全應力-應變條件下煤巖滲透率變化機制實驗研究

薛俊華，李延河，李洪彪，袁占棟，詹可亮

（1.西安科技大學 安全學院，陜西 西安710054；2.平頂山天安煤業股份有限公司 六礦，河南 平頂山467000）

煤炭開采深度逐年增加，煤層瓦斯含量逐年升高，針對瓦斯運移、賦存等科學問題的研究迫在眉睫[1]。瓦斯在煤巖體中主要以解吸、滲流、擴散等形式流動，其中游離瓦斯的流動明顯受裂隙形態影響，而吸附瓦斯的解吸受基質孔隙變形作用顯著[2]。同時伴隨著煤礦開采擾動影響和瓦斯抽采深度增加，煤巖滲透特性發生改變，直接影響到煤層中瓦斯抽采效率。因此，開展關于煤巖在動態荷載作用下滲透率的變化特性試驗研究，掌握瓦斯流動規律，是瓦斯高效抽采的理論基礎[3]。動態荷載擾動作用是影響煤巖中瓦斯運移的關鍵因素，國內外學者針對外部擾動對瓦斯滲流、解吸變化等已展開一系列的研究。李波波等[4]針對煤巖滲透率的問題，采用降低孔隙壓力、升高溫度的方法進行實驗室實驗，得到煤巖滲透率先降低后升高的特點。李建華等[5]基于氮氣吸附和壓汞試驗方法，得到煤巖滲透率隨著孔隙壓力的增大呈指數型增大。東振等[6]建立了一種動態滲透率變化模型，對比分析了甲烷對煤巖體的基質孔隙收縮作用比氮氣強，修正了物理相似模擬試驗的誤差系數。潘一山等[7]通過電荷信號傳輸系統，證明了煤巖滲透率隨著孔隙壓力的增大呈現上升的趨勢。綜上所述，針對于煤巖滲透率的研究均是基于單軸應變、靜態條件下所得到的研究成果，對動態采動荷載條件下煤巖滲透率變化考慮不完善，直接影響試件滲流效果。因此，基于Darcy 定律衍生的穩態測量法進行煤巖在具有圍壓控制的條件下的滲透性實驗。

1 實驗方法

1.1 實驗準備

實驗的原煤取自河南平頂山礦區，實驗前選取相對完整的大塊原煤，采用自動取心機鉆取實驗室實驗標準試件，并在干燥箱內進行干燥處理，測量其物理參數，選取質地均勻的試件進行滲透性實驗。試件物理參數見表1。

表1 試件物理參數Table 1 Physical parameters of the specimen

1.2 實驗原理

掌握煤體中瓦斯氣體運移規律、提高煤層瓦斯抽放率是礦井安全、高效生產的保障[8]。其中，煤巖的滲透特性是影響煤體中瓦斯氣體運移的關鍵參數之一。目前，國內外學者對煤巖體受擾動作用時滲透特性的研究主要集中在單軸應力與滲流耦合方面，對三軸應力條件下煤巖滲透特性的研究較少。

現階段，對裂隙巖體滲透特性的試驗研究均是在前人實驗基礎上不斷改進，得出更符合實際地質情況的研究結果。最早是由Lomize 在1952 年提出的理想平行板模型[9]，運用物理模擬法進行裂隙巖體滲流實驗：

式中：K 為滲透率，10-15m2；n 為等間距平行排列的裂隙數；2b 為裂隙張開度。

實際情況中，巖體的滲流特性隨所受荷載的改變發生變化，如受到荷載作用時，裂隙面間距及裂隙滲透特性是沿程變化的，所以很難滿足理想平行板假定。

依據巖體受到荷載引起裂隙間距和滲透率大小發生變化的現象，Snow 和Louis 在Lomize 的基礎上分別提出了關于巖體裂隙幾何模型的滲透率計算方法[10-13]：

式中：K0為初始應力σ0下滲透系數；En為裂隙法向剛度；a 為裂隙間距，mm；σ 為法向應力，MPa；σ0為初始應力，MPa。

Louis 提出的負指數關系式[14]為：

式中：α 為宏觀試驗系數。

實踐表明，單一的水平裂隙很少存在，為了反映天然地質巖體裂隙滲流特性的實際情況，提出了穩態滲流假說，可以較好地描述煤巖體滲透率變化。

實驗的滲透流量較小，可認為是層流，符合穩態Darcy 流，且實驗過程是在常溫下進行，假定實驗過程中恒溫，由Darcy 定律可知[15]：

式中：q 為流體通過試件的流量大小，cm3/s；μ為流體黏度，Pa·s；A 為試件橫截面積，cm2；dp/dx 為作用在試件兩端的流體壓力梯度，Pa/m。

由于氣體受壓力作用時，流量將發生變化，直接影響實驗的準確性，由波義耳氣體定律對式（4）進行修正[16]：

式中：p 為試件內部某截面體壓力，Pa；p1為出氣口端氣體壓力，Pa；q 為試件內部某截面氣體流量，cm3/s；q1為出氣口端氣體流量，cm3/s；t 為實驗過程總時間，s。

把式（4）代入式（5）可得基于Darcy 定律的穩態測量法計算公式：

式中：p0為大氣壓力，取0.1 MPa；L 為試件的長度，cm；p2為滲流氣體進氣口壓力，MPa。

由此可知，為了得到滲透率，主要測量的是甲烷氣體流量q。

基于Darcy 定律的穩態測量法可以完整的測量研究對象在破碎過程中的滲流規律，且具有實驗原理簡單、實驗過程規范、測試對象具體等優點。

1.3 實驗步驟及過程

實驗測定煤樣在三軸應力條件下的應變、滲透參數，實驗裝置如圖1。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

具體實驗過程如下：為保證滲流氣體從試件底部至頂端均勻流出，在試件側面涂上1.5 mm 硅膠層；待試件干燥后，將試件放入壓力室，對壓力室進行氣密性測試及真空處理，確保滲透實驗過程測定氣體流量的準確性。施加初始圍壓1.5 MPa、進氣口壓力1 MPa，開啟進氣閥門，關閉出氣閥門，待煤體吸附穩定后，記錄此時的氣體壓力和氣體流量。打開出氣閥門，根據實驗條件施加穩定的圍壓及滲流氣體進氣口壓力，軸壓的控制方式是位移控制，速率為0.1 mm/min。記錄變化過程中的應變、流量參數。實驗條件見表2。

表2 實驗條件Table 2 Test conditions

2 實驗結果

2.1 不同圍壓條件下的滲流狀態

煤礦開采過程中，煤體受采動影響，產生發育程度不同的節理、裂隙瓦斯運移通道，直接引起煤體滲透率的變化。為還原圍壓擾動對煤體滲透特性影響機理，實驗控制溫度及進氣口壓力相同，圍壓分別為3、6、9 MPa，根據各級圍壓的流量參數，繪制出滲透率變化曲線，全應力-應變條件下煤巖滲透率變化曲線如圖2。

圖2 全應力-應變條件下煤巖滲透率變化曲線Fig.2 The permeability curves of coal and rock under the condition of total stress and strain

由圖2 可以看出，在溫度和氣壓相同的情況下，控制圍壓不變，軸壓以位移控制的方式增加，煤巖滲透率呈現先下降后升高的趨勢。這是由于軸壓增大初期，煤巖內部裂隙和孔隙變窄甚至閉合，引起滲透率降低；當軸壓超過煤巖最大抗壓強度，煤巖破壞，產生大量裂隙和孔隙，引起煤巖滲透率增加。

控制軸壓加載速率相同，隨著圍壓的增加，煤巖滲透率呈現下降趨勢。這是由于圍壓的增加，首先導致煤巖中顆粒間裂隙壓縮變形，瓦斯通道變窄甚至閉合，其次，隨著圍壓的升高，提升了煤巖的巖性，有效應力增大，導致煤巖中大量節理、裂隙等瓦斯氣體流動通道閉合，引起滲透率逐步下降。

2.2 應變與滲透率耦合關系

為了研究煤體應變與滲透特性之間的耦合關系，進行了全應力-應變條件下的煤巖滲透特性實驗，控制氣壓為2 MPa, 圍壓為3 MPa，軸壓以0.1 mm/min 的方式施加，全應力-應變條件下煤巖應變與滲透率關系曲線如圖3。

圖3 全應力-應變條件下煤巖應變與滲透率關系曲線Fig.3 The relation curves of coal rock strain and permeability under the condition of total stress and strain

從圖3 可以看出，煤樣軸向應變在應力峰值前呈現線性上升趨勢，繼續施加軸應力，有效應力降低，應變急劇增加；煤樣應變線性增加時，滲透率緩慢增加，而當應變急劇增加時，中間有一小段延遲后，滲透率也處于急劇上升的趨勢。兩者曲線基本保持一致，說明煤巖滲透率與煤巖損傷具有一定的關系。同時，煤巖的損傷是隨時間變化的過程，損傷過程中逐漸產生孔隙、裂隙等流體運移通道，導致煤巖滲透率的變化較煤巖應變發育具有一定的滯后性。為了更加詳細的分析煤巖在三軸應力條件下應變發育與滲透率變化之間的關系，在前輩全應力-應變曲線分區的基礎上，對全應力-應變條件下煤巖應變與滲透率關系曲線進行分區：微裂隙壓密閉合區S1、新生裂隙發育區S2、裂隙充分發育區S3、裂隙閉合區S4。

微裂隙壓密閉合區S1：原煤試件屬于多孔介質，滲流氣體通過原煤內部孔隙、裂隙等通道流動，試驗初期，即全應力-應變曲線中應力緩慢增加區，此階段煤樣顆粒間孔隙、裂隙變窄甚至閉合，流體流動通道減少，引起滲透率降低。同時，由圖3 可以看出，微裂隙壓密閉合區中煤樣應變-滲透率曲線轉折點在微裂隙壓密極限點之后，證明了煤巖滲透率的變化較煤巖應變發育具有一定的滯后性。

新生裂隙發育區S2：全應力-應變曲線中線彈性變形區，此階段并未改變煤巖的巖性，煤樣內部新生少部分孔隙、裂隙等氣體流動通道，導致煤樣滲透率呈現緩慢增加的趨勢。

裂隙充分發育區S3：全應力-應變曲線中屈服破壞區，達到煤巖的峰值強度。在峰值強度之前是裂隙穩定發展階段，煤巖滲透性增加趨勢變化不明顯；達到峰值強度之后，煤巖破壞，改變了煤巖的巖性，進入裂隙非穩定發展階段，煤樣內部大量孔隙、裂隙產生，滲透率急劇增大。

裂隙二次壓密區S4：全應力-應變曲線中二次破壞壓密區，此階段新生裂隙被二次壓密，裂隙增加緩慢，引起煤樣滲透率增長率降低。

3 結 論

1）圍壓的升高，提升了煤巖的巖性，有效應力增大，增加煤樣內部孔隙、裂隙等裂隙通道的變窄甚至閉合，導致煤樣滲透率下降。

2）滲流氣體依靠著煤樣內部孔隙、裂隙等通道滲流，當煤樣發生變形時，孔隙、裂隙滲流通道發生改變，從而引起滲透率增長趨勢發生變化。

3）煤樣變形是一個隨時間變化的過程，而變形形態直接導致滲透率的改變，存在因果關系，所以應變-滲透率曲線相較于應力-應變曲線具有滯后性。