缩试验，认为型煤的电阻率变化规律与煤体变质程度有关；陈鹏[5]研究了煤体不同层理方向电阻率，得到煤体电阻率各向异性的特征；王恩元[6]通过对受载煤体全应力应变过程电阻率进行实时监测，认为电阻率变化规律可以作为前兆信息，以反映煤体失稳破坏前的扩容突变现象；朱亚飞等[7-8]对含瓦斯煤与不含瓦斯煤单轴压缩过程电阻率变化进行对比，发现含瓦斯煤与不含瓦斯煤电阻率均呈现先减小后增大的规律；康天慧等[9-10]通过对煤体的吸附解吸实验，分析了煤体电阻率随瓦斯含量的变化规律；张朝鹏等[11-15]通过大量实验研究了煤样渗透率与瓦斯压力、温度和含水量等因素的关系。

上述学者主要对煤体的电阻率和渗透率单独研究，而对二者之间在加载过程中的对应关系研究尚不清楚，电阻率的变化规律反映了煤岩破坏的过程，渗透率是反映高瓦斯矿井安全性的一个重要参数，研究电阻率和渗透率变化规律及对应关系，从而通过监测电阻率的变化规律同时反映煤体受力情况以及渗透率的变化规律。瓦斯压力和孔隙率是影响煤体电阻率和渗透率的2个主要因素。基于此，本文以淮南矿区谢一矿51采区C15煤层煤体为研究对象，测量三轴压缩过程中不同瓦斯压力和孔隙率下原煤的电阻率和渗透率变化规律及对应关系，为矿井瓦斯渗流监测提供一种安全高效的新方法，以期对提高瓦斯抽采率及治理瓦斯突出具有积极意义。

1　实验

1.1　试样制备

试验煤样取自淮南矿区谢一矿51采区C15煤层，C15煤层采深超过600 m,处于高采动应力环境，平均煤厚1.0 m，煤层瓦斯压力、瓦斯含量均较低，P=0.57 MPa，W=6 m3/t，但煤岩巷道掘进过程中，常发生喷孔事故，主要是煤层透气性减弱瓦斯积聚而导致。

考虑煤体物理力学性质具有各向异性的特征，在现场选取块度大、未风化、完整性好的煤块，运回实验室烘干，加工成尺寸φ50 mm × 100 mm的标准原煤试件。

1.2　实验系统

实验系统由加载系统、渗流系统、电阻率测试系统组成，采用MTS-816试验机、气渗透系统、电阻仪改装而成，如图1所示，该系统可以进行不同瓦斯压力下的煤样三轴压缩渗透试验，加载系统改变围压和轴压，渗流系统改变瓦斯压力并测量气体流量，电阻率测试系统记录煤样电阻率。

1.3　实验步骤

1)将加工的原煤试件，抽真空称得煤样干质量md，浸泡在水中称出饱水质量ms，试件孔隙率ω可用式(1)表示，其中ρL为水的密度，取1×103kg/m3，V为试件体积：

(1)

2)将试件烘干，选取孔隙率相近的试件1组，分4组，每组5个试件，一共20个试件，进行编号，如表1所示。

表1　试件编号

3)在室温环境下，围压设为8 MPa，瓦斯压力分别为0.5,1.0,1.5,2.5和4.0 MPa条件下对每组试件进行三轴渗流试验，采用位移控制，加载速率为0.02 mm/min，记录下电阻率变化情况以及通过试件的瓦斯流量，用式(2)计算煤样的瓦斯渗透率K：

(2)

式中：Q0为渗透量，cm3·s-1；P0为测点大气压力， MPa；μ为气体黏性系数，取 10.8×10-6Pa·s；P1为进口气体压力，Pa；P2为出口气体压力，Pa；A为试样的横截面积，cm2；L为试件长度，cm。

2　试验结果及分析

2.1　煤样不同孔隙率和瓦斯压力下的电阻率试验结果分析

2.1.1电阻率随瓦斯压力的变化规律

如图2所示是最小电阻率随瓦斯压力的变化曲线。相同孔隙率下最小电阻率随瓦斯压力的升高先增大后减小，拐点处为1.0 MPa。瓦斯压力对最小电阻率的影响可分为3个阶段，瓦斯压力小于1.0 MPa时，最小电阻率随瓦斯压力的升高而增加；瓦斯压力大于1.0 MPa小于2.5 MPa时，最小电阻率随瓦斯压力的升高而减小；瓦斯压力大于2.5 MPa时，最小电阻率随瓦斯压力的升高缓慢减小，瓦斯压力4.0 MPa时达到最小，瓦斯压力1.0 MPa时达到最大。

图2　最小电阻率-瓦斯压力曲线Fig.2　Minimum resistivity-gas pressure curves

2.1.2电阻率随孔隙率的变化规律

如图3所示是最小电阻率随孔隙率的变化曲线。瓦斯压力相同时，最小电阻率随孔隙率的增大而增大；孔隙率对最小电阻率的影响可分为2个阶段：孔隙率小于9.5%时，最小电阻率随孔隙率增加缓慢，孔隙率大于9.5%时，最小电阻率的增加趋势相对显著；瓦斯压力4.0 MPa时，最小电阻率随孔隙率增加幅度最小，且当孔隙率为8.8%时最小电阻率为最小值113 kΩ·m；瓦斯压力1.0 MPa时，最小电阻率随孔隙率增加幅度最大，且当孔隙率为11.2%时最小电阻率为最大值209 kΩ·m。

图3　最小电阻率-孔隙率曲线Fig.3　Minimum resistivity-factor of porosity curves

2.2　煤样不同孔隙率和瓦斯压力下的渗透率试验结果分析

2.2.1渗透率随瓦斯压力的变化规律

如图4所示是最小渗透率随瓦斯压力的变化曲线。相同孔隙率下，最小渗透率随瓦斯压力的升高先增大后减小，拐点处为1.0 MPa。瓦斯压力对最小渗透率的影响可分为3个阶段：瓦斯压力小于1.0 MPa时，最小渗透率随瓦斯压力的升高大幅度增加，孔隙率越大增加幅度越大；瓦斯压力大于1.0 MPa小于2.5 MPa时，最小渗透率随瓦斯压力的升高急剧减小；瓦斯压力大于2.5 MPa时，最小渗透率随瓦斯压力的升高缓慢减小；孔隙率越大，下降幅度越大；瓦斯压力4.0 MPa时，最小渗透率近似为0；瓦斯压力为1.0 MPa时最小渗透率达到最大；瓦斯压力1.0 MPa，孔隙率11%～12%时，最小渗透率最大值为65 nm2。

图4　最小渗透率-瓦斯压力曲线Fig.4　Minimum permeability-gas pressure curves

如图5所示是最小渗透率随孔隙率的变化曲线。瓦斯压力相同时，最小渗透率随孔隙率的增大而增大，其中瓦斯压力为2.5 MPa和4.0 MPa时，最小渗透率随孔隙率的增大发生微小的增大并且瓦斯压力为4 MPa时，最小渗透率近似于0；瓦斯压力小于2.5 MPa时，孔隙率对最小渗透率的影响可分为2个阶段：孔隙率小于9.5%时，最小电阻率随孔隙率增加缓慢，孔隙率大于9.5%时，最小电阻率的增加趋势相对显著；瓦斯压力为1.0 MPa时，最小渗透率随孔隙率的增加幅度最大；孔隙率11.2%，瓦斯压力1.0 MPa时，最小渗透率为最大值65 nm2。

图5　最小渗透率-孔隙率曲线Fig.5　Minimum permeability-factor of porosity curves

2.3　全应力应变过程电阻率和渗透率变化规律

为了便于研究全应力应变过程电阻率和渗透率的变化规律，引入参数λ和μ分别表示渗透率和电阻率的变化幅度：

λ=k/k0,μ=ρ/ρ0

式中:ρ0表示初始电阻率;k0表示初始渗透率。

根据全应力应变过程电阻率和渗透率的变化曲线结果分析可得，试件的电阻率和渗透率都呈随着轴向应变的增大先减小后增大的规律。 考虑到篇幅有限，取A1试件全应力应变过程电阻率和渗透率变化幅度比曲线作具体分析。如图6所示，A1试件电阻率和渗透率变化整体呈现快速下降-平缓下降-突变上升-加速上升的规律，λ和μ初始值为1，加载初期电阻率和渗透率下降迅速，之后下降速率减缓，拐点处λ和μ达到最小，λ最小为0.59，μ最小为0.28，μ对应拐点滞后于λ对应拐点，拐点后突然升高并继续保持快速升高的趋势；煤样加载过程中渗透率和电阻率的演化具有明显的阶段性，与变形破坏各阶段相对应，分别对应着压密阶段-弹性阶段-塑性阶段-破坏阶段。

图6　A1试件全应力应变过程变化幅度比曲线Fig.6　Variation amplitude ratio curve of tensile strain process of A1 specimen

从以上试验结果可以看出，在三轴加载过程中，不同孔隙率和瓦斯压力下的电阻率和渗透率的变化规律基本保持一致；电阻率和渗透率与孔隙率、瓦斯压力的关系也基本一致。

3　电阻率、渗透率变化机制分析

3.1　瓦斯压力、孔隙率对电阻率、渗透率的影响机制分析

从微观角度来看，电阻率和渗透率的大小主要取决于煤体裂隙孔隙的发育程度。瓦斯压力相同时，孔隙率越大，瓦斯流动通道越畅通，渗透率越大，孔隙率越大，电阻率也越大。孔隙率相同时，瓦斯压力较小时(本文小于1.0 MPa时)，瓦斯气体将煤体裂隙孔隙撑开，煤体骨架受到压缩，瓦斯流动通道拓宽，渗透率随瓦斯压力的增大而增大，同样电阻率也增大。瓦斯压力较大时(本文大于1.0 MPa时)，瓦斯压力的增大使得煤体内部的碎粒发生脱落，裂隙通道发生崩落，导致瓦斯流动通道堵塞，煤体的渗透率和电阻率变小。

3.2　全应力应变过程电阻率、渗透率的变化机制分析

全应力应变过程电阻率和渗透率变化幅度比曲线恰好对应应力应变过程的压密阶段-弹性阶段-塑性阶段-破坏阶段。压密阶段，煤样原生裂隙孔隙被压密闭合，电阻率、渗透率减小，减小幅度较大；弹性阶段，煤体进一步被压缩，孔隙裂隙在弹性阶段结束时被压缩到最小，电阻率、渗透率减小，减小幅度较小；塑性阶段，试件由体积压缩转为扩容，煤体微破裂扩张，电阻率、渗透率急剧增大，瓦斯吸附在新生裂隙孔隙上导致渗透率拐点滞后电阻率拐点的现象；破坏阶段，煤体进一步破裂，电阻率、渗透率继续增大。

4　结论

1)从试验结果分析可知，电阻率、渗透率随瓦斯压力、渗透率的变化规律具有一致性。瓦斯压力相同时，电阻率和渗透率随孔隙率的增大而增大；孔隙率相同时，最小电阻率、渗透率随瓦斯压力的增大先增大后减小。

2)全应力应变过程，电阻率-应变曲线和渗透率-应变曲线具有很好的对应关系，都随着轴应变的增大先减小后增大；渗透率拐点滞后于电阻率拐点。

3)从机制分析可知，瓦斯压力和孔隙率的不同直接影响了孔隙的连接贯通，不同加载阶段裂隙的扩展发育情况不同，从而导致了电阻率和渗透率的改变。

4)可以通过监测电阻率的变化预测渗透率的变化，为渗透率的监测提供一种新的方法，同时电阻率也可以反映煤体应力变化情况，保证了含瓦斯煤的安全高效开采。

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