改善松软煤层抽采孔砂岩孔壁力学行为研究

程士宜，李文超

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

目前，我国煤炭生产90%以上为井下开采，受“三高”影响，煤矿生产常伴随着重大灾害事故发生，尤其到深部开采，“三高”影响导致的灾害发生率逐年增高，其中煤与瓦斯突出危险性灾害严重威胁了矿山财产和工人安全[1-7]。当前，高瓦斯煤矿主要采用精准瓦斯抽采的瓦斯治理方法[8-10]。据统计，我国煤矿瓦斯抽采利用率不到60%，超过1/2 的煤矿抽采孔密封性较差，1/2 以上的瓦斯抽采体积分数低于30%[11-14]，尤其深部高瓦斯煤矿瓦斯钻孔的利用率更低。为此，以恒大煤矿具有“三高”条件的1366 掘进工作面瓦斯抽采钻孔孔壁砂岩为研究对象，研究高温影响砂岩强度变化规律和流变渗透规律，以及应用膨胀水泥浆技术改善深部“三高”条件下瓦斯抽采体积分数。

1 不同温度砂岩的强度规律

1.1 岩样及试验设备

选取恒大煤矿1366 掘进工作面瓦斯抽采钻孔孔壁砂岩，试验岩样均取自同一砂岩，加工成ϕ5 cm×10 cm 标准试样16 个，分成4 组，每组4 个试样并进行编号。

通过室内热处理，热处理装备选取MXQ 系列高温炉，为保证均匀加温，加温速率设为5 ℃/min；试验引用法国生产的多功能岩石三轴蠕变试验系统，该系统应用于单轴压缩、常规三轴压缩试验以及后续的三轴压缩蠕变试验。

1.2 试验方案及步骤

将4 组试样分别加热到25、200、500、800 ℃，保持设计温度2 h，再进行自然冷却到室温。定义σ1为最大主应力（轴压）；σ3为最小主应力（围压）；σ1-σ3为偏应力；ε1为轴向应变；ε3为侧向应变。取4 组试样各1 个，用胶套密封，装入三轴试验系统中。试验中，最大主应力为恒定值，最小主应力分别取0、15、30 MPa，进行不同偏应力下强度试验，设置0.02 mm/min 的位移加载速度至试样破坏，围压加载速率为5 MPa/min。不同温度砂岩在不同围压下偏应力-轴向应变曲线如图1，不同温度砂岩在不同围压下偏应力-侧向应变曲线如图2。

图2 不同温度砂岩在不同围压下偏应力-侧向应变曲线Fig.2 Deviatoric stress-lateral strain curves of sandstone with different temperatures under different confining pressures

由图1 可知，随温度升高，曲线逐渐向应变轴方向偏移，说明对应的极限变形也逐渐增大。随着载荷的不断增大，试样均经过初始微裂纹压密阶段、线弹性变形阶段、屈服硬化阶段和峰后软化阶段以及在高围压下的峰后残余变形阶段。其中，单轴压缩下，试样在25、200 ℃下，应力-应变曲线变化不大；温度升高至500 ℃后，试样极限强度降低近1/2；800 ℃时，极限强度降低近3/4；随着围压增大，试样应力-应变曲线峰值有所升高，但是，每种温度试样强度变化规律不变。

由图2 可知，随着围压增大，试样侧向应变逐渐增大。在单轴压缩下，25 ℃和200 ℃的试样侧向应变变化趋势不大；当温度达到500 ℃后，侧向应变变化趋势增大；温度到达800 ℃，侧向应变较前3 个温度试样侧向变化最大；围压在15 MPa 和30 MPa时，4 种温度试样侧向应变变化有所改善，但均出现上述变化规律。

2 不同温度砂岩流变-渗透规律

2.1 试验方案和步骤

试验引用瞬态法[15-18]进行气体渗透性测量，瞬态法测渗透原理如图3。

图3 瞬态法测渗透原理Fig.3 Schematic of permeability measurement

以纯氮气为气体介质，试验选取上述4 种温度试样，采用上述三轴试验系统，保持30 MPa 围压，然后进行充氮气，先让试样初始的上游气压和下游气压相等并保持稳定为3 MPa，待试样气体饱和后，以0.3 MPa 压差降低下游气压，形成压力差，此时上游气压因压力高致使气体向下游渗透，当2 段气压再次平衡时，即可测得这一过程的气体渗透率，计算公式如下：

式中: pgU（t）、pgD（t）为上游、下游在t 时刻的气压；△p0为在t0时刻上下游形成的压差值；△p（t）为在t 时刻上下游压力的差值，pgU（0）、pgD（0）分别为形成压差时刻上游和下游的压力；αU、αD为上游和下游容器单位压力体积；H 为试样的高度；S 为试样的横截面积；μ 为动力黏滞系数；k 为渗透率。

2.2 试验分析

不同偏应力下砂岩三轴压缩过程中体积应变-渗透性关系曲线如图4，图中εV为体积应变。

图4 不同偏应力下砂岩三轴压缩过程中体积应变-渗透性关系曲线Fig.4 Volumetric strain-permeability curves during triaxial compression of sandstone under different deviatoric stresses

由图4 可知，当施加的偏应力低于损伤阈值时，渗透率随着体积压缩而逐渐减小至最小值，当应力值大于损伤阈值后，剪切膨胀变形占主导地位，新裂隙范围变大，试样内部裂隙扩展显著，致使试样渗透通道变大，逐级叠加，导致试样渗透率增大；对比常温度下砂岩渗透性，高温导致试样矿物粒子结构膨胀，内部结合水和自由水蒸发，微裂纹范围增大，因此，较常温下试样渗透率，高温试样渗透率明显增大。

3 膨胀水泥浆改善瓦斯抽采现场试验

选择1366 工作面1 段瓦斯治理巷，巷道标高-658 m，初测温度38 ℃，施工5 组瓦斯抽采孔，并进行编号，其中，每组选择1 个钻孔岩孔段引用膨胀水泥浆喷射处理，膨胀水泥处理抽采孔示意图如图5。

图5 膨胀水泥处理抽采孔示意图Fig.5 Schematic diagram of expansive cement treatment of extraction hole

之后安装抽采系统，进行膨胀水泥浆改善瓦斯抽采试验，试验进行30 d，每天记录1 次，记录每个钻孔瓦斯抽采量变化，瓦斯抽采量统计表见表1。1366 工作面瓦斯抽采量变化曲线如图6。

由图6 可知，前期经过膨胀水泥浆处理的瓦斯钻孔较普通瓦斯钻孔的抽采体积分数高3.5%～18.07%，由瓦斯抽采总量可知，膨胀水泥浆处理的瓦斯钻孔瓦斯抽采量较普通抽采孔瓦斯抽采量高，总瓦斯抽采量增加29%，说明膨胀水泥浆充填了瓦斯抽采孔岩孔段裂隙，减少瓦斯残余空间，增强了岩孔段砂岩抵抗载荷能力，孔壁表面形成1 层保护层，增强了岩孔段孔壁抗塌能力，最终导致1366 工作面穿层瓦斯抽采钻孔成孔率和提高了瓦斯抽采效率。

4 结 语

1）在不同围压作用下，试样均经过初始微裂纹压密阶段、线弹性变形阶段、屈服硬化阶段和峰后软化阶段以及在高围压下的峰后残余变形阶段。高温作用下，砂岩应变曲线逐渐向应变轴方向偏移，说明对应的极限变形也逐渐增大，因此，砂岩试样随着温度升高，而极限抵抗强度降低。

2）在不同偏应力作用下，试样体积应变经过体积压缩和剪切膨胀2 个阶段，新裂隙增多，内部裂隙扩展显著，渗透率随偏应力变化呈先减小后增大的规律；高温使试样矿物粒子结构膨胀，内部结合水和自由水蒸发，微裂纹范围增大，因此，砂岩试样随着温度升高，渗透率明显增大。

3）膨胀水泥浆填充了瓦斯抽采孔砂岩段因高应力高温形成的发育裂隙，阻止裂隙继续发育，减少瓦斯残余空间，增强了岩孔段砂岩抵抗载荷能力，并在孔壁形成1 层保护层，增强孔壁抗塌能力，最高提高瓦斯抽采体积分数18.07%，最大抽采总量提高29%，改善了1366 工作面瓦斯治理效率，为深部“三高”下松软煤层瓦斯治理提供参考。