循环载荷下煤样渗透特性试验研究*

郭军杰，程晓阳

(1.河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191；2.深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合工程实验室，河南理工大学，河南 焦作 454000；3.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500;4.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；)

0　引言

煤体作为多孔介质，具有较强的渗透属性，其渗透性受应力[1-2]、温度[3]、水分[4]等诸多因素的影响，其中应力的影响占主导地位。在采矿工程领域，煤巷掘进进刀、顶板周期来压、地壳活动引起的震动等均使煤体处于循环动载荷作用下。循环载荷的作用引起煤体力学性质裂隙，孔裂隙结构遭到破坏，导致瓦斯涌出不均衡，造成瓦斯超限，甚至煤与瓦斯突出等重大瓦斯动力灾害。

为此，学者们进行了循环载荷下煤岩的渗透率研究。李晓泉等[5-6]选择型煤煤样进行循环载荷试验，结果显示：应力-应变曲线及渗透率变化曲线均形成滞回环，但滞回环倾向相反；许江等[7-9]研究了多种变量循环下煤样的力学及渗透特性；孔茜等[10]、胡大伟等[11]选择砂岩进行循环载荷下的渗透率测试，分别研究了加、卸载阶段渗透率的变化规律；赵宏刚等[12]研究了循环加卸载速率对砂岩渗透特性的影响；李东印等[13]进行了大尺寸煤样的循环加卸载实验，研究发现首次卸载过程中渗透率发生突变，进而可以推断顶板初次来压期间很可能诱发瓦斯异常；孙光中等[14-15]针对构造煤进行了循环载荷渗透率测试，通过分析加卸载阶段渗透率的变化规律，在2阶段分别引入了不同的渗透率变化因子，建立了渗透率动态演化模型。

纵观上述文献，学者们对循环载荷下煤岩渗透率的动态变化进行了具体研究，也取得了诸多有益成果。然而基于煤岩疲劳损伤过程中渗透率变化的复杂性，多数学者仅进行了少量循环加卸载的渗透率测试，对渗透率变化的降低阶段、稳定阶段进行研究，对于煤岩疲劳损伤后期渗透率的变化特征研究较小。鉴于此，本文采用等幅循环加卸载路径，且循环幅值的上限应力值高于弹性极限，加载直至煤样疲劳破坏，研究不同应力水平循环下，煤样在疲劳损伤过程中的渗透率演化过程，为瓦斯抽采及灾害防治提供一定的指导依据。

1　试验过程

1.1　煤样制备及试验设备

本次试验所用煤样来自山西晋煤集团寺河矿的3#无烟煤，其煤质致密、强度高，属硬质煤。将采出的煤块运抵实验室，采用湿式密集钻芯，沿垂直层理的方向加工成标准煤样(φ50 mm×100 mm)，且上、下端面的不平整度小于5%。将制作好的煤样分为A，B，C 3组，每组3个煤样，编号分别为A-1，A-2，A-3，B-1，B-2，B-3，C-1，C-2，C-3。

图1　三轴应力渗流实验系统Fig.1　The triaxial stress seepage experiment system

本试验采用自主研发的三轴应力渗流实验系统，如图1所示。该系统由装置夹持器、围压及轴压控制系统、负压控制系统、数据采集与处理系统以及其他辅助装置等组成。各系统的精密度和先进性为煤样渗透率的测试提供了可靠的基础保障，从而能够实现不同应力、气压、温度、应力路径等多种条件下煤样渗透率的测试。

1.2　试验方案

本试验采用稳态渗流法对不同应力水平循环下煤样的渗透率进行了测试。试验所用气体为瓦斯气体，纯度99.99%，试验瓦斯压力为1 MPa，试验前，保持瓦斯压力恒定，充分吸附24 h，并且为了使煤样尽快达到吸附平衡状态，是试样底部采用真空泵施加负压20 kPa。待煤样吸附平衡后，0.05 MPa/s的应力控制方式加载围压至2 MPa，保持围压恒定，以同样的方式加载轴压至应力上限值，然后以-0.05 MPa/s的速率卸载至下限应力值，此即完成一次循环过程，之后的循环过程重复上述操作，循环加卸载波形示意图如图2所示。

图2　循环加卸载波形示意Fig.2　Schematic diagram of cyclic loading waveform

三轴力学试验结果显示：在2 MPa围压下，煤样的平均峰值强度为53.42 MPa。为了更充分的反映循环载荷下煤样的渗透率演化过程，每组试验进行3次，下限应力均选择为20 MPa，A，B，C 3组煤样的上限应力分别选择为50，45，40 MPa。

2　试验结果分析

2.1　渗透率演化过程

为了分析应力水平对渗透率变化过程的影响，提取了单次循环中上、下限应力对应的渗透率测试结果，如图3、图4、图5分别为不同应力水平循环下渗透率与循环次数的关系曲线。

由图3、图4、图5可以看出：在不同应力水平下，上、下限应力点对应的渗透率变化规律整体呈现“U”型，表现出了明显的阶段性。

1)渗透率降低阶段。该阶段渗透率随着循环次数的增加呈现降低趋势，且渗透率在第一次循环载荷作用下，渗透率下降较为明显，之后渗透率随循环的增加下降速率逐渐降低。对比分析上、下限应力点对应渗透率的变化情况，单次循环中下限应力处的渗透率明显高于上限应力处，究其原因：煤样作为多孔介质，每次循环均引起了煤样内部结构的改变，从而影响煤样的渗透率。

图3　20～50 MPa下煤样渗透率与循环次数关系曲线Fig.3　The relation curves of permeability and cycle number of coal samples under 20-50 MPa

图4　20～45 MPa下煤样渗透率与循环次数关系曲线Fig.4　The relation curves of permeability and cycle number of coal samples under 20-45 MPa

图5　20～40 MPa下煤样渗透率与循环次数关系曲线Fig.5　The relation curves of permeability and cycle number of coal samples under 20-40 MPa

在循环加载阶段，煤样内部的原生及次生孔裂隙闭合，瓦斯气体的渗流通道由于挤压封堵作用而减少，降低了煤样的渗透性。在循环卸载阶段，应力的卸除使得部分弹性变形得以恢复，部分被压缩的孔裂隙再次张开，增加了气体的渗透通道，从而渗透率有所升高。随着循环加卸载次数的增加，煤样逐渐变得密实，其力学性质得到强化，虽然循环载荷对煤样的渗流通道进一步压缩，但其降低速率却在逐渐减缓，并在一定次数的循环加载后趋于稳定。同时，渗透率测试时间因素影响下的流变作用也可能是造成渗透率随循环次数增加而降低的影响因素[66]。

2)渗透率稳定阶段。该阶段单次循环中上、下限应力处煤样的渗透率不发生明显波动，基本趋于稳定状态。原因可能是：前期循环改变了煤样的内部结构，煤样力学性质得到了一定程度强化，相同幅值的循环对煤样产生的损伤量相对降低，虽然循环过程中产生了新的微裂纹，但是其贯通性较差，煤样内部裂纹的闭合和扩展处于相对平衡状态，故而对煤样渗透率的影响较小。该阶段在整个渗透率变化过程中占有的比例最大。

3)渗透率升高阶段。该阶段内渗透率随着循环次数的增加而增加，在该阶段前期渗透率呈缓慢升高趋势，后期渗透率则呈现急剧升高。出现该现象的主要原因在于：在前面2阶段循环应力的作用下，煤样内部的塑性损伤逐步积累到了一定程度，在之后的循环过程中，应力的加载能够使得上一次循环过程产生的微裂纹得到一定程度的汇合、贯通，从而使煤样内部的裂纹得到局部范围的扩展，进而增加了煤样内部气体的渗流通道，渗透率表现为缓慢增加。当局部主裂纹形成后，单次循环对煤样的损伤增大，裂纹的扩展贯通程度进一步升高，故单次循环中渗透率明显升高。

图6　渗透率与循环次数关系拟合曲线Fig.6　The fitting curves between permeability and cycle numbers

对比不同应力水平循环下煤样渗透率变化规律，可以看出：随着应力水平的升高，单次循环对渗透率变化的影响越大，即上、下限应力点的渗透率随循环次数的上升或下降速率与应力水平成正比，并且随着应力水平的升高，渗透率与循环次数的关系曲线有从“U” 型向“V”型发展的趋势。

2.2　定量分析

为了更好的分析循环过程中渗透率与循环次数之间的定量关系，采用模型简化的方法将各阶段渗透率与循环次数之间的关系进行数学拟合，从而深入研究循环过程中渗透率的演化规律。限于论文篇幅，每组实验结果中仅给出一组数据的拟合结果，如图6所示，其他组数据的拟合结果见表1所示。

从图6可以看出：在渗透率降低阶段，无论在上限应力点，还是下限应力点，渗透率随循环次数的降低趋势都符合幂函数关系，拟合曲线可表示为：

y=ax-b

在渗透率的升高阶段，渗透率随循环次数的上升趋势都符合指数函数关系，拟合曲线可表示为：

y=cedx

式中：y为上、下限应力处对应的渗透率值，x为循环次数，a,b,c,d均为拟合常数，且a,c与煤样的自身结构有关，b,d是与应力水平相关的参数。

对比同一煤样的拟合曲线可知：在渗透率降低阶段，下限点拟合曲线中的b值要大于上限点，可见在前期循环中，下限点渗透率的降低速率大于上限点；在渗透率的升高阶段，下限点拟合曲线中的d值同样大于上限点，可见在循环后期，下限点渗透率的上升速率同样大于上限点。

表1　渗透率与循环次数关系拟合结果Table 1　The fitting results between permeabilityand cycle numbers

为了对比分析不同应力水平循环下的渗透率拟合参数，分别将同一应力水平下的拟合参数进行加权平均，绘制成图7所示。

图7　不同应力水平循环下渗透率拟合参数Fig.7　The fitting parameters of permeability under different stress levels

由图7可以看出：随着上限应力水平的升高，上、下限应力点处的拟合参数b值依次增大，可见，在渗透率降低阶段，上、下限应力点处渗透率随循环次数的降低速率与上限应力水平呈正相关；随着上限应力水平的升高，上、下限应力点处的拟合参数d值也表现为依次增大，可见，在渗透率升高阶段，下限应力点处渗透率随循环次数的增高速率也与上限应力水平呈正相关。不同之处在于，在渗透率降低阶段，下限应力点处渗透率的增高速率明显高于上限应力点，而在渗透率升高阶段，两应力点处渗透率的升高速率基本相当。

3　结论

1)在等幅应力循环下，煤样渗透率的变化过程呈现3个阶段，即渗透率降低阶段、渗透率稳定阶段和渗透率升高阶段，整体呈现“U”型，并且随着上限应力的升高，曲线有从“U”型向“V”型发展的趋势。

2)通过对渗透率变化不同阶段进行数学拟合得出：在渗透率的降低阶段，渗透率随循环次数的降低趋势符合幂函数关系；在渗透率升高阶段，渗透率随循环次数的升高趋势符合指数函数关系。

3)从拟合参数可以看出：无论初期循环过程中渗透率随循环次数的降低速率，还是后期循环过程中渗透率随循环次数的升高速率，均与上限应力水平呈正相关。

[1]彭守建，许江，陶云奇，等. 煤样渗透率对有效应力敏感性实验分析[J]. 重庆大学学报，2009，32(3)：303-307.

PENG Shou jian, XU Jiang, TAO Yunqi, et al. Coefficient of sensitiveness between permeability and effective pressure of coal samples[J]. Journal of Chongqing University, 2009, 32(3):303-307.

[2]朱卓慧，冯涛，谢东海，等. 不同应力路径下含瓦斯煤渗透特性的实验研究[J]. 采矿与安全工程学报，2012，29(4)：570-574.

ZHU Zhuohui, FENG Tao, XIE Donghai, et al. Seepage property of coal containing gas under different paths in laboratory[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2012, 29(4):570-574.

[3]陈术源，秦勇，申建，等. 高阶煤渗透率温度应力敏感性试验研究[J]. 煤炭学报，2014，39(9)：1845-1851.

CHEN Shuyuan, QIN Yong, SHEN Jian, et al. Temperature stress sensitivity of high-rank coal permeability[J]. Journal of China coal society, 2014, 39(9):1845-1851.

[4]马飞英，王永清，王林，等. 煤岩中水分含量对渗透率的影响[J]. 岩性油气藏，2013，25(3)：97-101.

MA Feiying, WANG Yongqing, WANG Lin, et al. Influence of moisture content in coal rock on permeability[J]. Lithologic Reservoirs, 2013, 25(3):97-101.

[5]李晓泉，尹光志，蒋长宝，等. 阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响[J]. 重庆大学学报，2012，35(1)：110-116.

LI Xiaoquan, YIN Guangzhi, JIANG Changbao, et al. Effect of outburst coal’s gas seepage properties under stage cyclic loading[J]. Journal of Chongqing University, 2012, 35(1):110-116.

[6]李晓泉，尹光志，蔡波. 循环载荷下突出煤样的变形和渗透特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29(增2)：3498-3504.

LI Xiaoquan, YIN Guangzhi, CAI Bo. Experimental study on deformation and seepage properties of outburst coal samples under cyclic loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(S2):3498-3504.

[7]蔡波. 循环载荷和卸围压下突出煤的力学与渗流特性研究[D]. 重庆：重庆大学，2010.

[8]周婷. 循环载荷作用下含瓦斯煤变形与渗流特性的试验研究[D]. 重庆：重庆大学，2012.

[9]许江，李波波，周婷，等. 循环载荷作用下煤变形及渗透特性的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2014，33(2)：225-234.

XU Jiang, LI Bobo, ZHOU Ting, et al. Experimental study of deformation and seepage characteristics of coal under cyclic loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 37(10):1893-1900.

[10]孔茜，王环玲，徐卫亚. 循环加卸载作用下砂岩孔隙度与渗透率演化规律试验研究[J]. 岩土工程学报，2015，37(10)：1893-1900.

KONG Qian, WANG Huanling, XU Weiya. Experimental study on permeability and porosity evolution of sandstone under cyclic loading and unloading[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(10):1893-1900.

[11]胡大伟，周辉，潘鹏志，等. 砂岩三轴循环加卸载条件下的渗透率研究[J]. 岩土力学，2010，31(9)：2749-2754.

HU Dawei, ZHOU Hui, PAN Peng zhi, et al. Study of permeability of sandstone in triaxial cyclic stress tests[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(9):2749-2754.

[12]赵宏刚，张东明，边光，等. 循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响[J]. 工程科学学报学报，2017，39(1)：133-140.

ZHAO Honggang, ZHANG Dongming, BIAN Guang, et al. Deformation and permeability of sandstone at different cyclic loading-unloading rates[J]. Chinese Journal of Engineering, 2017, 39(1):133-140.

[13]李东印，王文，李华敏，等. 重复加-卸载条件下大尺寸煤样的渗透性研究[J]. 采矿与安全工程学报，2010，27(1)：121-125.

LI Dongyin, WANG Wen, LI Huamin, et al. Research on permeability of large-sized coal sample in loading and unloading test[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2010, 27(1):121-125.

[14]孙光中，荆永滨，张瑞林，等. 轴向应力循环加卸载作用下含瓦斯煤渗透性研究[J]. 岩石力学与工程学报，2016,35(5)：928-938.

SUN Gangzhong, JING Yongbin, ZHANG Ruilin, et al. Permeability of coal samples containing methane under cyclic loading-unloading of axial stresses[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(5):928-938.

[15]孙光中，徐星，田坤云，等. 含瓦斯煤渗透率对轴向循环载荷响应特征的试验研究[J]. 煤矿安全，2016，47(6)：29-32.

SUN Gangzhong, XU Xing, TIAN Kunyun, et al. Experimental research on response characteristics of permeability of coal containing gas on axial cycle loading[J]. Safety of Coal Mines, 2016, 47(6):29-32.