破碎煤岩样压实特性及渗透率演化实验

孙中光

（1、瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037 2、中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039 3、重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044）

煤岩渗透性试制流体在煤体中流动的难易程度，主要受矿井开采过程中煤岩体结构动态变化影响而表现出复杂的特征，特别是采空区的渗透率在很大程度上影响着煤矿工作面通风条件、采空区瓦斯排放甚至采空区煤炭自燃[1-3]，因此，有必要深入研究煤样渗透率演化特征及其对于促进煤矿瓦斯抽采效率、控制矿区地表沉降和预防煤炭自燃方面的工程作用和理论意义。

在煤岩的渗透性的理论研究方面，Chu[4]、余明高[5]等通过实验研究了压实破碎煤渗透性演化规律，得出：煤样的渗透率均随孔隙压力的增大呈现出降低趋势，且存在一个轴压的临界值（9.0 MPa左右）；不同瓦斯压力、围压和轴压均与煤样渗透率均呈指数函数关系，且敏感度由大至小依次为：瓦斯压力、围压、轴压，并提出通过降低小颗粒煤样占或固化小颗粒，将有利于降低煤体孔隙度和渗透率、防止煤体自热的措施；Sun 等[6]通过实验研究了突出煤层中软煤和硬煤的吸附解吸规律及其对突出预测指标敏感性的影响。在工程应用方面，梁运涛等[7]建立了煤矿工作面与采空区统一流场的数学模型，并模拟分析了采场区域孔隙率和漏风场分布规律；闫帅[8]等采用电阻率频散实验测量研究方法分析出地层条件下有机质页岩极化率与黄铁矿含量、渗透率和孔隙率等的关系；王晶等[9]结合采用现场测、相似模拟和数值模拟研究了保护层开采前后被保护层裂隙发育与渗透特征，得出保护层开采可以达到卸压增透的效果；鞠金峰[10]等开展了铁/钙质化学沉淀对采动裂隙的修复降渗特性试验，拓展了煤岩渗透性研究的应用范围；郭慧[11]对钻孔周围煤体的应力分布、体积应变、瓦斯运移以及孔隙率进行了数值模拟验证。

现有研究主要集中为破碎岩体的压实特性及水体的渗流特征，而对于破碎煤体的压实特征及气体的渗透率演化规律研究较少。本文利用损伤煤岩体渗流试验系统进行了三种单粒径破碎煤样和四种混合粒径破碎煤样的三轴加载的渗流试验，分析了破碎煤样三轴加载下的压实特性、渗透率特征。

1 不同粒径煤样的三轴加载渗流实验方案

为了研究破碎煤体在三轴加载下的压实和渗透率演化特征，本次实验共设计了七组不同粒径煤样的三轴加载渗流实验（三组单一粒径煤样和四组混合煤样的粒径分布和质量如表1 所示）。各组煤样质量均为100g，其中：三种单粒径煤样粒径分别为C1 组1.0mm-2.8mm、C2 组4.6mm-6.8mm 和C3 组10.2mm-15.1mm，C4组～C6 组煤样分别为三种单粒径煤样两两等质量混合，C7 组煤样为三种单粒径煤样等质量混合而成。

表1 实验用煤样的粒径和质量分布

实验用煤样取自淮南矿业集团新集二矿11-2 号煤层，实验设备采用重庆大学·煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室的损伤煤岩体渗流试验系统，在常温下（25℃）采用氮气（0.05MPa）进行三轴渗流实验，实验过程中采用相同轴压与围压进行应力加载，具体加载路径如图1 所示。

图1 破碎煤样的加载路径

2 实验结果分析

2.1 破碎煤样压实特性

破碎煤样应变、孔隙率与轴向应力的关系曲线如图2 所示。由图2 可知，随轴向应力和围压的逐渐增加，破碎煤样应变逐渐增加，应变速率由大变小，孔隙率逐渐减小，孔隙减小速率也由大变小。此外，单粒径煤样的应变小于混合粒径，孔隙率大于混合粒径。整个压实过程可以4.0MPa 应力值为分界点，将破碎煤样应变、孔隙率与轴向应力的测试曲线分为快速压实阶段A 和缓慢压实阶段B 两个明显的阶段，其中：应力在4.0MPa 以前（阶段A），破碎煤样快速压实，应变和孔隙率变化很快，主要原因为：破碎煤体受载初期，一方面颗粒之间不存在粘聚力，相互之间极易发生滑移、转动使颗粒结构重新调整导致孔隙率大幅度减小，这是破碎煤体压实变形的主要部分；另一方面煤样颗粒相互挤压破碎导致其孔隙率进一步降低，这是破碎煤体压实变形的次要部分。应力超过4.0MPa以后（阶段B），煤样缓慢压实，应变和孔隙率变化较慢。孔隙率减小的主要原因为：该阶段，一方面煤体颗粒二次破碎，破碎的细小颗粒充填至孔隙中导致孔隙率进一步减小，但减小量不大；另一方面由于二次破碎时期使得原有颗粒之间的孔隙基本被碎裂的细小颗粒充填，破碎煤体在外部荷载的继续增加下，破碎煤体颗粒将产生弹性变形，引起破碎煤体的整体压缩，但这部分变形量极小。

图2 破碎煤样应变、孔隙率与轴向应力的测试曲线

2.2 破碎煤样渗透率特征

通过实验和计算得出破碎煤样在不同加载应力下的渗透率，得到各破碎煤样的渗透率与加载应力的拟合关系曲线如图3 所示，各破碎煤样的渗透率与孔隙率的关系拟合曲线如图4 所示。

图3 各破碎煤样渗透率与有效应力拟合关系

图4 各破碎煤样渗透率与孔隙率拟合关系

由图3 和4 可知：破碎煤样的渗透率随有效应力的增加而呈指数型减小（相关性系数平均值R2=0.970），随孔隙率的减小而呈幂函数减小（相关性系数平均值R2=0.972），说明破碎煤体在受到较强三向应力作用下，会导致破碎煤体在三轴加载过程中破碎胶结，最终形成一个圆柱形胶结体，该胶结体等价于孔隙、裂隙发育的完整煤样，其破碎煤样的三轴压缩符合达西定律。

3 结论

本文设计开展了三轴加载下三组单粒径破碎煤样和四组混合粒径破碎煤样的压实与渗流实验，主要得出结论如下：

3.1 破碎煤体随应力的增加，应变逐渐增加，孔隙率逐渐减小；在相同应力下，单粒径煤样的应变小于混合粒径，孔隙率大于混合粒径；单粒径煤样颗粒粒径越大，其应变越小。

3.2 破碎煤样三轴加载下存在快速压实和缓慢压实两个阶段。快速压实阶段内破碎煤样的渗透率和应变敏感性系数随应力的增加而快速减小；缓慢压实阶段内渗透率和应变敏感性系数随应力的增加缓慢减小，且存在波动变化，应力敏感性较弱。

3.3 通过实验得出破碎煤样的渗透率随有效应力的增加而呈指数型减小，随孔隙率的减小而呈幂函数减小，且服从达西定律。