熱-力耦合作用下煤巖體滲流特性研究

易 欣，任 瑤，肖 旸，陳安明，張 琳

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 237500）

隨著開采深度的增加，煤層賦存溫度和應(yīng)力升高，兩者耦合作用下煤巖體結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性弱化。熱力損傷變形促進(jìn)煤巖體孔隙和裂隙的擴(kuò)展和延伸，滲透性增大，空氣滲流增加，煤體破碎易導(dǎo)致煤自燃[1-2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者從溫度和應(yīng)力角度分別研究了對(duì)煤滲透率的影響。Liu、蘇承東等[3-4]對(duì)全應(yīng)力-應(yīng)變過程中煤巖體的抗壓強(qiáng)度、變形機(jī)制及滲透特性進(jìn)行研究；CHU，高宏波等[5-6]發(fā)現(xiàn)滲透性試驗(yàn)中煤巖滲透率與加載圍壓有關(guān)；ZHAO[7]發(fā)現(xiàn)煤層滲透率隨著埋深增加呈減小趨勢(shì)；孟超平、LU 等[8-9]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤樣在殘余階段滲透性隨應(yīng)力增大而減小；ZHU 發(fā)現(xiàn)熱效應(yīng)使煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生微觀改變[10]；梁冰等[11]基于熱彈性理論研究發(fā)現(xiàn)巖石滲透率和溫度呈線性關(guān)系；TENG、YIN 等[12-13]發(fā)現(xiàn)熱膨脹效應(yīng)使煤基質(zhì)孔裂隙空間隨溫度升高而減?。晃墨I(xiàn)［14－15］證實(shí)熱效應(yīng)對(duì)煤滲透率的影響，隨煤巖裂隙閉合程度和埋深的增加而降低；LI 等[16]發(fā)現(xiàn)煤巖體隨溫度升高整體具有壓縮效應(yīng)。煤巖體滲透性能受應(yīng)力和溫度共同影響，而兩者耦合作用下煤滲透率特性研究鮮見報(bào)道。因此，采用MTS815 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了不同圍壓和溫度的煤巖應(yīng)力應(yīng)變和滲透性，以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)熱-力耦合作用下煤巖體滲透率變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 煤樣制備

煤樣選自顧北煤礦6#工作面，由于采樣地點(diǎn)煤巖體破碎程度較高，無法進(jìn)行塊煤取芯制作試樣，需采用成型煤樣進(jìn)行滲透性測(cè)試。型煤制備時(shí)通常選用粒度約為90 目的煤樣用于滲透率、孔隙度與應(yīng)力變化規(guī)律的研究[17-19]。篩選介于80～100 目原煤粉末，添加水、石膏、水泥攪拌。裝入模具后再通過30 MPa 高頻沖擊壓壓制成型，制成6 組型煤煤柱，并在100 ℃烘干后密封保存。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法

試驗(yàn)采用美國明尼蘇達(dá)Smit 公司產(chǎn)MTS815 巖石力學(xué)伺服系統(tǒng)進(jìn)行圍壓加載及數(shù)據(jù)采集工作。試驗(yàn)加載方式及速率依據(jù)《煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測(cè)定方法》中規(guī)定，即三軸試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力控制時(shí)以1 MPa/min 循環(huán)加載至煤樣破壞，測(cè)試圍壓分別為1.0、2.0、4.0 MPa。

滲流試驗(yàn)時(shí)軸向加載速率為0.001 5 mm/s，圍壓分別為1.0、2.0、4.0 MPa，并升溫至50 ℃和100℃以研究溫度對(duì)煤巖滲透率的影響。靜水壓力對(duì)于熱加載具有一定的影響[20]，因此，采用水為滲流介質(zhì)，水壓設(shè)置為0.5、1.5、3.5 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤樣應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

煤樣應(yīng)力-應(yīng)變及滲透性測(cè)試結(jié)果見表1，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1。

圖1 煤樣三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Triaxial stress-strain curves of briquette

表1 煤樣全應(yīng)力應(yīng)變主要特性參數(shù)Table 1 Main characteristic parameters of total stress and strain of coal samples

圖中：σ1為軸壓；σ3為圍壓；σ1-σ3為偏應(yīng)力。煤樣三軸破壞過程具有壓密、彈性、塑性、峰后破壞及殘余等5 個(gè)特征形變階段[20]。由于型煤制作時(shí)經(jīng)30 MPa 高頻沖擊壓壓制較為致密，經(jīng)水軟化的飽和煤樣所受滲透壓與軸向靜水壓互相抵消，因此煤樣壓密階段并不顯著。

在峰前階段，煤樣應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系近似呈線性關(guān)系；達(dá)到峰值應(yīng)力進(jìn)入峰后段，應(yīng)力下降至較低值（殘余強(qiáng)度）。隨著圍壓提高，煤樣峰值應(yīng)力及殘余強(qiáng)度增大，塑性特征漸顯現(xiàn)。

50 ℃時(shí)煤樣變形破壞具有強(qiáng)度低、變形大的特征。隨圍壓增加，煤樣峰值偏應(yīng)力由1.4 MPa 上升至3.6 MPa，軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變均超過2%，達(dá)到峰值后，試樣表現(xiàn)出較高剩余強(qiáng)度。100 ℃時(shí)隨圍壓增加，煤樣峰值偏應(yīng)力增加至4.9 MPa；在圍壓4 MPa和水壓1.5 MPa 下，溫度升高產(chǎn)生的熱效應(yīng)使煤樣發(fā)生熱膨脹[21]，內(nèi)部顆粒之間相互摩擦擠壓，煤樣結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此煤樣抵抗變形能力下降；隨著應(yīng)力的增加，煤樣應(yīng)變?cè)鲩L的速率加快，煤樣軸向變形接近5%，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征和較強(qiáng)的延展性。

總體來看，在同溫條件下，隨著圍壓增加，煤樣峰值偏應(yīng)力有不同程度的增加，其抗壓強(qiáng)度均得到了提升；同圍壓條件下，隨著溫度增加，煤樣軸向、環(huán)向、體積應(yīng)變?cè)鲩L速率加快，其塑性得到提升。

2.2 熱-力耦合作用下的煤樣滲透性特性

熱-力耦合作用下飽和型煤滲透性如圖2。

由圖2 可以看出，煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與滲透率曲線變化趨勢(shì)一致。以圖2（c）為例，分別從5 個(gè)特征階段分析煤樣滲透率變化趨勢(shì)：①初始密壓階段（OA 段）：煤樣原生裂隙通道壓密閉合，滲透率從6.60×10-12m2下降至2.30×10-12m2；②線彈性變形階段（AB 段）：煤樣滲透率呈緩慢增加趨勢(shì)，滲透率從2.30×10-12m2增加到9.18×10-12m2；③峰值強(qiáng)度階段（BC 段）：到達(dá)非線性變階段后，煤樣內(nèi)部裂隙持續(xù)擴(kuò)展、貫通伴隨著宏觀縫隙的出現(xiàn)，滲透率從9.18×10-12m2增長到2.40×10-11m2；④應(yīng)變軟化階段（CD段）：煤樣到達(dá)破壞階段后，破裂面上出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，原有裂隙和新生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展貫通，煤樣滲透率達(dá)到峰值；⑤殘余階段（DE 段）：峰值應(yīng)力點(diǎn)后，煤樣內(nèi)部孔裂隙閉合量較大，可壓縮滲流空間減小，滲透率從2.60×10-11m2下降到1.34×10-11m2。

圖2 全應(yīng)力應(yīng)變過程中煤樣滲透性Fig.2 Permeability during complete stress-strain process

不同圍壓條件時(shí)煤樣滲透率如圖3。

結(jié)合表1 及圖3 可知：100 ℃溫度的煤樣滲透率從圍壓1 MPa 時(shí)的（0.20～0.69）×10-11m2達(dá)到4 MPa 時(shí)的（0.55 ～3.51）×10-11m2，表明煤樣滲透率隨圍壓增大而上升；壓實(shí)階段同圍壓條件下，在溫度作用下，煤基質(zhì)內(nèi)部發(fā)生熱膨脹[22]而引起內(nèi)部裂隙閉合，因此，煤巖在較低溫度（50 ℃）時(shí)的滲透性強(qiáng)于較高溫度（100 ℃）；隨加載進(jìn)行，當(dāng)煤樣內(nèi)部熱膨脹作用力超過煤基質(zhì)之間的拉應(yīng)力屈服強(qiáng)度時(shí)，煤巖體內(nèi)部裂隙張開，并伴有新裂隙發(fā)育使得煤樣滲透率相應(yīng)增加。

圖3 不同溫度下煤樣軸向應(yīng)變-滲透率曲線Fig.3 Axial strain-permeability curves of coal samples

煤樣在不同階段滲透率變化圖如圖4。

由圖4 和表1 可知：熱-力耦合作用下的滲透率-應(yīng)變曲線呈倒“V’型變化規(guī)律，即隨著軸向應(yīng)變的增加，滲透率先增加后減小；同一軸向應(yīng)變下，溫度越高，滲透率越高；加載后期煤樣滲透率變化趨勢(shì)越平緩。表明隨著煤樣內(nèi)部宏觀裂縫數(shù)量和滲流通道體積的增加，煤體在溫度、應(yīng)力耦合作用的滲透率總體是增加的。隨著滲透率增加，煤樣內(nèi)部裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通形成裂隙網(wǎng)絡(luò)甚至形成較大裂縫。這些裂隙網(wǎng)絡(luò)為空氣流通提供了通道，促進(jìn)了煤氧的復(fù)合反應(yīng)，從而加劇了井下煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 煤樣在不同階段滲透率變化圖Fig.4 Change graph of coal permeability at special characteristic stages

3 結(jié) 論

1）煤樣隨著圍壓增加，抗壓強(qiáng)度和延展性增強(qiáng)。同圍壓條件下，煤樣環(huán)向應(yīng)變、體積應(yīng)變隨溫度的升高而減小，抗形變能力越小。

2）在三軸滲流試驗(yàn)中，100 ℃下，煤樣在1 MPa和4 MPa 圍壓下的峰值滲透率分別為0.69×10-11m2和3.51×10-11m2，滲透率隨著圍壓增加明顯增大，100 ℃下煤滲透率總是高于50 ℃，溫度對(duì)煤樣裂紋擴(kuò)展、衍化以及新裂紋有促進(jìn)作用。

3）煤巖內(nèi)部新生裂隙隨溫度及應(yīng)力增加進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通形成更為復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)，空氣滲流通道擴(kuò)展，氧氣在煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)中的滲流作用加強(qiáng)，從而加劇了井下煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。