不同產(chǎn)狀裂隙煤樣三軸承壓下非Darcy滲流特性

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(1.西安科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

在煤層瓦斯預(yù)抽過(guò)程中，抽采鉆孔孔周煤體瓦斯?jié)B流特性是確定抽采半徑的重要依據(jù)[1-3]。鉆孔施工完成后，沿著鉆孔徑向存在3個(gè)區(qū):破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)[4];其中破碎區(qū)和塑性區(qū)煤體是瓦斯氣體涌入鉆孔的主要流通路徑，因內(nèi)部含有大量復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)[5]，三軸承壓狀態(tài)下，不僅容易導(dǎo)致滲流狀態(tài)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性特征，而且誘發(fā)抽采鉆孔孔周煤體滲流失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)也急劇增加。

大量學(xué)者對(duì)裂隙煤體瓦斯?jié)B流規(guī)律進(jìn)行了多方面的研究。通過(guò)分析煤體滲透性與分形規(guī)律，胡耀青[6]和馮增朝[7]等揭示了裂隙發(fā)育程度與分形維數(shù)的關(guān)系，并給出了滲透率與煤體裂隙分形維數(shù)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式;在對(duì)單一裂隙巖樣滲流規(guī)律研究過(guò)程中，常宗旭[8]和楊棟[9]等通過(guò)建立其三維應(yīng)力下的物理模型，推導(dǎo)出滲透系數(shù)的計(jì)算公式，認(rèn)為裂隙巖樣側(cè)向應(yīng)力對(duì)其滲透系數(shù)的影響呈負(fù)指數(shù)規(guī)律;從裂隙壁面幾何粗糙出發(fā)，朱紅光[10]和許光祥[11]等基于立方定律的適用條件，建立了離散單元的平行板等效方法，給出了粗糙裂隙的隙寬和流量公式;考慮復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)巖體的滲流特性，馮學(xué)敏[12]和宋曉晨[13]等采用離散的裂隙描述方法研究裂隙巖體中的流動(dòng)與運(yùn)輸，利用拓?fù)溥\(yùn)算形成內(nèi)含多個(gè)裂隙的復(fù)合單元，根據(jù)推模型導(dǎo)出的公式對(duì)滲流進(jìn)行滲流特性分析。但是，煤體內(nèi)裂隙的幾何特性存在一定的不確定性，導(dǎo)致裂隙滲流的研究過(guò)程較為復(fù)雜。三軸應(yīng)力作用下，裂隙產(chǎn)狀對(duì)煤體滲透率、滲流狀態(tài)影響的研究還處于探索階段，現(xiàn)有文獻(xiàn)所揭示的規(guī)律存在差異。

因此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用劈刀人工預(yù)制貫穿裂隙，形成多組不同產(chǎn)狀的裂隙煤樣。利用滲透儀對(duì)裂隙煤樣進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)，得出裂隙煤體的滲流雷諾數(shù)、影響非Darcy滲流的因素和裂隙壁面粗糙面積對(duì)Forchheimer數(shù)分布的影響等，可為瓦斯抽采鉆孔布孔方式的設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

使用自主設(shè)計(jì)、并獲有專利權(quán)的滲透儀完成滲流試驗(yàn)，其主要結(jié)構(gòu)包括:軸壓系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、滲透壓系統(tǒng)。其中，軸向壓力由一臺(tái)DDL600電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)提供，該試驗(yàn)機(jī)在加載方式設(shè)定方面，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，預(yù)先設(shè)定定義加載方法，運(yùn)行后可自動(dòng)完成加載過(guò)程。圍壓和滲透壓各自通過(guò)一臺(tái)獨(dú)立的油泵提供，滲透壓控制泵壓力調(diào)節(jié)范圍為0～5 MPa，圍壓控制泵壓力調(diào)節(jié)范圍為0～10 MPa，兩個(gè)管路中均接入無(wú)紙記錄儀，壓力可通過(guò)其直接讀數(shù)記錄;為避免滲透儀由于反復(fù)使用，滲透液會(huì)對(duì)滲透儀造成腐蝕，所以選取普通潤(rùn)滑油作為滲透液，其密度ρ為874 kg/m3，動(dòng)力黏度μ為1.96×10-2Pa·s，滲透出來(lái)的滲透液可通過(guò)流量計(jì)量，再換算成相應(yīng)的滲流速度。三軸滲流試驗(yàn)儀器連接圖如圖1所示。

1.2 試樣準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)煤樣取自山西潞安集團(tuán)余吾礦3號(hào)煤層。試驗(yàn)前先選取節(jié)理裂隙相對(duì)較少的大塊原煤，使用JKZS-200型自動(dòng)取芯機(jī)鉆取一批煤樣，取樣直徑為50 mm，篩選出質(zhì)地均勻的煤樣，再使用JKSHM-200S程控雙端面磨石機(jī)對(duì)煤樣進(jìn)行精加工，設(shè)定加工最終高度為50 mm。最終選出試驗(yàn)較為理想的煤樣，依次編號(hào)為M-1，M-2，M-3，M-4，M-5，實(shí)際煤樣高度依次為50.68，50.41，50.36，50.43，50.41 mm，煤樣避光通風(fēng)存放半個(gè)月，保證煤樣內(nèi)部水分氣體的揮發(fā)，稱量煤樣質(zhì)量分別為115.33，116.87，117.08，114.61，114.60 g。然后在煤樣側(cè)面均勻涂抹一層704硅膠，一方面為避免人工劈裂煤樣時(shí)煤樣表面脫落，另一方面防止?jié)B透液從側(cè)面溢出，待硅膠定型后使用劈刀對(duì)煤樣進(jìn)行裂隙預(yù)制，按照預(yù)期方案劈裂煤樣為5種不同產(chǎn)狀的裂隙。單裂隙使用巴西劈裂方式，試樣劈開后再合實(shí)，初始平均裂隙寬度0.2 mm左右，其中，M-2和M-3均含有2條裂紋但裂隙壁面粗糙面積不同，M-4和M-5均含有3條裂紋裂隙壁面粗糙面積也不相同，假設(shè)壁面粗糙程度相差不大，根據(jù)劈裂長(zhǎng)度和實(shí)際試樣高度計(jì)算面積平均值，5種產(chǎn)狀煤樣裂隙粗糙面積隨裂隙條數(shù)的增多依次呈遞增趨勢(shì)。含不同產(chǎn)狀裂隙煤樣如圖2所示，圖中S表示裂隙壁面粗糙面積。

圖1 三軸滲流試驗(yàn)儀器連接Fig.1 Three-axis seepage test instrument connection diagram

1.3 試驗(yàn)原理

目前，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)巖體單裂隙滲流特性研究主要集中在法向應(yīng)力與滲流耦合方面，對(duì)三維應(yīng)力作用下巖體裂隙的滲流特性所作的研究工作較少。一般情況下，工程巖體會(huì)受三維應(yīng)力的作用，因而三維應(yīng)力條件下巖體裂隙滲流特性更能反映天然地質(zhì)巖體的實(shí)際情況。

圖2 含不同產(chǎn)狀貫穿裂隙煤樣Fig.2 Containing different occurrences through the cracked coal sample

現(xiàn)階段，在裂隙巖體滲流研究中平行板水力模型運(yùn)用最為廣泛，它可以定量地反映裂隙中流體流動(dòng)能力與裂隙寬度的關(guān)系，即立方定律[10]:

(1)

式中，Q為裂隙流量，L/min;p為裂隙兩端的水壓力，MPa;L為裂隙長(zhǎng)度，m;ΔP為裂隙兩端的壓力差，MPa;e為裂隙的等效寬度，m。實(shí)際情況中，天然裂隙面大多是粗糙不平的，存在小范圍的不平整或大范圍的起伏，其隙寬e是沿程變化的，很難完全滿足平行板裂隙的假定。

裂隙表面粗糙時(shí)，慣性力項(xiàng)一般不為0，此時(shí)改變裂隙兩端的水頭會(huì)引起裂隙內(nèi)流體的流速大小和方向發(fā)生變化，且水頭變化與流速變化成非線性關(guān)系。Forchheimer方程是一種較好的描述非Darcy滲流狀態(tài)的方法，常用于擬合壓力梯度與滲流速度之間的二次關(guān)系:

(2)

式中,?p/?x為試樣兩端的壓力梯度;μ為水的黏度，Pa·s;k為裂隙試樣的滲透率，m2;v為滲流速度，m/s;ρ為水的密度，kg/m3;β為非Darcy流因子，m-1，當(dāng)β=0時(shí)，滲流服從Darcy定律。

通過(guò)對(duì)壓力梯度關(guān)于滲流速度的曲線擬合，得到一次項(xiàng)和平方項(xiàng)前面的系數(shù)，進(jìn)而反推出滲透率k和非Darcy流β因子[14]。非Darcy滲流情況下，壓力梯度的損失是由黏滯阻力、慣性力共同引起的，定義為

(3)

式中，Δ為慣性力引起的壓力梯度的損失所占的比重，稱為非Darcy效應(yīng)。

根據(jù)“發(fā)散-收斂”模型，EMINE Celik[18]給出了非Darcy滲流判別準(zhǔn)則，即Forchheimer數(shù):

(4)

ZENG R[21]在對(duì)大量非Darcy效應(yīng)研究之后，將克服液體與固體之間的相互作用過(guò)程中，消耗的總壓力梯度定義為非Darcy效應(yīng)E，其表達(dá)式為

(5)

非Darcy效應(yīng)E是一個(gè)與Forchheimer數(shù)相關(guān)的數(shù)，通過(guò)如下關(guān)系式:

(6)

因此，比值Ec稱為非Darcy誤差，即忽視非Darcy效應(yīng)對(duì)結(jié)果所帶來(lái)的影響。該關(guān)系可以運(yùn)用于數(shù)值模擬，以確定所建模型中非Darcy效應(yīng)是否被考慮其中。若要使用臨界Forchheimer數(shù)上式也可改寫為

(7)

該式是基于非Darcy效應(yīng)的表達(dá)式，該值可根據(jù)具體問題的特點(diǎn)定義相應(yīng)的臨界Forchheimer數(shù)，ZENG R[21]認(rèn)為其值在0.11附近變化時(shí)，則相當(dāng)于10%的非Darcy效應(yīng)，可以看作Forchheimer數(shù)較好的參考值。

1.4 試驗(yàn)步驟與過(guò)程

為得到裂隙巖體最基本的一些力學(xué)、變形參數(shù)，每個(gè)產(chǎn)狀的裂隙煤樣各自選取幾組，首先進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，在壓縮試驗(yàn)中，能借助試驗(yàn)機(jī)較準(zhǔn)確的觀察到裂隙巖體應(yīng)力位移變化的規(guī)律，有利于找到?jīng)Q定試驗(yàn)現(xiàn)象的根本因素。

試驗(yàn)前，測(cè)試煤樣高度h、直徑d和質(zhì)量m，通過(guò)公式ρ0=4m/πd2h計(jì)算煤樣密度。試驗(yàn)機(jī)提供的軸壓即為σ1，其值最大，圍壓控制泵提供的即為σ2和σ3，其中σ2=σ3，通過(guò)試驗(yàn)得到多組σ1，σ2和σ3，然后在σ-τ坐標(biāo)系內(nèi)繪制摩爾應(yīng)力圓，選取線性包絡(luò)線從而確定式樣的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ。通過(guò)試驗(yàn)機(jī)可得到裂隙煤樣的應(yīng)力、位移值，通過(guò)在σ-ε坐標(biāo)系下繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線，其峰值即為裂隙煤樣的抗壓強(qiáng)度σp，再者，選取應(yīng)力應(yīng)變曲線的線性階段，可以計(jì)算出該試樣的平均彈性模量Eav。

裂隙煤樣三軸滲流試驗(yàn)具體步驟為:① 將裂隙煤樣與相關(guān)配件組裝起來(lái)，從下到上其順序?yàn)橄聣侯^、下滲透板、裂隙煤樣、上滲透板、矯正板、上壓頭，按順序疊放好之后，用電工膠帶將其側(cè)面緊緊纏繞在一起，為保證其密封性，在膠帶外面再套上軟膠管，兩個(gè)端頭通過(guò)管卡箍起來(lái)。② 將組裝好的試樣放入滲透儀缸筒底部中間位置的凹槽內(nèi)，再安裝上滲透儀活塞壓頭，形成一個(gè)密閉空間。③ 通過(guò)滲透儀的外接口依次連接上圍壓管路和滲透壓管路，將連接好的滲透儀對(duì)中放置在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的底座上，且使活塞的上端面位于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓頭的正下方。④ 打開試驗(yàn)機(jī)和油泵，按照試驗(yàn)方案調(diào)節(jié)油泵，并通過(guò)流量計(jì)記錄最終滲出滲透液的量。為避免試驗(yàn)過(guò)程中滲透液沖破密封膠帶，試驗(yàn)開始時(shí)，先打開圍壓泵，待圍壓穩(wěn)定后再打開滲透壓泵;試驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉滲透壓泵，待滲透壓完全卸載后再關(guān)閉圍壓泵，最后提升壓力機(jī)。試驗(yàn)測(cè)得含不同裂隙煤樣的參數(shù)見表1。

表1含不同裂隙煤樣的參數(shù)
Table1Parameterswithdifferentfracturedcoalsamples

煤樣編號(hào)密度/(kg·m-3)抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa黏聚力C/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)M-158.714.181.191.4338.3M-259.518.530.802.3124.2M-359.611.200.592.3224.0M-458.411.960.491.7021.8M-558.311.240.711.3823.4

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂隙煤樣三軸試驗(yàn)結(jié)果

在煤礦開采中，煤體內(nèi)含有發(fā)育程度不同的節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面。而裂隙的大小、分布密度、裂隙張開度、裂隙面粗糙度、滲徑曲折程度、裂隙間的連通度、裂隙面的接觸面積等因素對(duì)裂隙巖體的滲透性參量有巨大影響，形成了巖體非均質(zhì)各向異性滲流的顯著特性。

對(duì)于巖石裂隙滲流特性研究的方法，通常包括直接試驗(yàn)法、公式推導(dǎo)法和概念模型法等，而試驗(yàn)研究是其中一個(gè)最重要最直接的途徑。本試驗(yàn)中，首先設(shè)定含裂隙煤樣三軸滲流過(guò)程中的軸向壓力為10 kN并保持不變，每組含不同產(chǎn)狀的裂隙煤樣設(shè)定4級(jí)圍壓，其值分別為1.5，2.0，2.5，3.0 MPa。再者，每級(jí)圍壓下設(shè)定5級(jí)滲透壓力，其值分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 MPa，共記錄了100組有效數(shù)據(jù)。為防止?jié)B透液從試件側(cè)面溢出，試驗(yàn)需要先控制圍壓，再調(diào)節(jié)滲透壓，依據(jù)各級(jí)圍壓下的滲透壓變化規(guī)律繪制出曲線得出相關(guān)數(shù)據(jù)。裂隙煤樣三軸滲流特性參數(shù)見表2。

表2裂隙煤樣三軸滲流特性參數(shù)
Table2Characteristicparametersoffracturedcoalsampletri-axialseepage

煤樣編號(hào)裂隙面面積/cm2圍壓/MPa主應(yīng)力差/MPa有效應(yīng)力/MPa滲透率k/m2非Darcy流β/m-1Forchheimer數(shù)Fo誤差Ec1.53.592.453.37×10-91.97×10-111.220.55M-125.342.12.992.601.30×10-9-4.50×10-14-7.600.882.52.592.612.65×10-104.55×10-1335.660.943.02.092.704.95×10-111.29×10-151.660.621.53.592.451.98×10-87.54×10-91.370.58M-240.332.03.092.531.51×10-91.28×10-120.750.432.52.592.613.82×10-10-1.54×10-14-7.640.882.92.192.631.37×10-10-4.23×10-14-3.010.751.23.892.256.56×10-8-1.82×10-9-3.350.77M-350.361.73.392.331.42×10-81.49×10-101.640.622.42.692.559.92×10-92.46×10-101.290.562.92.192.632.09×10-91.63×10-1237.700.951.23.892.251.31×10-7-9.74×10-8-5.940.86M-465.671.83.292.408.09×10-81.85×10-80.710.412.32.792.486.45×10-8-8.73×10-7-0.170.152.92.192.632.15×10-96.93×10-110.310.241.43.692.382.82×10-7-1.09×10-8-3.140.76M-575.611.93.192.462.53×10-7-1.48×10-8-3.110.762.42.692.558.39×10-82.69×10-80.880.472.83.592.564.48×10-81.61×10-91.510.60

2.2 不同粗糙面積下的滲流狀態(tài)

(8)

式中，ρ為流體的密度，kg/m3;vcr為液體滲透平均速度，m/s;μ為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s;υ為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s;d為流道的當(dāng)量直徑(本文中為煤樣直徑)，m。

大量實(shí)驗(yàn)可以證明，瓦斯在裂隙煤體中的流動(dòng)可以劃分為3個(gè)區(qū):① 低雷諾數(shù)區(qū):Re<10，黏滯阻力占優(yōu)勢(shì)，屬于線性層流區(qū)域，符合Darcy定律。② 中雷諾數(shù)區(qū):10100，為紊流，慣性力占優(yōu)勢(shì)，流動(dòng)阻力與流速的平方成正比。裂隙煤樣滲流雷諾數(shù)分布如圖3所示。

通過(guò)調(diào)節(jié)滲透壓和圍壓，得到不同壓力水平下，不同產(chǎn)狀裂隙煤樣的滲流量Q，可以計(jì)算出抽采孔內(nèi)氣體流動(dòng)速度v，再計(jì)算出不同流速下相應(yīng)的雷諾數(shù)，這可作為判斷非Darcy流動(dòng)行為的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。本次試驗(yàn)中，所有雷諾數(shù)分布范圍為0～117，5組試樣不同裂隙面積下，其中4組試樣在高滲透下雷諾數(shù)均達(dá)到了非Darcy滲流速度標(biāo)準(zhǔn);100種滲流條件組合中，約42%表現(xiàn)為非Darcy的效應(yīng)，其中有1組雷諾數(shù)超過(guò)了100，表示其流動(dòng)過(guò)程中慣性力對(duì)其的影響很大，不能忽略掉。雷諾數(shù)范圍的劃分與原因分析，可以反映不同產(chǎn)狀裂隙煤樣在不同壓力水平下的滲流狀態(tài)，揭示裂隙條數(shù)與粗糙面積對(duì)滲流狀態(tài)的影響。

圖3 裂隙煤樣滲流雷諾數(shù)分布Fig.3 Reynolds number distribution of seepage flow in fractured coal sample

同樣，表3即為裂隙壁面粗糙面積對(duì)滲流規(guī)律的影響，明顯可以分析出，在對(duì)壓力梯度dp/dx關(guān)于初始滲流速度v的曲線擬合中，非線性擬合條件下擬合度R2的值均比線性擬合的效果好。而且在裂隙壁面粗糙面積從25.34逐漸增大到76.02的過(guò)程中，非Darcy擬合效果越來(lái)越好。

表3裂隙面積S對(duì)滲流規(guī)律的影響
Table3Effectoffractureareaonseepagelaw

裂隙面面積/cm2壓力梯度dp/dx關(guān)于流速v的曲線擬合DarcyR2非DarcyR225.34y=4.77×1010 x0.997 0y=5.85×1010 x-1.16×1013 x20.995 640.33y=6.64×109 x0.988 3y=9.73×109 x-4.41×1011 x20.991 350.36y=4.05×109 x0.973 6y=2.99×109 x+1.09×1011 x20.973 765.67y=2.17×109 x0.963 8y=2.38×109 x-1.06×1010 x20.971 675.61y=9.49×108 x0.983 1y=6.86×108 x+6.29×109 x20.986 4

2.3 有效應(yīng)力對(duì)裂隙煤樣滲透率的影響

有效應(yīng)力能較好地反映三軸應(yīng)力作用下裂隙煤體的受力情況。根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，采用張量表達(dá)可寫為

(9)

式(9)可改寫為

(10)

式中，σxx=σyy為環(huán)向應(yīng)力，即試驗(yàn)中加載的圍壓σ3，MPa；σzz為軸向應(yīng)力，即為試驗(yàn)機(jī)加載的σ1，MPa；p1為入口壓力，p2為出口壓力，平均孔隙壓力p=(p1+p2)/2。

試驗(yàn)的有效應(yīng)力采用平均有效應(yīng)力來(lái)描述，即

(11)

當(dāng)p2=0時(shí)，可得到裂隙煤體三軸應(yīng)力條件下平均有效應(yīng)力為

式中，σ3為試驗(yàn)圍壓，MPa;σ1為軸向應(yīng)力，MPa。

由圖4不同產(chǎn)狀煤樣滲透率變化趨勢(shì)分析可知，不同產(chǎn)狀裂隙煤體滲流過(guò)程中，煤體滲透率k均隨有效應(yīng)力σ升高呈下降趨勢(shì)，通過(guò)曲線擬合發(fā)現(xiàn)均符合負(fù)指數(shù)下降趨勢(shì)，表達(dá)式滿足:

k=aσ-b(13)

其中，a，b為與圍壓有關(guān)的擬合參數(shù);相關(guān)性系數(shù)R2均大于0.9。分析得:隨軸壓和圍壓逐漸增大，煤體有效應(yīng)力隨之增大，裂隙煤體受壓后其內(nèi)部裂隙閉合，滲流通道縮小，液體流動(dòng)困難。另外，煤體受到軸壓和圍壓共同作用下，促進(jìn)其內(nèi)部裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，會(huì)使裂隙面部分小顆粒或碎塊剝落，但介于裂隙寬度和條數(shù)有限，部分滲流通道會(huì)被小顆粒填充堵塞，導(dǎo)致滲透率逐漸減小。

2.4 裂隙煤體非Darcy滲流效應(yīng)

考慮到滲透率可能與速度v(包括大小和方向)有關(guān)，F(xiàn)orchheimer方程的另一種形式是

(14)

其中，F(xiàn)o=ρβkv/μ，KV=k/(1+Fo)。

該式定義了Forchheimer數(shù)為Fo，它是一個(gè)無(wú)量綱的量，代表著微觀效應(yīng)累計(jì)作用下，最終導(dǎo)致宏觀發(fā)生的非線性效應(yīng);其中，KV所反映的就是速度與滲透率的依賴關(guān)系式。

Forchheimer數(shù)實(shí)為固液相互作用力與黏滯阻力的比值，其各變量容易確定，可適用于各種多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，依據(jù)該準(zhǔn)則計(jì)算所得的Darcy滲流與非Darcy滲流的臨界值變化范圍較小。不同流速下Forchheimer數(shù)分布規(guī)律如圖5所示。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了Forchheimer數(shù)，測(cè)量出滲透率和非線性慣性系數(shù)，隨著滲流速度的增加，裂隙煤體非Darcy滲流特性就越強(qiáng)，且呈二次曲線增長(zhǎng)，表達(dá)式y(tǒng)=946.5x2-4.3x-7.9。滲透率越高，滲流速度與Fo的非線性關(guān)系也更明顯，慣性力對(duì)流速的影響就越明顯，在高滲透多孔介質(zhì)中也更易產(chǎn)生非Darcy現(xiàn)象。臨界Forchheimer數(shù)是用來(lái)表示非Darcy效果的一個(gè)極限值，若顯示其樣本值接近0.4，表示約28%為非Darcy的效果。

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)裂隙煤樣滲流雷諾數(shù)分布特點(diǎn)研究顯示，不同產(chǎn)狀裂隙煤樣在各個(gè)滲流過(guò)程中，42%的滲流雷諾數(shù)分布在10～100，高滲透壓下雷諾數(shù)均達(dá)到了非Darcy滲流水平，說(shuō)明在滲流過(guò)程中，隨著裂隙粗糙面面積的增加，黏滯阻力和慣性力對(duì)流速的影響越來(lái)越大。

(2)對(duì)裂隙煤體滲透率受有效應(yīng)力影響的分析表明，滲透率k隨著有效應(yīng)力σ的增加符合指數(shù)k=aσ-b下降趨勢(shì)，說(shuō)明有效應(yīng)力可以使煤體內(nèi)部部分裂隙發(fā)生閉合、滲流通道的數(shù)目和寬度的減小，直接導(dǎo)致裂隙煤體滲透率急劇下降。

(3)通過(guò)對(duì)Forchheimer數(shù)Fo變化趨勢(shì)擬合可得，F(xiàn)o與滲流速度v呈現(xiàn)二次曲線規(guī)律增長(zhǎng)，符合表達(dá)式y(tǒng)=946.5x2-4.3x-7.9，且隨著Fo的增加非Darcy滲流效應(yīng)也越來(lái)越顯著，說(shuō)明裂隙煤樣發(fā)生高速非Darcy滲流的根本原因是滲透性的增強(qiáng)。