2種典型嵌擠骨架配比下混合煤樣的滲透特性

張?zhí)燔?陳佳偉 武振虎

摘 要：基于軸向壓縮位移控制法，利用破碎巖體滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了破碎煤樣在采用單級(jí)嵌擠骨架和級(jí)配嵌擠骨架2種配比方式下，承壓過程中的滲透特性。結(jié)果表明：級(jí)配嵌擠骨架煤樣壓縮過程中，隨著20～25 mm含量的增高，滲透率出現(xiàn)明顯的平穩(wěn)變化階段，說明大煤樣顆粒對(duì)骨架具有顯著的支撐作用，造成煤樣內(nèi)部有效孔隙通道保持平穩(wěn);以5～10 mm為主的單級(jí)配嵌擠骨架其滲透率遠(yuǎn)小于其他3組，說明小顆粒煤樣對(duì)較大煤樣顆粒之間的空隙具有良好的充填作用;2種配比方式下，孔壓梯度與滲流速度兩者之間的二次擬合系數(shù)都高達(dá)0.94以上，說明煤樣壓實(shí)滲流過程中都滿足Forchheimer方程;通過建立的物理模型發(fā)現(xiàn)煤樣壓縮過程中存在側(cè)向約束阻力，其值隨軸向壓縮位移、滲透壓的增大而增大。

關(guān)鍵詞：骨架配比;軸向壓縮位移;滲透率;有效孔隙通道中圖分類號(hào)：TU 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0302 文章編號(hào)：1672-9315（2019）03-0388-07

Abstract：Based on the axial compressive displacement control method，the permeability characteristics under pressure of crushing coal samples were tested under the two kinds of mixing modes of single-stage in-frame and cascade-in-frame.The results show that the permeability shows a significant phase of steady change during the compression process of coal samples in the cascades with the increase of 20～25 mm，which indicates that the large particle coal samples have a significant supporting effect on the skeleton，resulting in the pore channel remained stable.The permeability of single-stage in-frame with 5～10 mm is much less than that of the other three groups，which indicates that small particle coal has a good filling effect on the gap between larger coal particles.The two fitting coefficients of pore pressure gradient and seepage velocity are both above 0.94 under the two kinds of proportioning modes，which means that the Forchheimer equation is satisfied during the compaction seepage of coal sample.We have found there is lateral restraint resistance during compression process through the established physical model，its value increases with the axial compression displacement and osmotic pressure.Key words：skeleton ratio;axial compression displacement;permeability;effective pore channel

0 引 言巖溶陷落柱是中國(guó)華北地區(qū)常見的由于長(zhǎng)期的地下水溶蝕作用、地質(zhì)構(gòu)造力與上覆巖層重力作用造成的地質(zhì)現(xiàn)象。而在深部礦井，地質(zhì)水文條件極其復(fù)雜，陷落柱往往為地下水的運(yùn)移提供通道，導(dǎo)致突水災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)[1-2]。因此，國(guó)內(nèi)外科技工作者展開了大量有關(guān)研究陷落柱突水過程的破碎巖體滲流試驗(yàn)。姚邦華等采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合的方法，分析了陷落柱的突水發(fā)展過程，從孔隙率、涌水量、顆粒流失等多個(gè)角度建立了陷落柱突水過程顆粒遷移的動(dòng)力模型，并將研究結(jié)果應(yīng)用于相關(guān)的工程實(shí)踐，揭示流體對(duì)小顆粒的作用是造成滲透性發(fā)生改變的主要原因[3-4]。王宇航等探討了采用地面定向鉆孔與骨料注漿工藝，解決陷落柱熔巖誘發(fā)突水的有效性[5]。李順才等以飽和破碎砂巖為試驗(yàn)研究對(duì)象，研究了其在恒載變形前后滲透參數(shù)的變化規(guī)律，得出了變形穩(wěn)定后滲透參數(shù)滿足Forchhermer方程[6]。國(guó)外學(xué)者Yortsos與Acuna將幾何分形理論引入滲流力學(xué)[7-8]。Sedghi-Asl等利用不同粒徑破碎巖樣，討論了非達(dá)西流因子與巖樣粒徑間的關(guān)系[9]。Tyler等通過建立關(guān)于粒徑分布的三維空間分形模型，從而推導(dǎo)出以顆粒質(zhì)量表示分形維數(shù)的公式[10-11]。劉玉等按等質(zhì)量配比研究了多巖性混合粒徑巖樣的滲流特性，分析了滲透率與孔隙度的關(guān)系[12]。馬丹等探討了混合粒徑破碎矸石，在側(cè)限條件下的非線性滲透特性，并分析了試驗(yàn)后的質(zhì)量損失[13]。張?zhí)燔姷葟牡V物成分、級(jí)配、加載方式等角度開展了大量與破碎煤、砂巖、矸石相關(guān)的壓縮試驗(yàn)，得到了大量有關(guān)破碎巖體滲流特性與蠕變特性的重要結(jié)論[14-17]。在以往的試驗(yàn)中，關(guān)于級(jí)配破碎巖石滲透特性的研究，很少按照嵌擠骨架原則配比。針對(duì)以上問題，以混合粒徑破碎煤樣為試驗(yàn)研究對(duì)象，按照2種典型嵌擠骨架原則配比，利用壓縮機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)與滲透裝置進(jìn)行破碎煤樣試驗(yàn)，獲取骨架構(gòu)成形式、軸向壓縮位移、滲透壓3種影響因素作用下混合粒徑破碎煤樣的滲透參數(shù)，分析軸向壓縮位移改變對(duì)其滲透能力作用的規(guī)律。

1 配比方式及試驗(yàn)步驟

1.1 嵌擠骨架配比方式 將破碎煤樣分為4種不同粒徑檔，分別為：5～10，10～15，15～20，20～25 mm.混合煤樣采用2種不同骨架設(shè)計(jì)原則的級(jí)配方式：?jiǎn)渭?jí)嵌擠骨架混合料配比原則以及級(jí)配嵌擠骨架配比原則。前者是指煤樣4種粒徑檔中，有一檔粒徑質(zhì)量超過破碎煤樣總質(zhì)量的60%，故骨架的主要承載及嵌擠能力集中于該檔破碎煤樣;后者是指4種不同粒徑共同承擔(dān)壓實(shí)及嵌擠作用。由于2種不同原則下破碎煤樣的粒徑分布不同，故其滲透特性也必將有較大差異。針對(duì)以上2種不同的骨架設(shè)計(jì)方法，根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)以下4組不同級(jí)配破碎煤樣[18]：A組破碎煤樣配比67∶17∶10∶6;B組破碎煤樣配比47∶23∶15∶15;C組破碎煤樣配比15∶23∶47∶15;D組破碎煤樣配比15∶15∶23∶47.按4組不同配比選取4份破碎煤樣，每一份600 g.試驗(yàn)采用5組位移，各組位移下設(shè)定4組滲透壓進(jìn)行側(cè)限下的滲流試驗(yàn)。五組軸向壓縮位移分別設(shè)定為3，6，9，12，15 mm，四級(jí)滲透壓分別設(shè)定為0.5，1，1.5，2.0 MPa.各檔粒徑煤樣的質(zhì)量見表1.

1.2 試驗(yàn)步驟先將A組混合煤樣裝入缸筒內(nèi)進(jìn)行密封，然后放置在試驗(yàn)臺(tái)上并調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的壓頭，使壓頭正對(duì)并緊密接觸活塞，測(cè)定壓頭露出高度。按照計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行第一組軸向壓縮位移加載，完畢后，調(diào)節(jié)滲透壓進(jìn)行滲透試驗(yàn)，每級(jí)滲透壓滲流10 s，記錄流量;第一組軸向壓縮位移測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行第二組軸向壓縮位移測(cè)試，依次完成5組不同軸向壓縮位移試驗(yàn);重復(fù)以上步驟進(jìn)行其他3組不同級(jí)配破碎煤樣壓縮試驗(yàn)，并記錄相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)。

2 破碎煤樣粒徑組成結(jié)構(gòu)類型

2.1 基于連續(xù)級(jí)配的密實(shí)-懸浮結(jié)構(gòu)連續(xù)型級(jí)配指基于富勒曲線所呈現(xiàn)的指數(shù)原理所組成。該級(jí)配要求破碎煤樣粒徑從大到小不間斷，進(jìn)而具備連續(xù)性，同時(shí)各粒徑都擁有一定的數(shù)量。故而在該級(jí)配粒徑構(gòu)成下，同一粒徑范圍較大顆粒往往都被比其小一檔的小粒徑顆粒所擠開，造成同檔粒徑顆粒相互彼此之間相互分離，進(jìn)而不能構(gòu)成骨架。目前，連續(xù)級(jí)配主要是由泰波公式或其演化公式而配比的方式，具有極強(qiáng)的密實(shí)性。泰波公式如下式中 P為煤樣最大密實(shí)度;d為煤樣的某一檔粒徑，mm;Dm為最大粒徑，mm.

2.2 骨架-空隙結(jié)構(gòu)若把連續(xù)級(jí)配改為連續(xù)開級(jí)配，破碎煤樣顆粒間將會(huì)緊密相接，顆粒間會(huì)形成嵌擠骨架。粒徑組成上表現(xiàn)為細(xì)顆粒較少造成其無法充分填充較大粒徑檔所構(gòu)成的骨架空隙，該種結(jié)構(gòu)服從嵌擠原則，大顆粒破碎煤樣顆粒之間的內(nèi)摩擦阻力，以及嵌擠力對(duì)其整體強(qiáng)度起主要作用。然而，由于其內(nèi)部空隙較大，故其滲透能力較強(qiáng)。

2.3 嵌擠-密實(shí)結(jié)構(gòu)嵌擠-密實(shí)結(jié)構(gòu)是指粒徑配比不具備連續(xù)性，大顆粒數(shù)目相對(duì)較多，從而形成空間型骨架。再通過足夠多的細(xì)小顆粒填充，最終使其具有密實(shí)度大和殘余空隙率小的特點(diǎn)。此外，該結(jié)構(gòu)往往具有較大的內(nèi)粘聚力與內(nèi)摩擦角，是一種從物理形態(tài)上表現(xiàn)出較高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析基于Forchheimer經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)破碎煤樣在滲流過程中的滲透率k進(jìn)行計(jì)算。

3.1 軸向壓縮位移與滲流速度關(guān)系圖1給出滲透壓0.5 MPa時(shí)，各組煤樣五級(jí)軸向壓縮位移與滲流速度的關(guān)系圖。

從圖1可以看出，各級(jí)位移下滲流速度大小依次為D組、C組、B組、A組，處理其他三級(jí)滲透壓各組數(shù)據(jù)，同樣符合以上規(guī)律。其中3 mm時(shí)B組滲透速度比A組大，可能是此時(shí)煤樣內(nèi)部有效孔隙通道較大。通過比較B組、C組，可以說明5～10 mm含量越高，滲流速度越小。C組、D組5～10 mm含量相同，其主要質(zhì)量集中于15～25 mm，C組最高粒主要質(zhì)量集中于15～25 mm，而D組最高粒徑檔20～25 mm含量較高，滲流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他組。以上試驗(yàn)

現(xiàn)象反映了粒徑對(duì)滲流速度的影響，表明滲流速度大小總體上與粒徑大小呈正相關(guān)。

3.2 孔壓梯度與滲流速度4組煤樣在軸向壓縮位移3 mm階段其孔壓梯度與滲流速度的關(guān)系，以及其擬合曲線與相關(guān)系數(shù)，如圖2所示。

函數(shù)性擬合曲線相關(guān)系數(shù)都較高，二次函數(shù)擬合曲線相關(guān)系數(shù)大于線性擬合曲線相關(guān)系數(shù)，且線性相關(guān)程度依次為D組、C組、B組。而單級(jí)嵌擠骨架，以細(xì)顆粒煤樣為主的A組混合料，其二次函數(shù)擬合曲線相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)高于線性函數(shù)相關(guān)系數(shù)。處理其他數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，依舊總體滿足上述現(xiàn)象，且各組煤樣在不同壓縮位移階段，其滲流速度都隨著孔壓梯度的減小而增大（即隨滲透壓的增大而增大）。從圖1，圖2可以得出，破碎煤樣的粒度組成對(duì)其滲透特性有一定的影響，按照以細(xì)顆粒為主的單級(jí)嵌擠骨架配比的A組混合破碎煤樣滲流過程中，出現(xiàn)偏離線性函數(shù)（Darcy定律）的現(xiàn)象更加顯著，原因是：①A組單級(jí)嵌擠骨架混合料以細(xì)小粒徑為承載骨架，故其密實(shí)度與內(nèi)凝聚力遠(yuǎn)大于其他三組通過級(jí)配嵌擠骨架配比的煤樣，進(jìn)而在滲流過程中有更大的阻力，非線性滲流現(xiàn)象越明顯，下文將對(duì)此現(xiàn)象的阻力作進(jìn)一步的分析;②該試驗(yàn)裝置滲流入口壓力為P1，滲流出口與大氣相通（P2為0），孔壓梯度隨滲透壓增大而減小，故煤樣滲流速度隨孔壓梯度減小而增大。

3.3 軸向壓縮位移與滲透率的關(guān)系破碎煤樣的滲透率與粒徑緊密相關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)，將粒徑小于5 mm的煤樣總質(zhì)量所占比例成為P5，P5與滲透率滿足以下關(guān)系[19]

從表2和圖3可以看出，隨軸向壓縮位移的增加，各組煤樣滲透率k總體具有減小的趨勢(shì)，但D組煤樣滲透率在前3個(gè)階段保持平穩(wěn)，直到壓縮的最后一個(gè)階段才迅速減小;C組煤樣滲透率呈現(xiàn)先平穩(wěn)變化，再急劇減小，最后又緩慢減小的現(xiàn)象;B組煤樣先急劇減小，在軸向壓縮位移12 mm時(shí)，出現(xiàn)滲透率比9 mm階段大的現(xiàn)象;而A組煤樣滲透率遠(yuǎn)小于其他3組煤樣滲透率，以滲透率為出發(fā)點(diǎn)探討煤樣的滲透特性，出現(xiàn)以上試驗(yàn)現(xiàn)象的原因有以下幾點(diǎn)：①隨著軸向壓縮位移的增加，破碎煤樣內(nèi)部孔隙減少，總體有效孔隙通道也在減小，是煤樣滲透率總體減小的主要原因;②A組煤樣從結(jié)構(gòu)組成來說傾向于嵌擠-密實(shí)結(jié)構(gòu)，5～10 mm粒徑檔質(zhì)量遠(yuǎn)大于其他3個(gè)粒徑段的總質(zhì)量，足以填補(bǔ)其他3種粒徑檔形成的骨架結(jié)構(gòu)，從而密實(shí)性好，滲透率小;③B組煤樣小顆粒含量相對(duì)較多，在壓縮初始階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，小顆粒煤樣迅速向大顆粒煤樣孔隙充填，進(jìn)而煤樣滲透率迅速下降，而在軸向壓縮位移12 mm時(shí)由于此時(shí)煤樣內(nèi)部有效孔隙通道比前一階段大，從而出現(xiàn)滲透率比9 mm階段大的波動(dòng)現(xiàn)象;④C組煤樣傾向于骨架-空隙結(jié)構(gòu)，初始階段由于大顆粒骨架的承載作用，使得滲透率變化較為平穩(wěn)，在加載位移達(dá)到6 mm后，煤樣壓縮開始由大骨架的承載作用向小顆粒煤樣向大顆粒煤樣孔隙充填過渡，滲透率迅速下降，在軸向壓縮位移達(dá)到12 mm后，煤樣相對(duì)密實(shí)，充填基本完成，滲透率開始緩慢下降;⑤D組煤樣從粒度組成來講，其質(zhì)量主要集中于20～25 mm粒徑檔，如同沒有充足細(xì)料的骨架-空隙結(jié)構(gòu)，其滲透性能極強(qiáng)，壓縮過程中由于該粒徑檔的承載作用時(shí)間較長(zhǎng)，總的孔隙通道變化復(fù)雜，有效孔隙通道緩緩減小，直到結(jié)構(gòu)突然塌陷，軸向壓縮位移在12 mm時(shí)才出現(xiàn)有效孔隙通道極度減小的轉(zhuǎn)折。從以上可以看出，破碎煤樣的滲透率，不僅僅與軸向壓縮位移、孔隙度及粒徑等因素有關(guān)，還與煤樣骨架構(gòu)成等引起的有效孔隙通道大小、阻力大小相關(guān)。

3.4 煤樣壓實(shí)滲透過程中的阻力分析在滲流過程中，破碎煤樣滲透裝置內(nèi)部構(gòu)造是由剛性的上下透水板與壓頭以及破碎煤樣組成的組合模型，物理模型如圖4所示。

式中 v為壓頭下壓速度，mm/s;σ1為軸向應(yīng)力，MPa;k0的取值范圍為0～1，當(dāng)破碎煤樣與透水板之間存在最大摩擦阻力時(shí)，k0=0;當(dāng)k0=1時(shí)，不存在側(cè)向應(yīng)力，這里假設(shè)煤樣壁面某一無限小的單元體與透水板無接觸，即而k0=1，而越往煤樣內(nèi)部，接觸越充分，其k0值越小。試驗(yàn)中，4組不同嵌擠骨架配比方式下混合煤樣各級(jí)軸向壓縮位移加載方式均為分階段加載，當(dāng)滲透壓不變時(shí)，σ3隨軸向壓縮位移的增大而增大，故側(cè)向約束力越來越大，靠近內(nèi)部的煤樣等同于在承受越來越大的圍壓，進(jìn)而隨軸向壓縮位移增大，每組配比方式下破碎煤樣的滲透率總體都呈現(xiàn)出減小趨勢(shì);對(duì)于4組破碎煤樣，當(dāng)軸向壓縮位移不變時(shí)，σ2隨著滲透壓增大而增大，σ3則不斷減小，側(cè)向應(yīng)力減小，進(jìn)而4組不同嵌擠配比方式下破碎煤樣的滲透率均增大。另一方面，從接觸面積角度出發(fā)，4組混合破碎煤樣細(xì)顆粒含量從高到低依次為A組、B組、C組、D組，而破碎煤樣細(xì)小顆粒含量越高，其與透水板接觸越充分，橫向阻力增大;同時(shí)，煤樣細(xì)顆粒含量越高，顆粒與顆粒之間無論是縱向阻力，還是橫向阻力都在增大，進(jìn)而在滲透壓及軸向壓縮位移都相同的條件下，4組煤樣滲透率從大到小依次為D組、C組、B組、A組。其中，A組破碎煤樣細(xì)小顆粒含量最多，壓縮滲流過程中承受更大阻力，進(jìn)而呈現(xiàn)出明顯的非達(dá)西現(xiàn)象。

4 工程價(jià)值與應(yīng)用前景1）破碎煤巖在不同的配比下，所構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)壓實(shí)與滲透特性差異較大，故而要充當(dāng)填充體時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮細(xì)集料與粗集料的合理質(zhì)量配比，形成密實(shí)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu);

2）對(duì)于受降雨、風(fēng)化以及洪水等外部因素影響的路基、邊坡與大壩而言，其原有破碎巖體質(zhì)量大量流失，通常流失量受粒徑大小影響，通過數(shù)據(jù)采集與分析，合理填充新的填充體;3）礦產(chǎn)開采遇到的突水問題在掌握不同配比煤巖樣滲透特性的基礎(chǔ)上，可以為更早的預(yù)測(cè)突水量及其變化規(guī)律提供依據(jù)。

5 結(jié) 論

1）破碎煤樣滲流過程中，滲透率存在的平穩(wěn)、波動(dòng)、急劇下滑等現(xiàn)象，說明由于骨架構(gòu)成形式的不同，煤樣壓實(shí)過程中，有效孔隙通道隨著大顆粒煤樣對(duì)骨架的支撐與小顆粒煤樣對(duì)較大煤樣顆粒之間的空隙的充填變化而變化，20～25 mm大顆粒煤樣對(duì)骨架的支撐作用明顯，5～10 mm小顆粒煤樣對(duì)較大煤樣顆粒之間的空隙具有良好的充填作用。2）2種配比方式下，孔壓梯度與滲流速度兩者之間的擬合曲線相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.94以上說明煤樣壓實(shí)滲流過程中都滿足Forchheimer方程;

以細(xì)顆粒為主的A組單級(jí)配嵌擠骨架滲流過程中承受的阻力更大，其滲流速度與孔壓梯度線性擬合系數(shù)總體低于0.7以下，呈現(xiàn)出明顯的非線性滲流現(xiàn)象。

3）破碎煤體滲流過程中表示其側(cè)向約束阻力的物理模型表明煤樣壓實(shí)過程中存在側(cè)向應(yīng)力，側(cè)向應(yīng)力隨著滲透壓、軸向壓縮位移的增大而增大，說明煤樣滲透率的減小，不僅僅與軸向應(yīng)力的變化有關(guān)，還與側(cè)向應(yīng)力的增加有關(guān)。

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