水的侵入对煤体应变特征影响试验研究

聂振宇　秦万里

【摘 要】为研究承压状态下水的侵入对煤体表面应力变化影响规律，利用自制的水气共吸煤体应变监测系统，采用应变监测的方法，开展了纯水压和水气共吸两组不同条件下的试验，针对水的侵入对煤体表面应变影响规律进行了研究。结果表明：在纯气压状态下，充气阶段煤表面应力发生瞬间突变，突变值为正；水气共吸状态下，水的侵入使得煤体表面应力突变值为负；纯气压条件下，煤体的应变变化趋势幅度和充气压力成正比；水气共吸条件下，煤体的应变变化趋势幅度和充气压力成反比。煤体的纵向变形比横向变形更加剧烈。

【关键词】煤体变形；应力变化；水的侵入

中图分类号： TD32；TD712 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0149-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.064

0 引言

瓦斯治理一直是煤矿开采面临的主要难题，其中水力化措施在瓦斯治理中有着重要的地位。我国水力化技术作为瓦斯开采的重要增透措施，一般通过两种方法实现：一是向钻孔内注入高压水压裂钻孔，在钻孔周围形成若干宏观裂隙和分支裂隙，为瓦斯的解吸流动提供通道，提高钻孔的抽采范围；另一种是通过高压水射流割缝或冲孔等方式将煤层内部分煤体破碎并经钻孔排出煤层，扩大钻孔的出煤量，使钻孔周围的煤体蠕变运移，降低煤体的地应力，促进煤层内裂隙通道的扩展、连通，提升煤层的渗透性，促进瓦斯解吸流动，提高钻孔瓦斯抽采效果[1]。煤体在承压状态下，外部水的侵入必然导致煤体变形，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[2-4]。

国内外对水对对煤体理化性能的影响进行大量的研究。吴春野采用理论研究方法得出高压注水压致裂后及卸水后水区和气区的孔隙、瓦斯压力和煤体应力解析解[5]。李相臣等通过水饱和煤样气体运移实验明确了两相流体流动行为，获取了气相渗透率、排驱压力和吸附速率等参数[6]。黄炳香等提出煤岩体水力致裂在煤矿中可以应用于坚硬顶板控制、坚硬顶煤的弱化、应力定向转移、局部集中应力解除、强度弱化减冲、含瓦斯煤层增透、煤与瓦斯突出的防治等，并将其在煤矿中的应用进行了分析介绍[7]。田坤云采用二次成型法成功地制作同一煤矿的硬煤和软煤原煤样，并在高水压加载前后使用自行设计的瓦斯渗流试验装置，对两种典型原煤煤样的瓦斯渗透率的变化规律进行研究[8]。吴强等利用水合固化反应与三轴压缩一体化实验装置，对含瓦斯气体及水合物型煤进行常规三轴压缩实验，研究不同围压下两种煤样的力学性质[9]。岳振等在利用“高压水载荷下瓦斯渗流实验装置”成功制取原煤煤样试件的基础上，对煤样试件高压水载荷下的破裂过程及压裂前后的渗透率变化进行了实验研究[10]。

本文针对原煤首先进行了较为系统的物理以及力学特性分析，然后利用自制的煤体应变监测试验系统，采用煤表面应变监测的方法，开展了纯气压和水气共吸两组不同条件下的试验，对煤的表面应力变化进行研究，以期为现场煤样开采以及相关设计提供必要理论支持。

1 试验系统及步骤

1.1 试验制备

试验准备了六个试块，试块柱体采用Φ50mm*50的圆煤体，见图1。所有煤体砂纸打磨，用无水乙醇擦拭表面，除去表面氧化层，待无水乙醇风干后，在煤体的轴向侧面中部位置横向、纵向粘贴一应变片，用来分析煤体在纯气压作用和水气共吸作用下的表面应变值。

采取502胶水将应变片前端区域粘贴在煤体，用AB胶将应变片尾端固定在煤体上，晾至胶体干透后开始试验。

1.2 试验系统及试验步骤

本试验系统主要包括水气填充和应变采集2部分，水气填充仪器包括有：导气管，导水管，压力计，储煤罐体，储水罐体，高压气泵。应变采集部分有DT85G数据采集器，应变片，计算机，连接线路。其中，高压气泵电机电压220V，50Hz，功率1.3Kw，充气流量80L/min，见图2。DT85G数据采集仪采集数据频率为20ms采集一次数据，见图3。

试验步骤：

A、纯气压下作用

（1）将粘有横纵应变片的煤样放入吸附罐中

（2）将煤样上的应变片尾端导线连接到数据采集仪

（3）开启数据采集仪监测数据待平稳后，开启气泵

（4）当煤体表面应变达到持续稳定，关闭气泵和数据采集仪

（5）重复上述步骤，开展不同压力下多组实验

B、水气共吸下作用

（1）将粘有横纵应变片的煤样放入吸附罐中

（2）将煤样上的应变片尾端导线连接到数据采集仪

（3）开启数据采集仪监测数据待平稳后，开启气泵，将储水罐内水加入吸附罐

（4）当煤体表面应变达到持续稳定，关闭气泵和数据采集仪

（5）重复上述步驟，开展不同压力下多组实验

2 试验结果与讨论

分析试验中煤体应变的数据，得到其中较为典型的煤体应变–时间曲线，见图5，由图可以看出：

（1）在纯气压状态下，充气阶段应力发生瞬间突变，突变值为正，这一数值在应力变化达到稳定时保持不变，应力变化与气压值成正比；由于气压的作用，煤体的内部膨胀变形大于外部气体造成的压缩变形，高压下这一趋势更加明显；纵向变化趋势比横向趋势大。

（2）在水气共吸状态下，充气阶段应力发生瞬间突变，突变值为负，应变值受水和气压的共同影响，尤其是纵向变化趋势较大，变化趋势幅度和充气压力成反比。

3 结论

（1）构建了煤体在纯气压条件下和水气共吸条件下煤体应力监测试验系统，开展采用煤体应变监测的方法，开展纯气压下和水气共吸不同条件下煤体变形的试验，针对水的侵入对煤体应变特征进行研究试验，发现在纯气压状态下，充气阶段煤体表面应力发生瞬间突变，突变值为正，水的作用使得煤体表面应变值呈现负增长状态。

图5 煤体应变-时间曲线

（2）纯气压作用下，煤体的内部膨胀变形大于外部气体造成的压缩变形，高压下这一趋势更加明显，且煤体纵向变化趋势较大，变化趋势幅度和充气压力成正比；纵向变化趋势比横向趋势大。在水气共吸状态下，充气阶段应力发生瞬间突变，突变值为负，应变值受水和气压的共同影响，尤其是纵向变化趋势较大，变化趋势幅度和充气压力成反比。

【参考文献】

[1]袁亮，林柏泉，杨威.我国煤矿水力化技术瓦斯治理研究进展及发展方向[J].煤炭科学技术，2015，43（01）：45-49.

[2]贾立锋，孙维吉，梁冰，赵航，姜云. 应力-渗流作用下煤体变形特性试验研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（3）： 115-119.

[3]袁欣鹏，梁冰，孙维吉，张秀平.卸压煤层瓦斯抽采渗透率演化模型研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（2）：127-131.

[4]HosseinNowamooz，Emad Jahangir，FarimahMasrouri，Jean-Paul Tisot. Effective stress in swelling soils during wetting drying cycles[J]. Engineering Geology.2016 ，（210），33–44.

[5]吴春野，殷志祥，唐治. 煤层水压致裂后煤岩应力解析[J].煤田地质与勘探，2016，44（4）：114-118.

[6]李相臣，康毅力，周來诚，战丽颖.水饱和煤岩储层甲烷运移动态特征[J].石油学报，2015，36（07）：876-881.

[7]黄炳香，程庆迎，刘长友，魏民涛，付军辉等.煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框架[J].采矿与安全工程学报，2011，28（2）：168-173.

[8]田坤云等高水压载荷下软硬原煤瓦斯渗流试验研究[J].安全与环境工程，2014，21（6）：161-165.

[9]吴强，刘文新，高霞，高橙等.不同围压下含瓦斯气体及水合物煤体的力学性质[J].黑龙江科技大学学报2016，26（2）128-121.

[10]岳振，李丹，唐永久，等.高压水载荷下松软煤体的破裂过程及瓦斯渗流特性实验研究[J].现代矿业2014，11（11）11-13.