不同層理方向裂隙煤體承壓過程瓦斯滲透規律實驗研究*

田坤云，李度周

(1.河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191；2.河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南 洛陽 471842)

0 引言

層理很大程度上決定著煤體穩定性及內部瓦斯的運移狀態，它的存在使煤體的整體性遭到破壞，煤體內部的應力分布狀態也會因此發生較大程度的變化。受采動作用的影響，煤體層理裂隙會更加發育，部分裂隙會發生變形甚至遭到破壞，同時裂隙之間也會發生貫通，這對煤層瓦斯的擴散和滲流具有舉足輕重的影響，很大程度上制約了煤體瓦斯的運移和富集程度。層理裂隙較為發育煤體布置鉆孔進行瓦斯抽放時，必須考慮層理對瓦斯抽放效果的影響[1-5]。因此，根據不同方向層理裂隙特征進行瓦斯抽放鉆孔布置會很大程度上影響抽放效果，這對實現瓦斯抽放的最大化至關重要[6-7]。

國內外對煤體層理與瓦斯滲透率之間的關系進行了大量的探討。黃學滿[8]就煤結構異性對瓦斯滲透規律的影響進行了實驗研究，得出結構異性對滲透率的影響較大，平行和垂直煤樣層理方向的滲透率大小相差近一個數量級；鄧博知等[9]在一定的應力加卸載路徑下對平行及垂直層理兩個不同方向的原煤試樣進行了多組瓦斯滲流特性實驗，結果表明：滲透率的差異主要取決于試件z軸方向的裂隙度；Koenig等[10]針對某一煤層的瓦斯滲透率開展了大量的現場試驗研究工作，得出不同層理方向上煤體的瓦斯滲透率最多相差十幾倍；Liu[11-12]， Li等[13]在不同煤樣層理方向下，進行了大量有關瓦斯滲透規律的實驗研究，同樣驗證了煤體層理對瓦斯滲透特性的較大影響作用。

以上關于煤體層理與瓦斯滲流之間關系的探討均是在某一固定的應力條件下進行的，取得的成果對內合理布置瓦斯抽采鉆孔提高抽放率具有一定指導意義。實際采煤過程中，煤體并非處于某一固定數值的地應力場。因此，有必要對變應力條件下(原始應力-應力集中-應力卸載)不同層理方向裂隙煤體的瓦斯滲透規律進行探討。因此，筆者針對這一問題采集了層理較清晰的塊煤，制取了平行、垂直及斜交層理裂隙3種不同原煤樣試件，在相同變應力條件下(同一加卸載條件下)對不同層理方向裂隙煤體的瓦斯滲透規律進行研究[6，14]。

1 實驗設備及試件加工

1.1 滲流-應力實驗系統

采用的應力-滲透實驗系統如圖1所示。

主要技術參數如下[15-16]：

①軸(圍)壓：0～100(60)MPa，精度：0.1 MPa；

②瓦斯壓力：0～10 MPa，精度：0.1 MPa；

③質量流量計：0～30 SCCM(標準毫升/分)，精度：±1.5% F.S；

④應力夾持器：Ф50 mm×100 mm。

圖1 模擬實驗裝置Fig.1 The simulation experimental device

1.2 煤樣采集及試件加工

實驗煤樣來源于河南能源化工集團焦煤公司趙固二礦11043工作面。煤層采樣區未見明顯地質構造。煤體變質較低，層理發育清晰可見。

實驗原煤樣試件通過以下步驟來完成：①井下塊煤采集(邊長約為200mm的方體)；② 使用取芯機在所采集的塊煤上沿層理平行、垂直及傾斜方向(大致45°)上分別取芯；③ 對圓柱煤樣試件的兩端及側面進行研磨。標準煤樣試件最終加工尺寸為Ф50 mm×100 mm。

挑選層理清晰且打磨較好的3種煤樣試件各一個，分別編為ZG1，ZG2，ZG3，如圖2所示，3種煤樣試件的素描效果如圖3所示。所采集二1煤層的物理參數如表1所示。

圖2 原煤試件實物Fig.2 Physical maps of raw coal samples

圖3 原煤樣試件素描Fig.3 Sketch of raw coal samples

1.3 實驗方案

煤層內賦存有大量瓦斯氣體，且煤體開采初期處于靜水平應力狀態；隨著煤體采掘，應力集中逐漸顯現；隨著進一步的推進，煤體逐步進入卸壓帶。為了模擬煤體實際的加卸載過程，本實驗的應力加卸載按照以下設計：既定的瓦斯壓力下(參照趙固二礦煤層瓦斯壓力實測情況取0.5 MPa)，使試件吸附甲烷12 h后，等速加載試件的軸(圍)壓至11 MPa。在軸壓穩定在11 MPa一段時間穩定后，對試件所加載的圍壓進行等速卸載(0.01 MP/s)。分別測試3個不同層理裂隙方向試件的瓦斯流量并計算出滲透率。具體實驗方案如表2所示。

表1 煤的物理參數Tab.1 physical parameters of coal seam

瓦斯流量通過裝置內置的流量計自動采集，滲透率通過程序實現自動換算，計算依據如下式[17]：

式中：k為滲透率，mD；Q0為瓦斯流量，cm3/s；P0為實驗條件下大氣壓，MPa；μ為瓦斯動力黏性系數，取10.8×10-6Pa·s；P1為進氣口瓦斯壓力，此處取0.5 MPa；P2為出氣口瓦斯壓力，取0.1 MPa；A為煤樣截面積，cm2；L為煤樣試件長度，取100 mm。

試件的有效應力σe計算公式如下：

式中：σz，σw為煤樣試樣施加的軸(圍)壓，MPa。

表2 實驗方案Tab.2 The experimental scheme

2 滲透率實驗分析

2.1 實驗結果

同一應力加卸載路徑下，3個煤樣試件的滲透率如表3所示。

表3 煤樣試件滲透率Tab.3 Permeability of coal samples

2.2 滲透實驗結果分析

分別繪制ZG1，ZG2及ZG3試件瓦斯滲透率與其所受承載有效應力之間關系曲線圖，如圖4所示。

圖4 煤樣試件加卸載過程滲透率—有效應力曲線Fig.4 Curve about permeability-effective stress of coal samples during loading and unloading process

通過實驗數據及滲透率-有效應力曲線可得出：

1)應力加載過程中，滲透率均與有效應力成反比，滲透率—有效應力趨勢較為相似，有效應力為4.8 MPa時，與有效應力0.8 MPa相比，3個試件的滲透率分別下降了78.57%，74.97%及59.78%，滲透率數值對所承受的有效應力大小響應度較高，主要原因在于煤樣試件受載荷初期，內部所分布的層理裂隙比較受壓從而發生閉合，因此滲透率的降幅比較大，加載后期滲透率的變化相對趨于平緩。

ZG1，ZG2及ZG3試件的滲透率初始值k0分別為0.152 367，0.099 359及0.021 160 mD，3個試件的滲透率初始值比，即k0ZG1∶k0ZG2∶k0ZG3為7.2∶4.7∶1；有效應力加載至預定最大值10.8 MPa時，3個煤樣試件的滲透率分別為0.001 205，0.002 116，0.004 127 mD，與有效應力0.8 MPa時相比，滲透率分別下降了99.21%，97.87%，80.50%，ZG1試件的滲透率降幅最大。應力增加過程中，3個試件中，平行層理試件最易受壓，主要原因在于ZG1試件的層理裂隙方向與有效應力之間垂直，裂隙更容易在有效應力的作用下閉合。

2)有效應力降低過程中，滲透率與之亦成反比關系，卸載初期滲透率的增幅并不大，圍壓從11 MPa(有效應力10.80 MPa)卸載至7 MPa(有效應力8.13 MPa)時，滲透率的增幅分別為最大應力加載值的87.45%，94.52%，6.88%；當圍壓卸載至1 MPa(有效應4.13 MPa)時，滲透率的增加幅度分別為加載應力最大值時的583%，1253%，109%。相同的卸載條件下，斜交層理煤樣試件ZG2滲透率增幅最大，主要原因在于加載過程中ZG3與圍壓方向垂直，加載至最大圍壓時，該試件已經被壓實，卸載過程中裂隙難以恢復，而ZG2試件裂隙方向未被壓實，卸載過程中滲透率恢復較快。

3)煤體滲透率的大小主要取決于所承載的有效應力。根據實驗結果可知，加載過程中ZG1試件的滲透率始終最大，如圖5(a)所示，ZG3試件的滲透率最小。載荷初期，平行層理方向試件滲透率是垂直層理方向試件滲透率的7.2倍，不同層理方向最大滲透率比值為7.2∶1。因此，在未受采動影響的煤層布置瓦斯抽放鉆孔時，布置方向應該盡可能沿著煤層平行層理的方向進行。

4)隨著圍(軸)的增加，有效應力最大時，ZG1試件的滲透率降幅最大，試件滲透能力幾乎完全喪失。通過圖5(b)可以看出，整個卸載過程中，ZG1試件的滲透率始終最小。這表明，隨著有效應力的增大，ZG1試件內部的層理裂隙發生了永久性損傷，而相反過程中得不到恢復[18]；ZG2試件的滲透率在有效應力小于8.13 MPa時，滲透率處于垂直層理及平行層理煤樣滲透數值之間，有效應力卸載至8.13 MPa之后，滲透率數值急劇增加，且保持最大。通過應力加卸載過程滲透率曲線可以看出，在煤體卸壓區內進行布孔時，瓦斯抽放鉆孔應避開平行層理方向，據現場應力卸載情況選擇合適布孔方式。

圖5 加卸載過程煤樣滲透率對比Fig.5 Permeabilitycontrast maps of coal samples during loading and unloading process

2.3 應力卸載對滲透率影響理論分析

煤體卸壓后內部應力場發生改變，瓦斯流動狀態也將發生變化，卸壓瓦斯滲流場得以形成，工程實踐中表現為卸壓區域瓦斯抽放濃度和純量的增加。應力卸載量大小是卸荷滲流問題的關鍵參數。只有得到充分卸載的煤層內部才能形成較發達的滲流網絡通道，內部瓦斯滲流的阻力降低，煤層滲透率增大，進而達到卸壓增透的效果[18]。

卸載過程中，3種煤樣試件滲透率都隨著有效應力的減小而增大。加載過程中應力加載至最大值10.80 MPa時的滲透率定義為k0，卸載過程中任一狀態下的滲透率為k，則任一應力狀態下的滲透率恢復比率K=k/k0；任一應力狀態下的應力卸載比定義為B=(σe0-σet)/σe0。3個煤樣試件滲透率恢復比K與卸載比B之間的關系如圖6所示。

圖6 K與B關系曲線Fig.6 Curve between K and B

滲透率恢復比隨著卸載比的增大而增大。卸載比B小于37%左右時，滲透率恢復比隨卸載比增加的幅度較為緩慢，但當卸載比大于37%時，滲透率恢復增速明顯上升。這表明：煤體中的微裂隙及節(層)理隨著有效應力的逐步卸載而擴展連通，瓦斯流動通道逐漸形成，煤體滲透率迅速增加。就3個煤樣試件而言，煤樣試件ZG2的滲透率恢復比隨卸載比的變化幅度最大[18]。

3 結論

1)加載過程中，試件滲透率與所承載的有效應力成反比，3個煤樣試件的滲透率—有效應力變化曲線較為相似，加載初期裂隙較易受壓縮發生閉合，滲透率的降幅較為急劇，之后趨于平緩；有效應力最大時，ZG1，ZG2，ZG3試件的滲透率分別下降了99.21%，97.87%，80.50%，試件ZG1的滲透率降幅最大，應力加載過程中ZG1試件更容易被壓實。

2)卸荷過程中，試件的滲透率與有效應力數值之間成反比，應力卸載初期滲透率變化較小，圍壓減小至1 MPa，滲透率增幅度分別為583%，1253%，109%，ZG3試件滲透率增幅最大。

3)加載階段ZG1的滲透率始終最大，ZG3的滲透率最??；載荷初期，ZG1試件滲透率是ZG3試件滲透率的7.2倍，不同層理方向最大滲透率比值為7.2∶1。

4)卸載過程中，ZG1試件的滲透率始終最??；應力卸載比B相同的條件下，斜交層理試件的滲流率恢復比率K最大。

5)在未受采動影響煤層布孔抽放時，鉆孔盡量沿著平行層理方向；相反，在卸壓范圍內，盡量避開層理的平行方向，根據現場應力卸載情況具體選擇合適布孔方式。