全应力-应变条件下煤岩渗透率变化机制实验研究

2021-03-04薛俊华李延河李洪彪袁占栋詹可亮

煤矿安全 2021年2期

薛俊华，李延河，李洪彪，袁占栋，詹可亮

（1.西安科技大学安全学院，陕西西安710054；2.平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南平顶山467000）

煤炭开采深度逐年增加，煤层瓦斯含量逐年升高，针对瓦斯运移、赋存等科学问题的研究迫在眉睫[1]。瓦斯在煤岩体中主要以解吸、渗流、扩散等形式流动，其中游离瓦斯的流动明显受裂隙形态影响，而吸附瓦斯的解吸受基质孔隙变形作用显著[2]。同时伴随着煤矿开采扰动影响和瓦斯抽采深度增加，煤岩渗透特性发生改变，直接影响到煤层中瓦斯抽采效率。因此，开展关于煤岩在动态荷载作用下渗透率的变化特性试验研究，掌握瓦斯流动规律，是瓦斯高效抽采的理论基础[3]。动态荷载扰动作用是影响煤岩中瓦斯运移的关键因素，国内外学者针对外部扰动对瓦斯渗流、解吸变化等已展开一系列的研究。李波波等[4]针对煤岩渗透率的问题，采用降低孔隙压力、升高温度的方法进行实验室实验，得到煤岩渗透率先降低后升高的特点。李建华等[5]基于氮气吸附和压汞试验方法，得到煤岩渗透率随着孔隙压力的增大呈指数型增大。东振等[6]建立了一种动态渗透率变化模型，对比分析了甲烷对煤岩体的基质孔隙收缩作用比氮气强，修正了物理相似模拟试验的误差系数。潘一山等[7]通过电荷信号传输系统，证明了煤岩渗透率随着孔隙压力的增大呈现上升的趋势。综上所述，针对于煤岩渗透率的研究均是基于单轴应变、静态条件下所得到的研究成果，对动态采动荷载条件下煤岩渗透率变化考虑不完善，直接影响试件渗流效果。因此，基于Darcy 定律衍生的稳态测量法进行煤岩在具有围压控制的条件下的渗透性实验。

1 实验方法

1.1 实验准备

实验的原煤取自河南平顶山矿区，实验前选取相对完整的大块原煤，采用自动取心机钻取实验室实验标准试件，并在干燥箱内进行干燥处理，测量其物理参数，选取质地均匀的试件进行渗透性实验。试件物理参数见表1。

表1 试件物理参数Table 1 Physical parameters of the specimen

1.2 实验原理

掌握煤体中瓦斯气体运移规律、提高煤层瓦斯抽放率是矿井安全、高效生产的保障[8]。其中，煤岩的渗透特性是影响煤体中瓦斯气体运移的关键参数之一。目前，国内外学者对煤岩体受扰动作用时渗透特性的研究主要集中在单轴应力与渗流耦合方面，对三轴应力条件下煤岩渗透特性的研究较少。

现阶段，对裂隙岩体渗透特性的试验研究均是在前人实验基础上不断改进，得出更符合实际地质情况的研究结果。最早是由Lomize 在1952 年提出的理想平行板模型[9]，运用物理模拟法进行裂隙岩体渗流实验：

式中：K 为渗透率，10-15m2；n 为等间距平行排列的裂隙数；2b 为裂隙张开度。

实际情况中，岩体的渗流特性随所受荷载的改变发生变化，如受到荷载作用时，裂隙面间距及裂隙渗透特性是沿程变化的，所以很难满足理想平行板假定。

依据岩体受到荷载引起裂隙间距和渗透率大小发生变化的现象，Snow 和Louis 在Lomize 的基础上分别提出了关于岩体裂隙几何模型的渗透率计算方法[10-13]：

式中：K0为初始应力σ0下渗透系数；En为裂隙法向刚度；a 为裂隙间距，mm；σ 为法向应力，MPa；σ0为初始应力，MPa。

Louis 提出的负指数关系式[14]为：

式中：α 为宏观试验系数。

实践表明，单一的水平裂隙很少存在，为了反映天然地质岩体裂隙渗流特性的实际情况，提出了稳态渗流假说，可以较好地描述煤岩体渗透率变化。

实验的渗透流量较小，可认为是层流，符合稳态Darcy 流，且实验过程是在常温下进行，假定实验过程中恒温，由Darcy 定律可知[15]：

式中：q 为流体通过试件的流量大小，cm3/s；μ为流体黏度，Pa·s；A 为试件横截面积，cm2；dp/dx 为作用在试件两端的流体压力梯度，Pa/m。

由于气体受压力作用时，流量将发生变化，直接影响实验的准确性，由波义耳气体定律对式（4）进行修正[16]：

式中：p 为试件内部某截面体压力，Pa；p1为出气口端气体压力，Pa；q 为试件内部某截面气体流量，cm3/s；q1为出气口端气体流量，cm3/s；t 为实验过程总时间，s。

把式（4）代入式（5）可得基于Darcy 定律的稳态测量法计算公式：

式中：p0为大气压力，取0.1 MPa；L 为试件的长度，cm；p2为渗流气体进气口压力，MPa。

由此可知，为了得到渗透率，主要测量的是甲烷气体流量q。

基于Darcy 定律的稳态测量法可以完整的测量研究对象在破碎过程中的渗流规律，且具有实验原理简单、实验过程规范、测试对象具体等优点。

1.3 实验步骤及过程

实验测定煤样在三轴应力条件下的应变、渗透参数，实验装置如图1。

图1 实验装置Fig.1 Experimental apparatus

具体实验过程如下：为保证渗流气体从试件底部至顶端均匀流出，在试件侧面涂上1.5 mm 硅胶层；待试件干燥后，将试件放入压力室，对压力室进行气密性测试及真空处理，确保渗透实验过程测定气体流量的准确性。施加初始围压1.5 MPa、进气口压力1 MPa，开启进气阀门，关闭出气阀门，待煤体吸附稳定后，记录此时的气体压力和气体流量。打开出气阀门，根据实验条件施加稳定的围压及渗流气体进气口压力，轴压的控制方式是位移控制，速率为0.1 mm/min。记录变化过程中的应变、流量参数。实验条件见表2。

表2 实验条件Table 2 Test conditions

2 实验结果

2.1 不同围压条件下的渗流状态

煤矿开采过程中，煤体受采动影响，产生发育程度不同的节理、裂隙瓦斯运移通道，直接引起煤体渗透率的变化。为还原围压扰动对煤体渗透特性影响机理，实验控制温度及进气口压力相同，围压分别为3、6、9 MPa，根据各级围压的流量参数，绘制出渗透率变化曲线，全应力-应变条件下煤岩渗透率变化曲线如图2。

图2 全应力-应变条件下煤岩渗透率变化曲线Fig.2 The permeability curves of coal and rock under the condition of total stress and strain

由图2 可以看出，在温度和气压相同的情况下，控制围压不变，轴压以位移控制的方式增加，煤岩渗透率呈现先下降后升高的趋势。这是由于轴压增大初期，煤岩内部裂隙和孔隙变窄甚至闭合，引起渗透率降低；当轴压超过煤岩最大抗压强度，煤岩破坏，产生大量裂隙和孔隙，引起煤岩渗透率增加。

控制轴压加载速率相同，随着围压的增加，煤岩渗透率呈现下降趋势。这是由于围压的增加，首先导致煤岩中颗粒间裂隙压缩变形，瓦斯通道变窄甚至闭合，其次，随着围压的升高，提升了煤岩的岩性，有效应力增大，导致煤岩中大量节理、裂隙等瓦斯气体流动通道闭合，引起渗透率逐步下降。

2.2 应变与渗透率耦合关系

为了研究煤体应变与渗透特性之间的耦合关系，进行了全应力-应变条件下的煤岩渗透特性实验，控制气压为2 MPa, 围压为3 MPa，轴压以0.1 mm/min 的方式施加，全应力-应变条件下煤岩应变与渗透率关系曲线如图3。

图3 全应力-应变条件下煤岩应变与渗透率关系曲线Fig.3 The relation curves of coal rock strain and permeability under the condition of total stress and strain

从图3 可以看出，煤样轴向应变在应力峰值前呈现线性上升趋势，继续施加轴应力，有效应力降低，应变急剧增加；煤样应变线性增加时，渗透率缓慢增加，而当应变急剧增加时，中间有一小段延迟后，渗透率也处于急剧上升的趋势。两者曲线基本保持一致，说明煤岩渗透率与煤岩损伤具有一定的关系。同时，煤岩的损伤是随时间变化的过程，损伤过程中逐渐产生孔隙、裂隙等流体运移通道，导致煤岩渗透率的变化较煤岩应变发育具有一定的滞后性。为了更加详细的分析煤岩在三轴应力条件下应变发育与渗透率变化之间的关系，在前辈全应力-应变曲线分区的基础上，对全应力-应变条件下煤岩应变与渗透率关系曲线进行分区：微裂隙压密闭合区S1、新生裂隙发育区S2、裂隙充分发育区S3、裂隙闭合区S4。

微裂隙压密闭合区S1：原煤试件属于多孔介质，渗流气体通过原煤内部孔隙、裂隙等通道流动，试验初期，即全应力-应变曲线中应力缓慢增加区，此阶段煤样颗粒间孔隙、裂隙变窄甚至闭合，流体流动通道减少，引起渗透率降低。同时，由图3 可以看出，微裂隙压密闭合区中煤样应变-渗透率曲线转折点在微裂隙压密极限点之后，证明了煤岩渗透率的变化较煤岩应变发育具有一定的滞后性。

新生裂隙发育区S2：全应力-应变曲线中线弹性变形区，此阶段并未改变煤岩的岩性，煤样内部新生少部分孔隙、裂隙等气体流动通道，导致煤样渗透率呈现缓慢增加的趋势。

裂隙充分发育区S3：全应力-应变曲线中屈服破坏区，达到煤岩的峰值强度。在峰值强度之前是裂隙稳定发展阶段，煤岩渗透性增加趋势变化不明显；达到峰值强度之后，煤岩破坏，改变了煤岩的岩性，进入裂隙非稳定发展阶段，煤样内部大量孔隙、裂隙产生，渗透率急剧增大。

裂隙二次压密区S4：全应力-应变曲线中二次破坏压密区，此阶段新生裂隙被二次压密，裂隙增加缓慢，引起煤样渗透率增长率降低。