水分對(duì)煤全應(yīng)力-應(yīng)變過程滲流特征的影響

莊小威 ，唐 朝 ，武海濤

（1.山西潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

隨著煤層開采深度不斷增加，煤層瓦斯的滲透特性不僅與所處應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而且還受煤巖體本身含水情況影響[1]。對(duì)于富水煤層、頂板淋水的高瓦斯煤層、需要注水降低沖擊傾向性的煤層以及采用水力增透技術(shù)促抽瓦斯的煤層，煤層含水率必然較高，影響煤層瓦斯抽采效率。因此，探究煤巖水分和地應(yīng)力綜合影響下的瓦斯?jié)B流特征對(duì)含水煤層瓦斯抽采有著重要的工程意義。

在煤巖滲透特性方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。李波波等[2]針對(duì)煤巖滲透率的問題，采用降低孔隙壓力、升高溫度的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，得到不同孔隙壓力下煤巖滲透率隨溫度先降低后升高的特點(diǎn)；潘一山等[3]通過電荷信號(hào)傳輸系統(tǒng)，證明了圍壓卸荷過程煤巖瓦斯?jié)B流特性、電荷感應(yīng)規(guī)律與煤巖的內(nèi)部損傷演化過程密切相關(guān)；尹光志等[4]以型煤為研究對(duì)象，討論了地應(yīng)力對(duì)突出煤瓦斯?jié)B透率的影響。此外，在應(yīng)力-應(yīng)變方面，曹樹剛等[5]通過室內(nèi)三軸壓縮滲流試驗(yàn)，進(jìn)行了型煤和原煤在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中的滲透特性對(duì)比研究；尹光志等[6]研究了全應(yīng)力-應(yīng)變過程中煤巖的瓦斯?jié)B透特性，指出煤巖內(nèi)部孔隙裂隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度直接決定著煤巖內(nèi)的瓦斯流動(dòng)特性變化；黃啟翔[7]以型煤為對(duì)象，研究了瓦斯壓力對(duì)煤巖材料全應(yīng)力-應(yīng)變過程中瓦斯?jié)B透特性的影響，在一定的瓦斯壓力范圍內(nèi)，增加瓦斯壓力可增大煤樣的滲透率；秦慶詞等[8]對(duì)巖石全應(yīng)力-應(yīng)變過程損傷特征進(jìn)行研究，從理論上確定了巖石殘余強(qiáng)度點(diǎn)應(yīng)變約為峰值應(yīng)變的4 倍，即當(dāng)軸向應(yīng)變大于等于4 倍的峰值應(yīng)變時(shí)，巖石承載能力將趨于穩(wěn)定。

目前，針對(duì)不同含水煤巖瓦斯?jié)B透特性[9-11]、不同應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)煤巖瓦斯?jié)B透特性[12-14]的研究成果豐富，但有關(guān)水分對(duì)煤巖的全應(yīng)力-應(yīng)變滲流特征影響研究成果較少。因此，為了探究水分對(duì)煤力學(xué)性質(zhì)和滲流特征的影響，采用干燥煤樣和飽水煤樣開展了全應(yīng)力-應(yīng)變滲流實(shí)驗(yàn)，分析了2種含水狀態(tài)煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變特征及滲透率演化規(guī)律；研究成果對(duì)含水煤層瓦斯抽采有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

1）煤樣基礎(chǔ)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)煤樣采自山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司3#煤層，實(shí)測(cè)煤樣水分為1.13%，灰分6.61%，揮發(fā)分為12.59%。

2）煤樣制備。實(shí)驗(yàn)煤樣為原煤煤樣，具體制作方法如下：利用HZ-15 鉆孔取心機(jī)，將現(xiàn)場(chǎng)取來的原始煤塊沿垂直層理方向鉆取直徑約為50 mm的煤心，然后用切割機(jī)將取出的煤心切割成φ50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)煤樣，最后用端磨機(jī)和砂紙將煤樣兩端面打磨平整。

對(duì)制取的標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行不同含水條件處理：①將煤樣1 置于烘干箱中，在105 ℃溫度下烘干12 h 以上制成干燥煤樣待用；②將煤樣2 采用真空飽水裝置將煤樣制成飽水煤樣待用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用遼寧工程技術(shù)大學(xué)三軸滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由軸向應(yīng)力加載系統(tǒng)、三軸壓力室、伺服液壓控制系統(tǒng)、氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。軸向應(yīng)力加載系統(tǒng)通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載；三軸壓力室內(nèi)穩(wěn)定的圍壓由伺服液壓控制系統(tǒng)提供；氣體壓力和流量通過氣體壓力表和氣體流量計(jì)獲得；煤樣應(yīng)變通過應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取。應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由反光鏡面、圖測(cè)橡膠、高精度攝像機(jī)以及圖像分析軟件構(gòu)成，原理為光學(xué)圖像監(jiān)測(cè)，以圖測(cè)橡膠膜上白色監(jiān)測(cè)區(qū)域變化來推算煤樣軸向變形量。三軸滲流裝置及萬能試驗(yàn)機(jī)如圖1，試件軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)如圖2。

圖1 三軸滲流裝置及萬能試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Three-axial seepage device and universal test machine

圖2 試件軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)Fig.2 Coal sample axial strain monitoring

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

煤層瓦斯主要成分為CH4，通常還包括CO2、H2S、N2以及H2O[15]。實(shí)驗(yàn)采用在較低壓力下與CH4吸附特性、滲流特性相似的CO2氣體，來模擬水分對(duì)煤全應(yīng)力-應(yīng)變過程瓦斯?jié)B流特征的影響。實(shí)驗(yàn)氣體壓力為1 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）試樣準(zhǔn)備。用游標(biāo)卡尺測(cè)量煤樣直徑和高度，并迅速稱量煤樣質(zhì)量。

2）安裝試件。用專用橡膠膜包裹煤樣后，再套上1 層圖測(cè)橡膠膜；將包裹好的煤樣安裝到壓桿與底座之間，并用箍筋箍緊上下兩端，再按照順序依次連接各氣體管路及系統(tǒng)；最后密封腔體并檢查裝置氣密性（后2 個(gè)煤樣為鏡像，監(jiān)測(cè)試件背面的應(yīng)變量）。

3）初始條件設(shè)定。將腔體內(nèi)注滿水后，用伺服液壓控制系統(tǒng)向密封室中施加一定圍壓，將密封室中空氣排空；設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃，以0.5 MPa為梯度對(duì)煤樣交替施加軸壓和圍壓至5 MPa。

4）吸附平衡。達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度后，持續(xù)通入1 MPa氣壓穩(wěn)定的CO2氣體，使煤樣充分吸附24 h。

5）加載實(shí)驗(yàn)。煤樣充分吸附CO2后打開出氣閥，釋放30 min 的氣體，待出口端氣體流量穩(wěn)定后，開始加載軸向應(yīng)力。軸向應(yīng)力采用位移控制，加載速率0.1 mm/min，直至煤樣完全破壞。

6）含水率測(cè)試。飽水煤樣實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，迅速取出進(jìn)行稱重，再將稱重后的煤樣放入烘干箱在105 ℃溫度下烘干12 h 以上，直至1 h 內(nèi)試件質(zhì)量變化小于0.005 g，取出煤樣再次迅速稱重，烘干前后煤樣質(zhì)量差為水分質(zhì)量，水分質(zhì)量與烘干前煤樣質(zhì)量百分比即為煤樣含水率，實(shí)測(cè)飽水煤樣含水率為2.45%。

7）重復(fù)試驗(yàn)。更換試件為干燥煤樣，重復(fù)以上步驟1）～步驟5）。

1.4 滲透率計(jì)算方法

依據(jù)達(dá)西定律可計(jì)算煤樣的滲透率，具體計(jì)算公式為[9,16]：

式中：K為煤樣實(shí)測(cè)滲透率，m2；Q0為氣體流量，m3/s；p0為測(cè)量點(diǎn)的大氣壓力，MPa；μ為氣體動(dòng)力黏性，MPa?s；L為試樣長(zhǎng)度，m；A為試樣橫截面積，m2；p1為進(jìn)口的氣體壓力，MPa；p2為出口的氣體壓力，MPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變特征

干燥煤樣和飽水煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及階段劃分如圖3。

圖3 干燥煤樣和飽水煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及階段劃分Fig.3 Total stress-strain curves and stage division of dry coal sample and saturated coal sample

從圖3 可以看出，干燥煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有非線性壓密階段、線彈性變形階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段、應(yīng)力跌落階段和應(yīng)變軟化階段5 個(gè)階段[5,17]。在非線性壓密階段，由于是采用位移加載的方式，軸向應(yīng)變逐漸增大，煤樣初始缺陷逐漸閉合，孔隙率降低，煤樣軸向應(yīng)力隨時(shí)間基本不變；在線彈性壓密階段，煤基質(zhì)產(chǎn)生壓縮變形，軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系；在應(yīng)變強(qiáng)化階段，軸向應(yīng)力進(jìn)一步加大使煤樣內(nèi)部發(fā)生了損傷，并產(chǎn)生越來越多的微裂紋[5]；在應(yīng)力跌落階段，煤樣經(jīng)歷峰值應(yīng)力破壞，其損傷由連續(xù)性損傷發(fā)展為局部性損傷[5]，軸向應(yīng)力急劇下降；在應(yīng)變軟化階段，由于裂隙進(jìn)一步發(fā)育，軸向應(yīng)力緩慢下降，軸向應(yīng)變持續(xù)增大。

從圖3 還可以看出，飽水煤樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線僅具有非線性壓密階段、線彈性變形階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段和應(yīng)力跌落階段4 個(gè)階段，應(yīng)變軟化階段消失。

煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以很好地表現(xiàn)煤樣從受力到破壞的全過程，煤樣力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤樣力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal samples

由表1 可知：干燥煤樣抗壓強(qiáng)度為9.50 MPa，彈性模量為2.46 GPa，峰值應(yīng)力為34.49 MPa，應(yīng)力跌落后應(yīng)力為25.54 MPa；飽水煤樣抗壓強(qiáng)度為8.65 MPa，彈 性 模 量 為2.25 GPa，峰 值 應(yīng) 力 為34.42 MPa，應(yīng)力跌落后應(yīng)力為19.85 MPa。對(duì)比而言，飽水煤樣彈性模量和峰值應(yīng)力有所下降，其中，抗壓強(qiáng)度下降了8.95%，彈性模量降低了8.54%，峰值應(yīng)力降低了8.90%，這表明了水分對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的弱化作用[16]。

在應(yīng)力跌落階段，煤樣處于應(yīng)力極限平衡失穩(wěn)的狀態(tài)，煤樣損傷發(fā)展為局部性損傷，應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)大幅度跌落。定義煤樣應(yīng)力跌落階段下降的應(yīng)力占峰值應(yīng)力的百分比為應(yīng)力跌落幅度。由表1 計(jì)算得出，干燥煤樣和飽水煤樣的應(yīng)力跌落幅度分別為25.95%和36.82%。顯然，飽水煤樣應(yīng)力跌落幅度更大，比干燥煤樣應(yīng)力跌落幅度大10.87%。這是由于水分對(duì)煤的軟化作用使煤樣塑性增強(qiáng)、力學(xué)強(qiáng)度降低[18-19]；同時(shí)，水分的存在會(huì)還使氣體運(yùn)移的通道堵塞，造成局部區(qū)域瓦斯壓力上升，促進(jìn)氣體壓力對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的損傷，表現(xiàn)出應(yīng)力跌落幅度增大。

2.2 煤樣滲透率與軸向應(yīng)力關(guān)系

2 種煤樣滲透率與軸向應(yīng)力的關(guān)系如圖4。

圖4 2 種煤樣滲透率與軸向應(yīng)力的關(guān)系Fig.4 Relationship between permeability and axial stress of two types of coal samples

從圖4 可以看出：

1）在峰值應(yīng)力前，干燥煤樣滲透率隨軸向應(yīng)力增大緩慢增大，滲透率從1.05×10-17m2增大到1.08×10-17m2，增長(zhǎng)了2.86%。而飽水煤樣在達(dá)到峰值應(yīng)力前滲透率基本不變。

2）軸向應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后，煤樣發(fā)生破壞，干燥煤樣軸向應(yīng)力開始下降并逐漸趨于平穩(wěn)，滲透率仍處于增大趨勢(shì)；飽水煤樣滲透率在峰值應(yīng)力處急劇增大，從0.45×10-18m2增大到2.90×10-18m2，滲透率增加了5.44 倍。峰值應(yīng)力后，由于煤樣局部損傷嚴(yán)重，位移加載下的軸向應(yīng)力急劇下降，直至煤樣完全破壞。

2.3 煤樣滲透率與軸向應(yīng)變的關(guān)系

2 種煤樣滲透率與軸向應(yīng)變的關(guān)系如圖5。

圖5 2 種煤樣滲透率與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.5 Relationship between permeability and axial strain of two types of coal samples

從圖5 可以看出：

1）干燥煤樣滲透率隨軸向應(yīng)變?cè)龃蠖龃?，整體呈線性關(guān)系；干燥煤樣隨著軸向應(yīng)變?cè)龃螅瑵B透率增長(zhǎng)緩慢，從初始滲透率1.05×10-17m2增大到1.20×10-17m2，滲透率增長(zhǎng)了14.3%。

2）飽水煤樣滲透率和軸向應(yīng)變的關(guān)系有明顯的階段性，可分為穩(wěn)定滲流和快速滲流2 個(gè)階段。①穩(wěn)定滲流階段：當(dāng)煤樣軸向應(yīng)變小于1.4%時(shí)，其滲透率基本保持為初始滲透0.45×10-18m2不變；②快速滲流階段：當(dāng)煤樣軸向應(yīng)變大于1.4%時(shí)，煤樣達(dá)到峰值強(qiáng)度發(fā)生破壞，滲透率由0.45×10-18m2急劇增大至3.9×10-18m2，較初始滲透率增加了7.67 倍。

從圖5 還可以發(fā)現(xiàn)，干燥煤樣初始滲透率為1.05×10-17m2，飽水煤樣初始滲透率為0.45×10-18m2，干燥煤樣初始滲透率比飽水煤樣初始滲透率更大，是飽水煤樣的23.33 倍。在煤樣達(dá)到峰值應(yīng)力前，干燥煤樣的滲透率始終比飽水煤樣的滲透率大，水分的存在使煤樣滲透率顯著降低。這是因?yàn)樗肿邮菢O性分子，并且煤基質(zhì)主要成分也是極性分子，故煤樣表現(xiàn)出很強(qiáng)的親水性。隨煤樣含水率的增加，水分優(yōu)先吸附在煤基質(zhì)表面導(dǎo)致氣體吸附位減少并占據(jù)滲流通道[20]，故氣體滲透率隨含水率增大呈減小趨勢(shì)。此外，水分具有濕潤(rùn)性，吸附性氣體的黏滯阻力性會(huì)隨著水分含量的不同而發(fā)生變化。吸附水分過程中煤樣的吸附特性會(huì)發(fā)生改變，吸附特性從單層吸附變成多層吸附[21-22]，最終產(chǎn)生毛細(xì)凝聚作用，并占據(jù)瓦斯?jié)B流的通道，降低了煤巖的有效孔隙率，最終導(dǎo)致煤巖滲透率隨著含水率的增大而減小。

3 討 論

綜上所述，水分對(duì)煤力學(xué)性質(zhì)和滲流特征都會(huì)產(chǎn)生較大影響。2 種煤樣應(yīng)力-應(yīng)變各階段的滲透率見表2。其中，線彈性壓密階段與應(yīng)變強(qiáng)化階段的分界點(diǎn)在斜率變化20%處，應(yīng)變強(qiáng)化階段與應(yīng)力跌落階段分界點(diǎn)在峰值應(yīng)力處，應(yīng)力跌落階段與應(yīng)變軟化階段分界點(diǎn)在最大斜率變化80%處。

表2 2 種煤樣應(yīng)力-應(yīng)變各階段的滲透率Table 2 Permeability at each stage of stress-strain for two coal samples

由表2 可知，煤樣力學(xué)特性受水分影響，飽水煤樣各階段對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)力比干燥煤樣各階段對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)力低8.9%～20.4%，且應(yīng)變軟化階段消失。對(duì)比各階段軸向應(yīng)變和滲透率可以發(fā)現(xiàn)，飽水煤樣各階段軸向應(yīng)變比干燥煤樣各階段軸向應(yīng)變低5.5%～29.4%；飽水煤樣各階段滲透率比干燥煤樣各階段滲透率低79.3%～95.2%。全應(yīng)力-應(yīng)變各個(gè)階段飽水煤樣滲透率都遠(yuǎn)低于干燥煤樣，在應(yīng)力跌落階段末段飽水煤樣滲透率仍低于干燥煤樣79.3%。因此，水分的存在不僅使煤樣力學(xué)性能降低，還會(huì)導(dǎo)致煤樣初始滲透率及煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變過程滲透率降低。

對(duì)于高瓦斯低滲透煤層而言，現(xiàn)場(chǎng)通常采用開采保護(hù)層、水力壓裂、水力割縫、水力沖孔、CO2相變預(yù)裂及高壓空氣爆破致裂等方式增強(qiáng)煤層透氣性，以提高煤層瓦斯抽采效率。采用水力壓裂、水力割縫及水力沖孔等水力化措施增強(qiáng)煤層透氣性必然導(dǎo)致煤層含水率增大，通常處于飽水狀態(tài)，這種情況下，水分的大量存在抑制瓦斯流動(dòng)，實(shí)際降低了煤層增透效果。因此，需要及時(shí)對(duì)水力壓裂、水力割縫及水力沖孔等水力化增透措施過程中產(chǎn)生的水進(jìn)行疏排。此外，當(dāng)煤層初始含水率較高時(shí)，無論是否采用水力化增透措施，加強(qiáng)煤層排水也有利于提高煤層透氣性。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）干燥煤樣和飽水煤樣具有不同的全應(yīng)力-應(yīng)變特征。干燥煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有非線性壓密階段、線彈性變形階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段、應(yīng)力跌落階段和應(yīng)變軟化階段5 個(gè)階段；而飽水煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線僅具有4 個(gè)階段，全應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)變軟化階段消失。

2）水分對(duì)煤體力學(xué)特性有一定的弱化作用。飽水煤樣與干燥煤樣相比，抗壓強(qiáng)度下降了8.95%，彈性模量降低了8.54%，峰值應(yīng)力降低了8.90%，應(yīng)力跌落幅度增大了10.87%。

3）干燥煤樣滲透率隨應(yīng)變?cè)龃蠖龃?，整體呈線性關(guān)系；飽水煤樣滲透率和應(yīng)變的關(guān)系有明顯的階段性，可分為穩(wěn)定滲流階段和快速滲流階段。

4）為提高煤層增透效果，應(yīng)加強(qiáng)疏排水力增透措施產(chǎn)生的水；當(dāng)煤層初始含水率較高時(shí)，無論是否采用水力化增透措施，加強(qiáng)煤層排水也有利于提高煤層透氣性。