原煤力學(xué)及滲流特性的層理效應(yīng)研究

王 浩，趙耀江，潘玉婷，趙 亮，王江濤

(太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030000)

0 引言

研究煤巖的力學(xué)特性及滲流規(guī)律對(duì)煤礦井下的安全生產(chǎn)具有重要意義，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者從不同角度對(duì)煤體的力學(xué)滲流規(guī)律進(jìn)行大量研究：孫培德等[1-2]研究含瓦斯煤在變形過程中的滲透率變化規(guī)律；魏建平等[3]研究滲透率對(duì)圍壓的敏感性；薄冬梅等[4]分析裂隙構(gòu)造、有機(jī)組分、煤巖類型及變質(zhì)程度、有效應(yīng)力等對(duì)煤層滲透性的影響；徐超等[5]研究不同加卸載速度對(duì)試件滲透時(shí)效性的影響；魏建平等[6]就含水率對(duì)煤樣滲透性的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及分析；Wang等[7]研究注液氮后煤樣孔隙度和滲透率的變化規(guī)律；馬占國(guó)等[8]就溫度對(duì)原煤試件力學(xué)特性的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及分析；Perera等[9]研究煤巖滲透性隨溫度變化的規(guī)律；康向濤等[10]研究不同瓦斯壓力和不同圍壓作用下煤樣滲透性的變化規(guī)律；付裕等[11]、莫云龍等[12]使用CT掃描的手段研究孔裂隙對(duì)煤樣破壞過程的影響；Jasinge等[13]和Wang等[14]研究有效應(yīng)力對(duì)滲透率的影響；Alam等[15]研究加載速率對(duì)砂巖力學(xué)特性的影響。前人的研究已經(jīng)綜合考慮煤巖在不同條件下的力學(xué)滲透特性，但煤中含有大量的孔裂隙，導(dǎo)致煤巖在不同層理方向上的力學(xué)滲透特性有差異，因此本文針對(duì)不同層理方向?qū)γ簬r力學(xué)滲流特性及加載過程的聲發(fā)射特征進(jìn)行研究,以期為煤層瓦斯抽采和防治煤與瓦斯突出提供一定的理論依據(jù)。

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

本文實(shí)驗(yàn)所用煤樣取自山西省陽(yáng)泉市新景礦15#煤層，采樣時(shí)選取層理明顯的大塊煤樣。在實(shí)驗(yàn)室中根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法第7部分：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度測(cè)定及軟化系數(shù)計(jì)算方法》(GB/T 23561.7—2009)的規(guī)定，使用砂線切割機(jī)分別沿垂直層理方向和平行層理方向切割原煤，加工成Φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，使用砂紙打磨試件兩端，保證其不平行度小于0.05 mm。將制備的試件放到恒溫干燥箱中，在70 ℃環(huán)境下干燥12 h后密封保存。其中層理方向平行于軸向的為平行層理煤樣，垂直于軸向的為垂直層理煤樣，如圖1所示。

圖1 不同層理試樣Fig.1 Coal samples with different beddings

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本文實(shí)驗(yàn)使用太原理工大學(xué)自主研發(fā)的WYS-800微機(jī)控制電液伺服三軸實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行三軸壓裂實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中自動(dòng)記錄軸向力、軸向變形、徑向變形等參數(shù)，同時(shí)使用美國(guó)物理聲學(xué)公司設(shè)計(jì)制造的12CHsPCI-2型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和AEwin軟件進(jìn)行聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)具體方案見表1。

表1 不同圍壓下含層理煤樣實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme of coal samples with bedding under different confining pressures

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 圍壓對(duì)不同層理煤樣力學(xué)特性的影響

圍壓為1，3，5 MPa時(shí)，含層理煤樣三軸壓裂軸向應(yīng)力-應(yīng)變圖如圖2所示。由圖2可知，在相同瓦斯壓力、不同圍壓下進(jìn)行三軸壓裂實(shí)驗(yàn)時(shí)，層理方向?qū)γ簶恿W(xué)特性的影響較大。隨著圍壓的增大，平行和垂直2種層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力均隨之增大。圍壓從1 MPa增加到3 MPa，再增加到5 MPa的過程中，平行層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力平均增幅為34.5%，遠(yuǎn)小于垂直層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力平均增幅161.21%。圍壓為1，3，5 MPa時(shí)，平行層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變分別為0.93%，2.80%，1.33%；垂直層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變分別為1.50%，1.86%，2.22%。隨著圍壓的增大，平行層理煤樣和垂直層理煤樣在三軸壓裂過程中的峰值軸向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變也隨之增大。圍壓為1，5 MPa時(shí)，垂直層理煤樣的軸向應(yīng)變平均為平行層理煤樣的1.64倍。但在圍壓為3 MPa時(shí)，平行層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變變化規(guī)律與上述描述不符，這可能是由于此次實(shí)驗(yàn)所用煤樣內(nèi)部孔裂隙的差異造成的，在三軸壓裂過程中孔裂隙被壓縮而使整體產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)變。

由圖2還可以看出，平行層理煤樣和垂直層理煤樣在三軸壓裂過程中的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線有所不同。這是因?yàn)榇怪睂永砻簶拥钠茐闹饕菍永碛缮系较乱来螖嗔言斐傻模瑖鷫涸龃?，約束層理內(nèi)部斷裂的力也增大。隨著層理斷裂的不斷向下擴(kuò)展，需要施加的軸向力持續(xù)增加，直至斷裂的層理數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，煤樣膨脹導(dǎo)致熱縮管破裂，即煤樣破壞完成，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。而平行層理煤樣的破壞是由層理間的斷裂引起的，雖然圍壓同樣對(duì)煤樣的破壞起約束作用，但由于平行層理煤樣的層理方向與力加載方向相同，所以沿著軸向力方向?qū)永黹g斷裂較容易。層理之間斷裂開始后，隨著軸向力的繼續(xù)增加，裂紋沿著力加載方向不斷擴(kuò)展延伸直至煤樣破壞。

圖2 含層理煤樣三軸壓裂軸向應(yīng)力-應(yīng)變Fig.2 Triaxial fracturing axial stress-strain diagrams of coal samples with bedding

2.2 圍壓對(duì)不同層理煤樣滲透特性的影響

瓦斯?jié)B透率是影響煤層瓦斯抽放效果的重要指標(biāo)，本文就不同圍壓下(1，3，5 MPa)的層理煤樣滲透率演化規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到含層理煤樣滲透率-應(yīng)變圖如圖3所示。

圖3 含層理煤樣滲透率-應(yīng)變Fig.3 Permeability-strain diagrams of coal samples with bedding

由圖3可知，平行層理煤樣的滲透率遠(yuǎn)大于垂直層理煤樣的滲透率且平行層理煤樣和垂直層理煤樣的初始滲透率均隨著圍壓的增大而減小，說明施加圍壓會(huì)使煤樣的原生孔隙壓縮、閉合，因此圍壓越大，初始滲透率越低。隨著軸向應(yīng)變的增大，平行層理煤樣和垂直層理煤樣的滲透率均呈現(xiàn)出開口朝左的斜U型變化趨勢(shì)，先緩慢降低后急速升高。煤樣在三軸壓裂的過程中，剛開始產(chǎn)生的新裂隙數(shù)量比閉合的原生裂隙數(shù)量少，因此滲透率表現(xiàn)為隨軸向應(yīng)變?cè)黾佣徛档?；隨著軸向壓力的持續(xù)增大，閉合的原生裂隙數(shù)量減少，生成的新裂隙一直增多，直到后者大于前者時(shí)滲透率出現(xiàn)拐點(diǎn)，由緩慢降低轉(zhuǎn)為急速升高。在滲透率出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)煤樣已經(jīng)達(dá)到臨界狀態(tài)，之后煤樣在短時(shí)間內(nèi)失穩(wěn)破壞，滲透率則表現(xiàn)為隨軸向應(yīng)變的增加而直線升高。垂直層理煤樣的層理方向與瓦斯流動(dòng)方向垂直，平行層理煤樣的層理方向與瓦斯流動(dòng)方向平行，而瓦斯在煤層內(nèi)的流動(dòng)主要是沿著孔裂隙流動(dòng)，因此從圖3可以間接得出平行層理方向的孔隙度大于垂直層理方向的孔隙度，即瓦斯沿著平行層理方向更容易流通。

2.3 圍壓對(duì)不同層理煤樣聲發(fā)射特征的影響

煤巖內(nèi)部發(fā)生形變時(shí)以彈性波形式釋放能量的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，使用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可收集煤樣壓裂過程中釋放的聲發(fā)射信號(hào)。本文對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的振鈴計(jì)數(shù)參數(shù)和幅值參數(shù)分別進(jìn)行分析，得到圍壓為1,3,5 MPa時(shí)振鈴計(jì)數(shù)-軸向應(yīng)力-時(shí)間圖，如圖4～6所示。

圖4 圍壓為1 MPa時(shí)振鈴計(jì)數(shù)-軸向應(yīng)力-時(shí)間Fig.4 Ringing count-axial stress-time diagrams with confining pressure of 1 MPa

圖5 圍壓為3 MPa時(shí)振鈴計(jì)數(shù)-軸向應(yīng)力-時(shí)間Fig.5 Ringing count-axial stress-time diagrams with confining pressure of 3 MPa

圖6 圍壓為5 MPa時(shí)振鈴計(jì)數(shù)-軸向應(yīng)力-時(shí)間Fig.6 Ringing count-axial stress-time diagrams with confining pressure of 5 MPa

由圖4可知，當(dāng)圍壓為1 MPa時(shí)，從施加軸向壓力開始至峰值軸向應(yīng)力出現(xiàn)前，2種煤樣的振鈴計(jì)數(shù)均較少，長(zhǎng)期處于1 000次/s以下甚至更低，偶爾出現(xiàn)小幅度增長(zhǎng)。在軸向應(yīng)力接近峰值前，聲發(fā)射開始活躍，振鈴計(jì)數(shù)激增，2種煤樣的峰值振鈴計(jì)數(shù)均超過15 000次/s。在圍壓為1 MPa時(shí)，2種煤樣的軸向應(yīng)力和振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化的總趨勢(shì)相同，但平行層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力大于垂直層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力，且平行層理煤樣的壓裂時(shí)間是垂直層理煤樣的1.46倍。

由圖5可知，當(dāng)圍壓為3 MPa時(shí)，2種煤樣的軸向應(yīng)力隨時(shí)間變化的規(guī)律明顯不同。在開始施加軸壓后，2種煤樣的軸向應(yīng)力均隨時(shí)間增加而迅速升高。但壓裂開始50 s后，垂直層理煤樣的軸向應(yīng)力增加速度大大降低且持續(xù)了677 s，在之后的167 s后，軸向應(yīng)力又迅速升高直至煤樣破壞。而平行層理煤樣的軸向應(yīng)力在壓裂開始后前4 800 s內(nèi)隨時(shí)間增加呈直線增加趨勢(shì)直至煤樣破壞。2種煤樣的振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律也有所不同，垂直層理煤樣的振鈴計(jì)數(shù)在壓裂開始101 s時(shí)出現(xiàn)1次激增，達(dá)到25 251次/s，之后，振鈴計(jì)數(shù)迅速減少，長(zhǎng)期處于200次/s以下，直到壓裂進(jìn)行到849 s時(shí)振鈴計(jì)數(shù)再次出現(xiàn)激增直至煤樣破壞。平行層理煤樣的振鈴計(jì)數(shù)在煤樣破壞之前處于較低水平，偶爾出現(xiàn)小幅增加但又迅速降低，與圍壓為1 MPa時(shí)變化規(guī)律相同，且平行層理煤樣的壓裂時(shí)間是垂直層理煤樣的5.19倍。

由圖6可知，當(dāng)圍壓為5 MPa時(shí)，平行層理煤樣和垂直層理煤樣的軸向應(yīng)力隨時(shí)間變化的規(guī)律相同，均是先隨時(shí)間增加呈急速直線升高趨勢(shì)，后隨時(shí)間增加呈緩慢直線升高趨勢(shì)；不同之處是垂直層理煤樣在壓裂瞬間軸向應(yīng)力直接跌落，且垂直層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力遠(yuǎn)大于平行層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力，而平行層理煤樣在壓裂瞬間軸向應(yīng)力先瞬間增加后跌落。2種煤樣的振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律也不完全相同，垂直層理煤樣的振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律與圍壓為1 MPa時(shí)此種煤樣的振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律相似；平行層理煤樣的振鈴計(jì)數(shù)在壓裂過程中出現(xiàn)數(shù)次短期大幅激增，但在瀕臨破壞時(shí)的振鈴計(jì)數(shù)相對(duì)較少，這可能是由于圍壓為5 MPa時(shí)，平行層理煤樣在三軸壓裂后期裂隙的擴(kuò)展、延伸較少，因此聲發(fā)射活動(dòng)較少。圍壓為5 MPa時(shí)，垂直層理煤樣的壓裂時(shí)間是平行層理煤樣的2.72倍，而圍壓為1，3 MPa時(shí)垂直層理煤樣的壓裂時(shí)間分別是平行層理煤樣的0.68，0.19倍，且垂直層理煤樣的抗壓強(qiáng)度是平行層理煤樣的1.96倍，說明圍壓越大，層理方向?qū)γ簶恿W(xué)特性的影響越明顯。

整理聲發(fā)射數(shù)據(jù)中的幅值數(shù)據(jù)，得出圍壓為1，3，5 MPa時(shí)幅值-軸向應(yīng)力-時(shí)間圖，如圖7～9所示。

圖7 圍壓為1 MPa時(shí)幅值-軸向應(yīng)力-時(shí)間Fig.7 Amplitude-axial stress-time diagrams with confining pressure of 1 MPa

圖8 圍壓為3 MPa時(shí)幅值-軸向應(yīng)力-時(shí)間Fig.8 Amplitude-axial stress-time diagrams with confining pressure of 3 MPa

圖9 圍壓為5 MPa時(shí)幅值-軸向應(yīng)力-時(shí)間Fig.9 Amplitude-axial stress-time diagrams with confining pressure of 5 MPa

由圖7可知，當(dāng)圍壓為1MPa時(shí)，垂直層理煤樣的幅值表現(xiàn)為波動(dòng)變化趨勢(shì)，在壓裂過程中出現(xiàn)3次峰值，在破壞瞬間出現(xiàn)1次最大峰值。而在壓裂開始109 s后平行層理煤樣的聲發(fā)射幅值數(shù)據(jù)出現(xiàn)1次峰值，之后隨著應(yīng)力的增加，幅值持續(xù)增大，在壓裂瞬間幅值達(dá)到最大值。由圖7還可知，平行層理煤樣在壓裂過程中的聲發(fā)射高幅值事件比垂直層理煤樣的多，意味著平行層理煤樣在壓裂過程中煤樣內(nèi)部變化更劇烈，產(chǎn)生的新裂隙數(shù)更多。

由圖8可知，圍壓為3 MPa時(shí)，垂直層理煤樣的幅值變化規(guī)律與圍壓為1 MPa有所不同，幅值在壓裂開始99 s后出現(xiàn)峰值，在壓裂開始后99 s到842 s期間，聲發(fā)射不活躍，高、低幅值事件均較少，但在瀕臨破壞時(shí)出現(xiàn)大量聲發(fā)射高幅值事件，這可能是因?yàn)榇舜螌?shí)驗(yàn)所用煤樣內(nèi)部含有較多的原生裂隙，在施加軸壓時(shí)，舊裂隙閉合，新裂隙產(chǎn)生較少，所以聲發(fā)射事件較少。而平行層理煤樣的幅值變化規(guī)律與圍壓為1 MPa時(shí)的幅值變化規(guī)律相同，隨著軸向壓力的增加，幅值持續(xù)增大，在壓裂瞬間幅值達(dá)到最大值。同時(shí)可以看出，圍壓為3 MPa時(shí)，平行層理煤樣在壓裂過程中的聲發(fā)射高幅值事件也比垂直層理煤樣的多。

由圖9可知，圍壓為5 MPa時(shí)，垂直層理煤樣的幅值變化規(guī)律與圍壓為1 MPa時(shí)的垂直層理煤樣幅值變化規(guī)律相似，隨時(shí)間推移呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)。平行層理煤樣的幅值變化規(guī)律略有不同，高、低幅值事件在壓裂的全過程均比圍壓為1，3 MPa時(shí)有所減少，尤其在臨近破壞時(shí)高幅值事件大大減少，無(wú)峰值事件出現(xiàn)，但和同圍壓下的垂直層理煤樣相比，平行層理煤樣的聲發(fā)射事件數(shù)更多。

3 結(jié)論

1)圍壓為1，3，5 MPa時(shí)，平行層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力平均增幅為34.5%，遠(yuǎn)小于垂直層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力平均增幅161.21%。圍壓相同時(shí)，垂直層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變大于平行層理煤樣的峰值軸向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變，因此當(dāng)煤巖所受地應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，垂直層理方向的變形更明顯。

2)當(dāng)圍壓為1，3，5 MPa時(shí)，垂直層理煤樣的壓裂時(shí)間分別是平行層理煤樣的0.68，0.19，2.72倍，即層理方向在不同埋深情況下對(duì)力學(xué)特性的影響有較大差異，隨著圍壓增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。

3)圍壓相同時(shí)，平行層理煤樣的聲發(fā)射幅值隨時(shí)間增加而增大，垂直層理煤樣的聲發(fā)射幅值隨時(shí)間增加表現(xiàn)出正弦波變化趨勢(shì)，且平行層理煤樣在壓裂過程中的聲發(fā)射高幅值事件比垂直層理煤樣多。

4)平行層理煤樣的滲透率遠(yuǎn)大于垂直層理煤樣的滲透率，且圍壓越大，初始滲透率越低，說明平行層理方向的孔隙度大于垂直層理方向的孔隙度。