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 田坤云，徐  星，張瑞林

 （河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南鄭州451191）

摘要：構(gòu)造煤具有瓦斯含量高、滲透率低等特征，是瓦斯抽采和災(zāi)害預(yù)防的難點(diǎn)。在采用“二次成型”法制取原煤樣試件的基礎(chǔ)上使用自行設(shè)計(jì)的“三軸應(yīng)力瓦斯?jié)B透性模擬實(shí)驗(yàn)裝置”通過“應(yīng)力一滲透性”實(shí)驗(yàn)，針對(duì)構(gòu)造煤原煤試件不同瓦斯壓力條件下的應(yīng)力加、卸載過程的瓦斯?jié)B透規(guī)律進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加載階段，隨著加載應(yīng)力的增大滲透率降低，初期階段降幅最為急劇，圍壓升到3 M Pa時(shí)，滲透率均下降近65%；卸載階段滲透率隨著應(yīng)力的減小而增大，圍壓完全卸載后滲透率只恢復(fù)到初始值的25%；同樣的應(yīng)力條件下，煤基質(zhì)收縮對(duì)構(gòu)造煤的影響作用大于有效應(yīng)力的增加，滲透率隨著其內(nèi)部瓦斯壓力的降低而增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為構(gòu)造煤“卸壓增透”效果最佳化提供參考，進(jìn)一步完善低滲透率煤層的瓦斯抽采理論及方法體系。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造煤；瓦斯?jié)B透特性；二次成型；原煤樣試件

中圖分類號(hào)：X936doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 06. 003

0  引言

 自上世紀(jì)70年代起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤體三軸應(yīng)力一滲透性規(guī)律開展了大量深入的研究工作。Somerton發(fā)現(xiàn)相同應(yīng)力條件下高滲透性煤體的滲透率通常降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，而低滲透性煤層則降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)；Lin-gard發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力的增加煤樣的瓦斯透氣性顯著降低；G．X．Wang認(rèn)為煤體的滲透性與其力學(xué)特征及結(jié)果密切相關(guān)，煤的滲透性受地應(yīng)力的影響較大；Steve20u建立了水平滲透率與垂直應(yīng)力之間的關(guān)系。許江等探討了煤樣滲透率與地應(yīng)力、溫度等參數(shù)的關(guān)系及經(jīng)驗(yàn)公式；孫培德成功地?cái)M合出煤樣滲透率隨有效應(yīng)力和空隙壓力之間的關(guān)系；石必明等發(fā)現(xiàn)型煤加載過程中應(yīng)力-滲透性符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律，卸載過程符合冪函數(shù)；尹光志等建立了滲流速度一軸壓的全過程方程。大量的研究工作表明煤體的瓦斯?jié)B透性與其承載應(yīng)力密切相關(guān)，揭示了瓦斯?jié)B透率受煤體應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)等多種因素制約的定性及定量變化規(guī)律。然而以往研究工作中，針對(duì)構(gòu)造煤承壓過程，特別是卸壓過程瓦斯?jié)B透性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的報(bào)道不多，而這一特征是實(shí)現(xiàn)構(gòu)造煤卸壓增透的關(guān)鍵；且實(shí)驗(yàn)過程采取的煤樣多為型煤煤樣，但型煤與原煤在結(jié)構(gòu)特征上差異較大，較難準(zhǔn)確地反映構(gòu)造煤承壓過程瓦斯?jié)B透性特征。為此，筆者在成功制取構(gòu)造煤原煤樣試件的基礎(chǔ)上對(duì)其加、卸載過程的瓦斯?jié)B透性進(jìn)行了深入研究。

1  瓦斯?jié)B透性模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與改裝

 實(shí)驗(yàn)裝置由煤樣試件密封系統(tǒng)、應(yīng)力加載系統(tǒng)、氣體接入系統(tǒng)、流量采集系統(tǒng)、負(fù)壓加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析系統(tǒng)五部分組成，如圖1。試件密封系統(tǒng)主要對(duì)煤樣試件進(jìn)行固定密閉；應(yīng)力加載系統(tǒng)控制煤樣試件應(yīng)力的加卸載；氣體接人系統(tǒng)主要供給實(shí)驗(yàn)用CH4氣體；流量采集系統(tǒng)對(duì)瓦斯流量進(jìn)行采集并根據(jù)預(yù)定程序計(jì)算瓦斯?jié)B透率；負(fù)壓加載系統(tǒng)主要是給煤樣試件加載預(yù)定的負(fù)壓，本實(shí)驗(yàn)主要是抽出試件內(nèi)部裂隙殘留的水，從而保證流量采集不受水的影響；自動(dòng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)則主要在實(shí)驗(yàn)過程中自動(dòng)采集瓦斯參數(shù)。

  各部分附件主要參數(shù)如下：

① 壓：0~ 100 M Pa，精度0.1 M Pa；②圍壓：0~60M Pa，精度0.1 M Pa；③瓦斯壓力：0~10 M Pa，精度0.1M Pa；④質(zhì)量流量計(jì)：0~30 SCCM（標(biāo)準(zhǔn)毫升／分），精度±1. 5%F．S；⑤三軸應(yīng)力夾持器，規(guī)格：Φ50 mm×100 mm。

2  構(gòu)造煤原煤樣制作的二次成型法

 煤樣試件可分為型煤及原煤，前者通過將煤體磨碎經(jīng)過壓縮而成；后者則是通過取芯直接鉆取或用原煤機(jī)械加工而成。原生結(jié)構(gòu)煤一般可直接鉆取得到，但構(gòu)造煤松軟破碎，直接鉆取或機(jī)械加工較難成型。因此，對(duì)構(gòu)造煤的研究多采用型煤試件。但型煤與原煤試件在結(jié)構(gòu)特征上差異較大，瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)中，型煤只能研究大致的變化規(guī)律。為了更加精確地研究構(gòu)造煤的瓦斯?jié)B透規(guī)律，使用較能真實(shí)地反映煤體特征的原煤試件作為研究對(duì)象十分必要。

 構(gòu)造煤原煤試件的制取可采用“二次成型法”：煤礦井下采集形狀規(guī)則、塊度較大的煤塊；地面預(yù)定規(guī)格試件的機(jī)械加工。

2.1  井下煤塊的采集

 用手鋸在煤體上切割出一個(gè)近似規(guī)則的方體，然后用規(guī)格為200 mm×200 mm x 200 mm的鐵皮方框罩住，煤塊及方框之間的縫隙用聚氨酯充填膠接，將煤塊方體底部用手鋸截?cái)嗖�搬運(yùn)至地面蠟封，如圖2。

2.2構(gòu)造煤機(jī)械加工成型

 ①在聚氨酯層鉆孔，將鋼絲鋸條穿過鉆孔并固定在鋸弓上。沿聚氨酯層鋸切一周，去除充填的聚氨酯。

 ②將煤塊鋸切成長(zhǎng)方體(120 mm×120 mm×150mm)，最后磨平兩端。

 ③去除長(zhǎng)方體煤塊四個(gè)楞角，使之成類圓柱形，將類圓柱形試件的凸棱進(jìn)行打磨使之圓滑。加工兩端都開口的不銹鋼圓柱體模具（內(nèi)徑為50 mm、高100 mm，如圖3），將試件放入模具內(nèi)。使用硅酮酸性玻璃膠將其補(bǔ)充成Φ50 mm x100 mm標(biāo)準(zhǔn)煤樣試件。

 ④待硅酮酸性玻璃膠凝固后，去掉磨具的頂及底蓋，將試件推出磨具。用紗布打磨掉試件殘留膠體，標(biāo)準(zhǔn)的原煤試件制作成功，如圖4。

3應(yīng)力加、卸載滲透特性模擬實(shí)驗(yàn)

3.1  實(shí)驗(yàn)煤樣制取

 所用煤樣采自超化煤礦二，煤層，煤層埋藏深度較大，成煤過程中煤體受到嚴(yán)重的地質(zhì)構(gòu)造破壞，煤體松軟破碎，為典型的構(gòu)造煤。制作了兩組原煤試件，編號(hào)分別為CH1、CH2。試件基本屬性見表1。

3.2  實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

 煤礦開采從力學(xué)角度而言是煤巖體歷經(jīng)加卸載過程，即在采動(dòng)擾動(dòng)下，采煤工作面前方煤巖體靜水壓力不斷升高，隨著采煤工作面的推進(jìn)，相應(yīng)位置煤巖體的應(yīng)力不斷解除。與此對(duì)應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)力加卸載途徑為：一定的瓦斯壓力條件下，對(duì)煤樣試件的軸壓、圍壓

等量加載10 M Pa后，保持加載軸壓恒定的情況下卸圍壓，實(shí)驗(yàn)方案如表2。

 流量計(jì)自動(dòng)采集通過試件的瓦斯流量并自動(dòng)計(jì)算滲透率，滲透率的計(jì)算依據(jù)如下式：

3.3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 不同瓦斯壓力條件下兩組煤樣在加卸載條件下的滲透率如表3所示。

 根據(jù)表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩組煤樣加卸載過程中滲透率演化與加載圍壓的關(guān)系曲線如圖5所示。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

 由圖5可以看出：

 1)同樣的加載應(yīng)力條件下，通入構(gòu)造煤試件的瓦斯壓力越大對(duì)應(yīng)的滲透率反而越小，而這一特征與非構(gòu)造煤相反。

 煤體滲透率主要受兩方面的影響：①瓦斯解析會(huì)成造煤體自身的體積收縮即煤基質(zhì)收縮，煤基質(zhì)收縮會(huì)造成煤樣瓦斯?jié)B透性增大。②瓦斯壓力降低會(huì)導(dǎo)致煤體內(nèi)有效應(yīng)力增大，進(jìn)而造成其滲透性降低。

 圍壓一定，瓦斯壓力減小時(shí)，煤基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力降低同時(shí)影響煤樣滲透率，且兩因素的影響作用相反。若前者的影響作用大于后者，則煤樣的滲透率增加，反之滲透率降低。對(duì)構(gòu)造煤樣試件而言滲透率出現(xiàn)增大現(xiàn)象，說明前者的影響占據(jù)主導(dǎo)地位。而對(duì)大部分的非構(gòu)造煤而言，滲透率會(huì)隨著內(nèi)部瓦斯壓力的增加而增大。

 2)應(yīng)力加載階段，兩試件滲透率變化曲線較為相似，據(jù)滲透率變幅可將加載過程分為三個(gè)階段：加載初期(0～3 M Pa)、中期(3～7 M Pa)及后期(7~10 M Pa)。

 加載初期滲透率降低幅度較為急劇，滲透率變化最大。此階段，與應(yīng)力未加載時(shí)相比，兩試件的滲透率分別下降了65. 79%、64. 88%，下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非構(gòu)造煤；中期滲透率分別下降了82. 68%、83. 02%；后期滲透率的變化趨于平緩，應(yīng)力加載至最大值10MPa時(shí)，與應(yīng)力未加載時(shí)相比，滲透率分別下降了93. 53%及92. 99%，下降率也要比非構(gòu)造煤大的多。

 3)軸壓恒定，圍壓卸載階段，兩構(gòu)造煤試件的滲透率變化趨勢(shì)也較為相似，整體上滲透率隨著圍壓的減小而增大，卸載初期從10 M Pa至7 M Pa過程中，滲透率增幅不大，說明受壓縮的構(gòu)造煤試件內(nèi)部裂隙在應(yīng)力卸載后無法得以立即恢復(fù)。當(dāng)圍壓小于7 M Pa時(shí)，試件的滲透率隨著圍壓的卸除而急劇增加，試件內(nèi)部受壓縮的裂隙得到恢復(fù)或者產(chǎn)生了新的裂隙。

 從兩個(gè)構(gòu)造煤樣試件的滲透率演化特性可以看出，相應(yīng)的圍壓條件下，加載過程的煤樣滲透率均要比卸載過程大，這說明圍壓的卸載過程并非是加載過程的簡(jiǎn)單逆過程。這是因?yàn)樵趪鷫杭虞d過程中煤樣內(nèi)部的裂隙發(fā)生了永久性損傷，這些損傷在圍壓卸載過程中并不能

完全恢復(fù)，當(dāng)圍壓卸壓至0 M Pa時(shí)，兩試件的滲透率只恢復(fù)到初始值的25. 85%、24. 98%，比非構(gòu)造煤要小的多，可以判斷：應(yīng)力加載過程中構(gòu)造煤內(nèi)部裂隙的損傷多為塑性破壞，有別于非構(gòu)造煤內(nèi)部裂隙的彈性破壞。

 由于軸壓的存在，同樣的卸載量條件下，圍壓越小，試件的滲透率恢復(fù)的速度也就越快。井下生產(chǎn)過程中，隨著采掘的進(jìn)行，煤體會(huì)發(fā)生卸壓變形，進(jìn)而煤體的滲透率變大，內(nèi)部的瓦斯具有了較好的解吸條件，從而使構(gòu)造煤瓦斯涌出量增大甚至由于瓦斯的瞬間大量解吸

而導(dǎo)致突出發(fā)生，這充分解釋了構(gòu)造煤較非構(gòu)造煤體更易于發(fā)生煤與瓦斯突出的原因。

5  結(jié)論

 1)同樣的應(yīng)力（軸、圍壓）條件下，由于煤基質(zhì)收縮對(duì)構(gòu)造煤的影響作用大于有效應(yīng)力增加，其滲透率隨著試件內(nèi)部瓦斯壓力的降低呈增大趨勢(shì)；而這與非構(gòu)造煤的滲透特征相反，以往研究成果表明，非結(jié)構(gòu)煤的滲透率隨著其內(nèi)部瓦斯壓力的降低而降低。

 2)應(yīng)力加載過程中構(gòu)造煤與非構(gòu)造煤的滲透率均隨加載應(yīng)力增大而降低，加載初期變化最為急劇，后期趨于平緩，但是構(gòu)造煤滲透率初期的降幅要比非構(gòu)造煤大的多。

 3)卸載過程中，構(gòu)造煤與非構(gòu)造煤的滲透率均隨著加載應(yīng)力的減小而增大，且增大速度比加載過程中的降低速度明顯減緩，說明原生結(jié)構(gòu)煤及構(gòu)造煤在加載過程中其內(nèi)部的裂隙均受到了不同程度的損傷，這使得卸載過程中難以恢復(fù)。但是當(dāng)圍壓完全卸載后．構(gòu)造煤的滲透率只恢復(fù)到初始值得25%，比非構(gòu)造煤要小的多。據(jù)此可以判斷：應(yīng)力加載過程中構(gòu)造煤內(nèi)部裂隙的損傷多為塑性破壞，有別于非構(gòu)造煤內(nèi)部裂隙的彈性破壞。