潘榮錕,程遠(yuǎn)平,董 駿,陳海棟

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇徐州 221008;2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454000)

不同加卸載下層理裂隙煤體的滲透特性研究

潘榮錕1,2,程遠(yuǎn)平1,董 駿1,陳海棟1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇徐州 221008;2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454000)

為獲取不同載荷條件層理裂隙煤體滲透演化規(guī)律,采用煤巖滲透－力學(xué)試驗系統(tǒng),在加載、卸載過程中對含層理原煤試件進(jìn)行滲透實驗研究。實驗結(jié)果表明:加載階段,隨著有效應(yīng)力的增大,層理面間隙寬變小,滲透率降低,加載初期的滲透率急劇降低,當(dāng)有效應(yīng)力從1 MPa升高到7 MPa時,滲透率下降近81%,隨后滲透率的變化趨于平緩;卸載階段,隨著圍壓的不斷卸除,受壓的層理裂隙得以逐漸恢復(fù),滲透率逐漸增大,但最終滲透率只恢復(fù)到初始值的14%,即加載過程煤體層理裂隙變形、閉合對裂隙面造成永久性的損傷,使得在卸載過程中難以恢復(fù)而造成滲透率損失;并結(jié)合實驗條件建立了層理裂隙煤體滲透率與有效應(yīng)力之間的理論模型,與實驗結(jié)果對比分析,具有較好的吻合度。

加卸載;層理裂隙;滲透率;原煤樣;有效應(yīng)力

煤層是由煤顆粒、孔隙、裂隙、黏土和碳酸鹽等組成的混雜體,在漫長的地質(zhì)年代由于成煤物質(zhì)成分、顆粒大小、膠結(jié)物、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等差異使煤層具有層理特性。層理是煤層中發(fā)育最廣泛的構(gòu)造,層理裂隙對煤的穩(wěn)定性、可采性及氣體的流動狀態(tài)都有決定性的影響[1],其存在破壞了煤體的連續(xù)性和整體性,改變煤層應(yīng)力分布狀態(tài)[2],成為煤體強(qiáng)度、變形和滲透特性的主控因素。采動后易引起煤體層理裂隙發(fā)育、貫通及煤體變形甚至破壞,影響著瓦斯?jié)B流和擴(kuò)散,直接控制著瓦斯導(dǎo)流方向和富集特征,進(jìn)而極大地影響到煤層瓦斯抽采效果。瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的關(guān)鍵技術(shù)措施[3－4],滲透率是礦井瓦斯抽采的關(guān)鍵參數(shù),我國煤層賦存普遍滲透率低,當(dāng)瓦斯從煤層中被抽采時,在應(yīng)力、煤體構(gòu)造和采動變形的影響下,滲透率的差異較大,尤其是在層理裂隙方向上,如何基于層理裂隙特征進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔的設(shè)計和布置,將對提高抽采效果和實現(xiàn)抽采最大化有著重要意義。

目前,就層理裂隙對煤體的滲透影響研究方面,國內(nèi)學(xué)者黃學(xué)滿[5]曾基于煤結(jié)構(gòu)異性對瓦斯?jié)B透特性的影響,分析了煤體中不同層理方向?qū)ν咚節(jié)B透影響的差異性;于永江等[6]從層理角度研究了沖擊對煤的強(qiáng)度影響;陳金剛、秦勇等[7]就煤層割理方向性與煤層抽采效果之間耦合關(guān)系進(jìn)行了現(xiàn)場試驗,建立了煤層氣抽采效果預(yù)測模型;畢建軍、蘇現(xiàn)波[8]通過實驗詳細(xì)研究了割理與煤級的關(guān)系。而國外在20世紀(jì)70年代煤層氣開發(fā)過程中就意識到層理、割理具有的重要意義,相關(guān)的研究如Pomeroy和Robinson[9]利用水做滲流實驗時,發(fā)現(xiàn)當(dāng)圍壓垂直于層理面時,水的滲透率發(fā)生顯著變化;Koenig和Stubbs[10]對美國Warrior盆地煤層的滲透率進(jìn)行了實驗,指出不同層理方向滲透率比達(dá)17∶1;Jishan Liu[11],Huoyin Li[12]等在不同層理、節(jié)理條件下,進(jìn)行了滲透試驗,指出層理、節(jié)理構(gòu)造對滲透和變形均有著重要影響。上述研究取得了一些有益成果,但均未對不同加卸載條件下含層理原煤進(jìn)行變形和滲透特性實驗研究。為此筆者采集了具有層理構(gòu)造的大塊煤樣,制取了平行層理的原煤試樣,深入研究不同加卸載條件下層理裂隙煤體的變形和滲透演化特性。

1 實驗部分

1.1 實驗煤樣的制取

實驗煤樣采自中國山西晉城寺河煤礦3號煤層,取得的大塊煤樣層理、條紋清晰,原生裂隙不明顯,表面光滑、微孔中存在部分小顆粒煤,從大塊煤樣沿層理方向制取圓柱形實驗用原煤樣,然后按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸?50 mm×100 mm進(jìn)行切割,制得的原煤樣如圖1所示,其基本屬性見表1。

圖1 原煤樣制取及層理示意Fig.1 Coal making and schematic diagram of bedding

表1 煤樣試件基本屬性Table 1 Summarizes the properties of coal

對試件的兩端及側(cè)面進(jìn)行仔細(xì)研磨,不平行度和不垂直度均小于0.02 mm,加工精度滿足煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法的要求。

1.2 實驗裝置與方法

實驗前對原煤試件尺寸、質(zhì)量進(jìn)行測量并記錄,然后用熱縮管包裹好,保證其良好氣密性,置于煤巖滲流－力學(xué)耦合特性測定儀進(jìn)行滲透實驗。由于煤礦開采從力學(xué)的角度而言是煤巖體歷經(jīng)加卸載過程,即在采動擾動下,采煤工作面前方煤巖體靜水壓力不斷升高,隨著采煤工作面的推進(jìn),相應(yīng)位置煤巖體的應(yīng)力不斷解除。為此本實驗設(shè)計的力學(xué)路徑:在孔隙壓力恒定為1 MPa條件下,等量加軸壓、圍壓至12 MPa后,恒定軸壓卸圍壓,具體的路徑示意分別如圖2,3所示。

圖2 加載過程示意Fig.2 The process of loading

本實驗滲透率測試采用瞬態(tài)脈沖法,其原理:平衡試件兩端壓力后,提高一端壓力,使試件產(chǎn)生瞬間脈沖壓差,隨時間推移,上游壓力將逐步降低,而下游壓力將逐步增加,直至試件兩端壓力重新達(dá)到新平衡狀態(tài),測得壓力隨時間變化關(guān)系[13]。然后結(jié)合式(1)

圖3 卸載過程示意Fig.3 The process of unloading

可計算出該條件下的滲透率。

式中,δP(t)為時間t時的壓力變化量,MPa;δP(t0)為初始時間t0的壓力變化量,MPa;λ為壓差隨時間衰減過程中的指數(shù)擬合因子;k為煤樣滲透率,m2;μ為氣體黏度系數(shù),Pa·s;A為試件截面積,m2;L為試件長度,m;Su,Sd為上游、下游的儲留系數(shù)。

2 試驗結(jié)果與理論分析

根據(jù)實驗條件,聯(lián)立式(1)計算煤樣在加卸載條件下的滲透率,測試結(jié)果見表2。

表2 滲透率測試結(jié)果Table 2 The experimental results of permeability

根據(jù)表2實驗結(jié)果,建立在加、卸載過程中滲透率演化與有效應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 滲透率與有效應(yīng)力曲線Fig.4 Permeability versus effective stress

由圖4可以看出,在加載階段,滲透率隨著有效應(yīng)力的增大而減小,加載初期滲透率急劇減小,此時滲透的變化率最大。當(dāng)有效應(yīng)力從1 MPa升高到7 MPa時,滲透率下降近81%,這與層理裂隙面的力學(xué)性能有關(guān)。層理面的抗壓強(qiáng)度較弱,受力后層理裂隙易閉合且裂隙間的充填物受壓縮,裂隙強(qiáng)度逐漸增大,使裂隙面抗變形能力增強(qiáng),此過程為復(fù)雜的彈塑性變形過程,滲透率呈現(xiàn)顯著降低。當(dāng)有效應(yīng)力介于7～11 MPa時,滲透率的變化趨于平緩,煤體變形亦趨于緩慢,裂隙面閉合度接近最大值。在卸載階段,滲透率隨著有效應(yīng)力的減小而增大,卸載初期從11 MPa卸至7 MPa過程中,滲透率的增幅不大,表明受壓縮的裂隙在卸載后無法快速恢復(fù)。當(dāng)有效應(yīng)力小于7 MPa時,滲透率隨著有效應(yīng)力卸除而急增,受壓縮的層理裂隙面得以恢復(fù)和新裂隙的產(chǎn)生。

從整個滲透率演化特性來看,在相應(yīng)的有效應(yīng)力下,加載過程的滲透率比卸載過程滲透率均要大,即卸載并非是加載過程的簡單逆過程,且有效應(yīng)力越低兩者滲透率差值越大。則加載過程煤體內(nèi)部裂隙發(fā)生永久性損傷,層理裂隙損傷致使其難以在卸載過程得以愈合,最終滲透率只恢復(fù)到初始值的14%。因存在軸壓,使得相應(yīng)的卸載量下,圍壓越低,滲透率恢復(fù)越快。在開采過程中煤體卸壓變形后,煤層滲透率增大,煤層中瓦斯更易從煤體中釋放,將易引起瓦斯積聚,從而增加瓦斯超限或煤與瓦斯突出的危險性。

由于本實驗采用原煤進(jìn)行滲透實驗,滲透率比較小,試件兩端達(dá)到新的平衡需要較長時間,壓力隨時間變化如圖5所示,單次滲透率的測試時間均為12 h以上。

圖5 壓力與時間關(guān)系曲線Fig.5 Pressure versus with time

受實驗條件的限制,并非所有的有效應(yīng)力條件下均可實測試樣的滲透率,因此通過理論分析建立相應(yīng)的滲透模型是有必要的。為掌握整個實驗過程滲透率演化特性,對煤體受力作分析,如圖6所示,其有效應(yīng)力由軸壓、圍壓和孔隙壓力共同作用,據(jù)此建立有效應(yīng)力與滲透率關(guān)系模型。

圖6 煤體受力示意模型Fig.6 Sketch of coal sample under different stress

對于裂隙煤巖體加卸載過程,諸多學(xué)者對滲透率與裂隙關(guān)系進(jìn)行了研究[14－15]。Eric P.Robertson曾提出滲透率與裂隙之間關(guān)系[16]為式中,Δk為滲透率變化量;Δp為壓力變化量;b0為裂隙初始寬度;b為裂隙寬度;a0為裂隙間的初始長度; a為煤基質(zhì)的長度;Cf為裂隙壓縮系數(shù);Δpf為孔隙壓力變化量;Δpob為軸壓變化量;E為楊氏模量;ν為泊松比;Smax為朗格繆爾應(yīng)變;pL為朗格繆爾壓力;pfo為初始孔隙壓力。

結(jié)合本實驗的過程與條件,實驗中的孔隙壓力pf為恒定值,即Δpf=0,測試過程吸附膨脹變形可以忽略,則式(2)可簡化為

由C.R.McKee等[18]提出的裂隙壓縮系數(shù)與有效應(yīng)力之間的關(guān)系式為其中,c0為初始裂隙壓縮系數(shù);α為裂隙壓縮系數(shù)變化率;σ為有效應(yīng)力;σ0初始有效應(yīng)力。假設(shè)在卸載過程中,有效應(yīng)力主要是由軸向應(yīng)力引起,則聯(lián)合式(4)和式(5)可得出該實驗條件下裂隙煤體滲透率與有效應(yīng)力之間的關(guān)系式為

對式(6)進(jìn)行作滲透率變化曲線擬合,并結(jié)合本實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,得出k/k0與有效應(yīng)力之間的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可以看出,理論模型與實驗結(jié)果具有較好的吻合度,k/k0均隨著有效應(yīng)力的增大而減小,并逐漸趨于恒定值,驗證了理論推導(dǎo)模型的精度及有效性。

3 結(jié) 論

(1)在不同加卸載條件下對層理裂隙原煤體的滲透特性進(jìn)行實驗,揭示了層理裂隙煤體在加卸載過程中滲透率的演化特性。其中加載過程滲透率隨有效應(yīng)力的增加而減小,加載初期滲透的變化率最大;卸載過程滲透率隨有效應(yīng)力的減小而增大,且在卸載過程的滲透率增大速度比加載過程中滲透率降低速度明顯緩慢,表明加載過程煤體層理裂隙變形、閉合對裂隙面間造成永久性的損傷,使得在卸載過程中難以恢復(fù)而造成滲透率損失。

(2)實驗用原煤試件進(jìn)行滲透率測試,其滲透率較低,測試周期較長,因在實驗和理論分析的基礎(chǔ)上,建立了層理裂隙煤體滲透率與有效應(yīng)力之間的關(guān)系,并與實驗數(shù)據(jù)作對比分析,得出該理論模型與實驗結(jié)果具有較好的吻合度,能夠很好地反映滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系。

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Research on permeability characteristics of layered natural coal under different loading and unloading

PAN Rong-kun1,2,CHENG Yuan-ping1,DONG Jun1,CHEN Hai-dong1
(1.National Engineering Research Center for Coal Gas Control,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2.Department of Safety &Science Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

In order to obtain the permeability evolution of the coal seam with layered fracture on different conditions, the coupling testing equipment of permeability-mechanical was performed to investigate the natural coal with level bedding planes in the process of loading-unloading.The experimental results show that in the loading stage,the layered gap width becomes smaller and the permeability reduces with the increase of effective stress.And the maximum variation of permeability appears in initial loading,the permeability declines nearly 81%when the effective stress increases from 1 MPa to 7 MPa,then the permeability changes tend to be gentle;in unloading stage,the compressed layered crack is able to recover gradually and permeability of coal increased with the confining pressure unloading.But the permeability of coal recovered only to 14%of the initial value at last,the reason is that the permanent damage of the layered fractured surface for the deformation and crack closure in loading process is difficult to restore in the unloading process,thus the loss of permeability occurs.The theory model of the relation permeability and the effective stress was established on the experiment condition,which had a good fit with the experiment results.

loading and unloading;layered crack;permeability;natural coal;effective stress

TD712

A

0253－9993(2014)03－0473－05

潘榮錕,程遠(yuǎn)平,董 駿,等.不同加卸載下層理裂隙煤體的滲透特性研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(3):473－477.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0791

Pan Rongkun,Cheng Yuanping,Dong Jun,et al.Research on permeability characteristics of layered natural coal under different loading and unloading[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):473－477.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0791

2013－06－07 責(zé)任編輯:畢永華

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2011CB201204);國家自然科學(xué)基金資助項目(51304070);河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點資助項目(13A440333)

潘榮錕(1980—),男,廣西南丹人,講師,博士研究生。Tel:0391－3987936,E－mail:prk2008@126.com