被保護(hù)煤層卸載煤體滲透率影響試驗(yàn)研究

仇海生 楊春麗

（1、煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110016 2、煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113112）

1 概述

煤巖體滲透率是反應(yīng)煤巖體瓦斯流動(dòng)的重要物性參數(shù)，也是瓦斯?jié)B流力學(xué)的基本參數(shù)。煤巖體瓦斯?jié)B透率的研究是瓦斯?jié)B流力學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。煤巖體滲透率隨外部巖石應(yīng)力的變化情況，國內(nèi)外很多學(xué)者對煤體的變形規(guī)律、煤樣滲透率與圍壓或空隙壓力之間的變化關(guān)系、含瓦斯煤的力學(xué)性質(zhì)以及含瓦斯煤的流變特性等進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，并提出了很多煤巖體滲透率測試和試驗(yàn)的模型。眾多的研究工作基于煤巖體加載破壞過程中滲透率的數(shù)值變化，而在防治煤與瓦斯突出的保護(hù)層開采過程時(shí)，被保護(hù)煤層的應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生卸載，在此過程當(dāng)中被保護(hù)層煤體是在卸載過程中發(fā)生的內(nèi)部損傷、結(jié)構(gòu)破壞，由此應(yīng)開展卸載方面的試驗(yàn)研究。煤巖體試塊在應(yīng)力加載和載荷卸除時(shí)呈現(xiàn)出不一樣的力學(xué)變化和變現(xiàn)規(guī)律，由摩爾- 庫倫(Mohr-Coulomb)強(qiáng)度理論，優(yōu)選與突出煤層保護(hù)層開采過程時(shí)被保護(hù)煤層的煤巖體載荷卸載產(chǎn)生的相似的力學(xué)途徑開展?jié)B透率的測試試驗(yàn)，試塊應(yīng)力加載、卸除的模型如圖1 所示。[1-2]

2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)參數(shù)

煤體滲透率加載、卸載試驗(yàn)采用自主研制的三軸滲流系統(tǒng)（如圖2 所示），滲流系統(tǒng)由力學(xué)加載模塊和流體試驗(yàn)?zāi)K共同組成。力學(xué)加載模塊由耐壓80MPa 的壓力容器、最大測量值5000kN（（精度≦±1%）的軸向壓力加載系統(tǒng)（測定最大變形量達(dá)8mm；精度≦±1%）、壓力源子系統(tǒng)、最大壓力為60MPa 的徑向加載系統(tǒng)（測定最大變形量達(dá)8mm；精度≦±1%FS）、加載溫控子系統(tǒng)（溫度控制精度±0.2℃）等系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 煤體應(yīng)力加載卸載模型

三軸瓦斯?jié)B流試驗(yàn)系統(tǒng)采用穩(wěn)態(tài)法對煤體加載和卸荷滲透率進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)滲透率的控制方程由數(shù)學(xué)方程式（1）表示：

式中：k——滲透率，mD；

Q——?dú)怏w流量，cm3/s；

μ——?jiǎng)恿φ扯?，MPa.s；

L——煤體長度，cm；

A——煤體截面積，cm2；

P1、P2——煤體進(jìn)口、出口壓力，MPa；

P0——大氣壓，MPa。

圖2 自制三軸瓦斯?jié)B流試驗(yàn)系統(tǒng)

3 三軸瓦斯?jié)B流試驗(yàn)方案

煤體滲透率試驗(yàn)采用三軸瓦斯?jié)B流試驗(yàn)滲透率測試系統(tǒng)，試驗(yàn)按步驟流程如下：

3.1 現(xiàn)場采集煤樣，根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)制作型煤試塊；

3.2 測量型煤試塊長度L、直徑D、體積V 和截面積A；

3.3 安入制成的型煤試樣：將型煤試塊四周包裹材質(zhì)為聚四乙烯的薄膜，包裹好的型煤試塊外包橡膠熱收縮套，進(jìn)一步安裝壓力變形傳感器及輔助裝置；

3.4 型煤試塊抽真空：將型煤試塊真空度降低到特定值；

3.5 吸附瓦斯氣體壓力平衡：對型煤試塊充瓦斯氣體2.0MPa，充分吸附48h 以保持吸附壓力平衡；

3.6 采用三軸瓦斯?jié)B流試樣系統(tǒng)，對試樣施以5.0MPa、7.0MPa、9.0MPa 的圍巖壓力，將型煤試塊的壓力加載到區(qū)服點(diǎn)，進(jìn)行應(yīng)力加載后的圍巖壓力逐步卸除下滲透率試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中測定型煤試塊的滲透率的變化規(guī)律。

4 保護(hù)煤層開采對被保護(hù)煤層滲透率的影響

滲透率試驗(yàn)采用圖1 所示的加載、卸載模型進(jìn)行滲透率試驗(yàn)，對試樣數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行整理、分析，得出了分別加載5.0MPa、7.0MPa、9.0MPa 的壓力時(shí)，型煤試塊卸荷應(yīng)力路徑下滲透率數(shù)值動(dòng)態(tài)特征，試驗(yàn)結(jié)果分析如圖3- 圖5。

圖4 圍壓7MPa 卸載力學(xué)路徑下滲透性的變化

圖5 圍壓5MPa 卸載力學(xué)路徑下滲透性的變化

圖3 圍壓9MPa 卸載力學(xué)路徑下滲透性的變化

由試驗(yàn)結(jié)果的圖3、圖4、圖5 可知，卸載前的加載過程，滲透率隨加載應(yīng)力變化特征與眾學(xué)者的研究結(jié)果統(tǒng)一，型煤試塊的滲透率隨著應(yīng)力加載逐漸降低。隨著載荷的逐步卸除，類同于給型煤試塊施加了軸向拉應(yīng)力，型煤試塊的裂隙空間開始擴(kuò)大型煤試塊的滲透率也逐漸升高。以施加圍巖壓力7MPa 時(shí)的型煤試塊為例，初始型煤試塊的滲透率為1.713mD；載荷卸載前的圍壓加載過程中，型煤試塊的滲透率逐步減??；圍巖壓力不斷的卸載過程中，滲透率分別為1.234mD、1.247mD、1.337mD、2.189mD。

卸載煤體的滲透率試驗(yàn)充分證明了保護(hù)煤層的開采為被保護(hù)層提供了應(yīng)力卸除空間，被保護(hù)煤層的煤體內(nèi)部出現(xiàn)煤體變形、內(nèi)部損傷、結(jié)構(gòu)破壞，增加了被保護(hù)煤層煤體的滲透率，是被保護(hù)層煤體能夠?qū)崿F(xiàn)卸壓瓦斯抽采、防治煤與瓦斯突出的技術(shù)關(guān)鍵。

5 結(jié)論

保護(hù)煤層的開采為被保護(hù)層提供了應(yīng)力卸除空間，被保護(hù)煤層的煤體內(nèi)部出現(xiàn)煤體變形、內(nèi)部損傷、結(jié)構(gòu)破壞，增加了被保護(hù)煤層煤體的滲透率，為充分研究煤體圍巖壓力卸除后的影響特征，采用自制的瓦斯三軸滲流試驗(yàn)系統(tǒng)研究了近距離煤層群保護(hù)層開采對被保護(hù)層卸載煤體滲透率的影響。

5.1 型煤試塊加載破壞和圍壓卸除破壞存在明顯差異，卸載前的圍巖壓力加載過程，型煤試塊的滲透率逐步降低。隨著載荷的逐步卸除，類同于給型煤試塊施加了軸向拉應(yīng)力，型煤試塊的裂隙空間開始擴(kuò)大型煤試塊的滲透率也逐漸升高。以施加圍巖壓力7MPa 時(shí)的型煤試塊為例，初始型煤試塊的滲透率為1.713mD；載荷卸載前的圍壓加載過程中，型煤試塊的滲透率逐步減??；圍巖壓力不斷的卸載過程中，滲透率分別為1.234mD、1.247mD、1.337mD、2.189mD。

5.2 卸載煤體的滲透率試驗(yàn)充分證明了保護(hù)煤層的開采為被保護(hù)層提供了應(yīng)力卸除空間，被保護(hù)煤層的煤體內(nèi)部出現(xiàn)煤體變形、內(nèi)部損傷、結(jié)構(gòu)破壞，增加了被保護(hù)煤層煤體的滲透率，是被保護(hù)層煤體能夠?qū)崿F(xiàn)卸壓瓦斯抽采、防治煤與瓦斯突出的技術(shù)關(guān)鍵。