被保護煤層卸載煤體滲透率影響試驗研究

仇海生 楊春麗

（1、煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110016 2、煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113112）

1 概述

煤巖體滲透率是反應煤巖體瓦斯流動的重要物性參數，也是瓦斯滲流力學的基本參數。煤巖體瓦斯滲透率的研究是瓦斯滲流力學發展的關鍵技術。煤巖體滲透率隨外部巖石應力的變化情況，國內外很多學者對煤體的變形規律、煤樣滲透率與圍壓或空隙壓力之間的變化關系、含瓦斯煤的力學性質以及含瓦斯煤的流變特性等進行了相關試驗研究，并提出了很多煤巖體滲透率測試和試驗的模型。眾多的研究工作基于煤巖體加載破壞過程中滲透率的數值變化，而在防治煤與瓦斯突出的保護層開采過程時，被保護煤層的應力會產生卸載，在此過程當中被保護層煤體是在卸載過程中發生的內部損傷、結構破壞，由此應開展卸載方面的試驗研究。煤巖體試塊在應力加載和載荷卸除時呈現出不一樣的力學變化和變現規律，由摩爾- 庫倫(Mohr-Coulomb)強度理論，優選與突出煤層保護層開采過程時被保護煤層的煤巖體載荷卸載產生的相似的力學途徑開展滲透率的測試試驗，試塊應力加載、卸除的模型如圖1 所示。[1-2]

2 試驗儀器及試驗參數

煤體滲透率加載、卸載試驗采用自主研制的三軸滲流系統（如圖2 所示），滲流系統由力學加載模塊和流體試驗模塊共同組成。力學加載模塊由耐壓80MPa 的壓力容器、最大測量值5000kN（（精度≦±1%）的軸向壓力加載系統（測定最大變形量達8mm；精度≦±1%）、壓力源子系統、最大壓力為60MPa 的徑向加載系統（測定最大變形量達8mm；精度≦±1%FS）、加載溫控子系統（溫度控制精度±0.2℃）等系統構成。

圖1 煤體應力加載卸載模型

三軸瓦斯滲流試驗系統采用穩態法對煤體加載和卸荷滲透率進行試驗，系統滲透率的控制方程由數學方程式（1）表示：

式中：k——滲透率，mD；

Q——氣體流量，cm3/s；

μ——動力粘度，MPa.s；

L——煤體長度，cm；

A——煤體截面積，cm2；

P1、P2——煤體進口、出口壓力，MPa；

P0——大氣壓，MPa。

圖2 自制三軸瓦斯滲流試驗系統

3 三軸瓦斯滲流試驗方案

煤體滲透率試驗采用三軸瓦斯滲流試驗滲透率測試系統，試驗按步驟流程如下：

3.1 現場采集煤樣，根據試驗系統制作型煤試塊；

3.2 測量型煤試塊長度L、直徑D、體積V 和截面積A；

3.3 安入制成的型煤試樣：將型煤試塊四周包裹材質為聚四乙烯的薄膜，包裹好的型煤試塊外包橡膠熱收縮套，進一步安裝壓力變形傳感器及輔助裝置；

3.4 型煤試塊抽真空：將型煤試塊真空度降低到特定值；

3.5 吸附瓦斯氣體壓力平衡：對型煤試塊充瓦斯氣體2.0MPa，充分吸附48h 以保持吸附壓力平衡；

3.6 采用三軸瓦斯滲流試樣系統，對試樣施以5.0MPa、7.0MPa、9.0MPa 的圍巖壓力，將型煤試塊的壓力加載到區服點，進行應力加載后的圍巖壓力逐步卸除下滲透率試驗，試驗過程中測定型煤試塊的滲透率的變化規律。

4 保護煤層開采對被保護煤層滲透率的影響

滲透率試驗采用圖1 所示的加載、卸載模型進行滲透率試驗，對試樣數據記錄進行整理、分析，得出了分別加載5.0MPa、7.0MPa、9.0MPa 的壓力時，型煤試塊卸荷應力路徑下滲透率數值動態特征，試驗結果分析如圖3- 圖5。

圖4 圍壓7MPa 卸載力學路徑下滲透性的變化

圖5 圍壓5MPa 卸載力學路徑下滲透性的變化

圖3 圍壓9MPa 卸載力學路徑下滲透性的變化

由試驗結果的圖3、圖4、圖5 可知，卸載前的加載過程，滲透率隨加載應力變化特征與眾學者的研究結果統一，型煤試塊的滲透率隨著應力加載逐漸降低。隨著載荷的逐步卸除，類同于給型煤試塊施加了軸向拉應力，型煤試塊的裂隙空間開始擴大型煤試塊的滲透率也逐漸升高。以施加圍巖壓力7MPa 時的型煤試塊為例，初始型煤試塊的滲透率為1.713mD；載荷卸載前的圍壓加載過程中，型煤試塊的滲透率逐步減小；圍巖壓力不斷的卸載過程中，滲透率分別為1.234mD、1.247mD、1.337mD、2.189mD。

卸載煤體的滲透率試驗充分證明了保護煤層的開采為被保護層提供了應力卸除空間，被保護煤層的煤體內部出現煤體變形、內部損傷、結構破壞，增加了被保護煤層煤體的滲透率，是被保護層煤體能夠實現卸壓瓦斯抽采、防治煤與瓦斯突出的技術關鍵。

5 結論

保護煤層的開采為被保護層提供了應力卸除空間，被保護煤層的煤體內部出現煤體變形、內部損傷、結構破壞，增加了被保護煤層煤體的滲透率，為充分研究煤體圍巖壓力卸除后的影響特征，采用自制的瓦斯三軸滲流試驗系統研究了近距離煤層群保護層開采對被保護層卸載煤體滲透率的影響。

5.1 型煤試塊加載破壞和圍壓卸除破壞存在明顯差異，卸載前的圍巖壓力加載過程，型煤試塊的滲透率逐步降低。隨著載荷的逐步卸除，類同于給型煤試塊施加了軸向拉應力，型煤試塊的裂隙空間開始擴大型煤試塊的滲透率也逐漸升高。以施加圍巖壓力7MPa 時的型煤試塊為例，初始型煤試塊的滲透率為1.713mD；載荷卸載前的圍壓加載過程中，型煤試塊的滲透率逐步減小；圍巖壓力不斷的卸載過程中，滲透率分別為1.234mD、1.247mD、1.337mD、2.189mD。

5.2 卸載煤體的滲透率試驗充分證明了保護煤層的開采為被保護層提供了應力卸除空間，被保護煤層的煤體內部出現煤體變形、內部損傷、結構破壞，增加了被保護煤層煤體的滲透率，是被保護層煤體能夠實現卸壓瓦斯抽采、防治煤與瓦斯突出的技術關鍵。