張　曦，聶振宇，秦萬(wàn)里，馬衍坤

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001 )

數(shù)字出版日期： 2017-12-19

0　引言

長(zhǎng)期以來(lái)水力化措施作為煤礦瓦斯治理的有效手段得到廣泛應(yīng)用，尤其近年來(lái)隨著我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害形勢(shì)的不斷嚴(yán)峻以及治理難度不斷加大，水力化措施更是在瓦斯治理中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1-4]。

水力化技術(shù)主要包括2類[5]，第一類是“封堵”煤體瓦斯，抑制煤層瓦斯的解吸和運(yùn)移；第二類是“排放”煤體瓦斯，通過(guò)改善煤層的透氣性來(lái)加大瓦斯的排放量和抽采率，把水作為動(dòng)力，在煤層中形成槽縫或裂縫，增加瓦斯運(yùn)移通道。這2類技術(shù)措施均在國(guó)內(nèi)的瓦斯礦井中得到廣泛應(yīng)用。

水力化措施主要研究技術(shù)工藝提升、煤層裂隙形成以及水分對(duì)瓦斯解吸影響等方面，張國(guó)華等[6-7]認(rèn)為注入水封堵了煤中部分孔隙通道，從而延緩了瓦斯放散速度；趙東等[8]針對(duì)塊狀原煤開(kāi)展了不同注水壓力對(duì)含瓦斯煤瓦斯解吸影響的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明瓦斯解吸量隨著注水壓力的增大而減小，并結(jié)合臨界孔隙尺度分析了高壓注水抑制瓦斯解吸的機(jī)理；陳向軍等[9]針對(duì)顆粒煤開(kāi)展了高壓注水影響瓦斯解吸規(guī)律的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明注水實(shí)施過(guò)程中存在“水置氣”效應(yīng)；聶百勝[10]等采用水蒸氣吸附法制取了6種不同水分含量的2類煤樣進(jìn)行瓦斯解吸擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明煤體在受水作用后甲烷分子的運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致解吸量減小， 解吸速度變緩，解吸率降低；馬衍坤[11]開(kāi)展了急傾斜煤層底板水力壓裂工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)測(cè)分析了壓裂影響區(qū)域不同位置處瓦斯含量與水分，得到了瓦斯及水分富集特征。

水力化措施的實(shí)施過(guò)程中，外部水浸濕煤層必然導(dǎo)致煤體變形，并影響到瓦斯運(yùn)移，研究外液浸濕和退出過(guò)程中煤體的變形，對(duì)于外液浸濕誘導(dǎo)煤體變形機(jī)理及其對(duì)瓦斯運(yùn)移的影響機(jī)理有更深的意義[12-14]。然而，目前針對(duì)水侵入煤體變形過(guò)程研究還未見(jiàn)報(bào)道，因此，本文針對(duì)承壓水浸濕后煤體的變形特征進(jìn)行研究，獲得不同水壓下煤體經(jīng)歷加壓吸水-卸壓-恢復(fù)過(guò)程的變形特征。

1　實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1　煤樣制備

實(shí)驗(yàn)煤樣采自山西潞安王莊礦，平行層理方向加工鉆取為Φ50 mm×50 mm的圓柱形煤體，打磨使煤樣上、下表面平行光滑，同時(shí)用無(wú)水乙醇處理表面的顆粒物，并進(jìn)行干燥。同時(shí)焊接應(yīng)變片通道，用502膠粘貼至處理好的煤樣的軸向側(cè)面中部，驅(qū)趕氣泡撫平，一次性粘貼完畢待用，同時(shí)焊接數(shù)據(jù)采集通道，用AB膠進(jìn)行線路固定和防水涂層。

1.2　實(shí)驗(yàn)原理

煤體的表面能和承壓水的浸濕會(huì)導(dǎo)致煤體發(fā)生吸水現(xiàn)象，而卸壓后吸入的水會(huì)產(chǎn)生退出，水的進(jìn)入和退出會(huì)讓煤體發(fā)生微小的形變，而這種變形量可以通過(guò)應(yīng)變片和智能信號(hào)采集儀進(jìn)行觀測(cè)和采集，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)煤體表面橫縱方向的應(yīng)變片粘貼來(lái)進(jìn)行形變量的傳導(dǎo)和放大，可通過(guò)智能信號(hào)采集儀進(jìn)行采集。

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

該瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：1)瓦斯吸附罐體：根據(jù)實(shí)驗(yàn)用途，應(yīng)變片、液體槽均設(shè)置在罐體內(nèi)部，可通過(guò)罐體壁的數(shù)據(jù)接口與采集系統(tǒng)連接并傳輸數(shù)據(jù)；2)真空泵、抽氣泵：進(jìn)行試驗(yàn)氣密性檢測(cè)和試驗(yàn)中的壓力加入；3)智能信號(hào)采集分析：用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)變信息。如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)裝置Fig.1　Test apparatus

該實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：1)檢查吸附罐氣密性，充氣檢驗(yàn)，1 h以上無(wú)壓力降低；2)在液體罐內(nèi)量取好能夠沒(méi)過(guò)煤樣的水量；3)倒置液體罐內(nèi)的水使其自然流入吸附罐，同時(shí)用抽氣泵充入壓力組別分別為：0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5MPa。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始通過(guò)信號(hào)采集儀記錄煤體承壓水下的橫縱變形量，當(dāng)水吸附平衡應(yīng)變穩(wěn)定不變化后卸去壓力，采集卸壓后平行層理和垂直層理方向的應(yīng)變。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要從煤體承壓水浸下橫-縱變形量的趨勢(shì)、數(shù)值大小，以及體應(yīng)變進(jìn)行分析，從承壓開(kāi)始到吸附水后的應(yīng)變平衡，卸去壓力的最終平衡，得出不同承壓水下煤體的微觀變形規(guī)律。

2.1　承壓水浸煤體變形規(guī)律

實(shí)驗(yàn)樣品共6組，依次采用壓力為0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 MPa，單次加壓煤樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時(shí)間30 h左右，1組數(shù)據(jù)將近180 h。試驗(yàn)變形曲線主要分別為2個(gè)階段，壓力加入至變形穩(wěn)定階段，卸壓后至變形穩(wěn)定平衡。

1)煤體變形量特征(橫向和縱向的關(guān)系)

煤體在不同承壓水浸作用下變形量見(jiàn)圖2，0 MPa水浸濕作用下，煤體橫向縱向變形量均呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)，而受到承壓水作用后橫向變形量始終是先負(fù)后正值，說(shuō)明加壓過(guò)程中橫向應(yīng)變先受到了壓縮后逐步拉伸，水沿著平行層理進(jìn)入煤體，但是此過(guò)程只是一個(gè)緩慢較小的過(guò)程就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，而卸壓后橫向變形有一個(gè)明顯的拉伸過(guò)程，說(shuō)明卸壓后進(jìn)入煤體的水滲出使得煤體表層受到拉伸變形，而后有所減小是因?yàn)樗顺龊罂讖娇s??；而縱向變形量在加壓后始終呈現(xiàn)出負(fù)值，卸壓后縱向的應(yīng)變急劇增大，說(shuō)明加壓后垂直層理方向受到了擠壓作用，卸壓恢復(fù)使煤體垂直層理方向受到了拉伸作用。

2)不同壓力下的變形量分析

承壓水加入和卸壓的整個(gè)過(guò)程中，煤體橫向的變形量在-200～200 με之間，基本變化差異性較??；而縱向變形量在-3 800～300 με之間，加壓水浸后到達(dá)穩(wěn)定變形所需的時(shí)間隨壓力增大逐漸減小，卸壓后到達(dá)穩(wěn)定所需的時(shí)間是壓力越大平衡所需時(shí)間越長(zhǎng)，橫縱變形量均無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)。

結(jié)果說(shuō)明承壓水對(duì)于煤體產(chǎn)生的變形基本不可逆，對(duì)于縱向變形產(chǎn)生的影響作用較大，而壓力越大壓縮變形越小，這可能是由于低壓下煤樣吸附水的能力低，內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹能力遠(yuǎn)小于水壓，因此產(chǎn)生較大的壓縮變形，而高壓下，煤樣吸水多，膨脹能力大，在與水壓的抵消作用下，煤樣出現(xiàn)小壓縮變形。

圖2　不同承壓水浸作用下變形規(guī)律Fig.2　The same pressure relief deformation of coal body with different water pressure

卸壓后，不同承壓水作用下煤體的橫向和縱向變形恢復(fù)也不同，說(shuō)明不同承壓水下，煤體的表面能和內(nèi)部膨脹力以及水壓的共同作用導(dǎo)致煤體的變形，而卸壓后水壓的消失會(huì)使得煤體受力平衡發(fā)生改變，因而恢復(fù)的狀態(tài)不同，同時(shí)水壓越大殘余變形量越小。不同壓力下煤體的具體變形見(jiàn)圖3。

圖3　不同承壓水浸下變形比較Fig.3　Comparison diagram of deformation under different pressure flooding

2.2　不同壓力煤體體應(yīng)變變化規(guī)律

由于煤體本身的構(gòu)造及破碎性程度不同，即使嚴(yán)格控制也無(wú)法消除實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散型，因此每組實(shí)驗(yàn)時(shí)采取對(duì)比煤樣的實(shí)驗(yàn)方法，挑選構(gòu)造相同的2塊煤樣做對(duì)比，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不大的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整理出不同壓力水浸下應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(見(jiàn)圖4)。其中σ～εz代表應(yīng)力-縱向應(yīng)變的關(guān)系；σ～εh代表應(yīng)力-橫向應(yīng)變的關(guān)系；σ～εv代表應(yīng)力-體應(yīng)變的關(guān)系。其中體應(yīng)變計(jì)算方法如下[15]：

εv=εz+2εh=(1-2μ)εz

式中：εv為一體應(yīng)變；μ為縱橫應(yīng)變比。

表1為不同壓力水浸下體應(yīng)變的極值。

圖4　不同承壓水浸下體應(yīng)變曲線Fig.4　Lower body curves of different pressure floods

表1　不同壓力水浸下體應(yīng)變的極值

從表1可以看出，壓力增大體應(yīng)變的最小值呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，說(shuō)明煤體受到壓縮的程度和外界水壓呈反比，最大體應(yīng)變變化值不大，煤體受拉伸的狀態(tài)是有限的。整個(gè)過(guò)程說(shuō)明不管煤體壓縮還是拉伸是外界水壓和煤體膨脹應(yīng)力共同作用的結(jié)果，這對(duì)于研究煤體微觀狀態(tài)和瓦斯抽采提供可參考的依據(jù)。

從圖4可以看出，不同承壓水浸濕下，體應(yīng)變呈現(xiàn)出相似的變形曲線規(guī)律，承壓浸水后體應(yīng)變先是一個(gè)壓縮減小過(guò)程，且壓力越大變形反而越小，壓力越小穩(wěn)定過(guò)程越緩慢，降壓后體應(yīng)變呈現(xiàn)出一個(gè)急劇增大膨脹的過(guò)程，說(shuō)明前期緩慢進(jìn)入煤體內(nèi)部的水由于壓力卸載而溢出最后趨于穩(wěn)定。

2.3　討論

1)0 MPa水浸煤體后，煤體橫縱變形均為拉伸狀態(tài)，表明煤體僅受到水吸附的作用，水通過(guò)孔隙進(jìn)入煤體內(nèi)部，煤體產(chǎn)生微弱膨脹，導(dǎo)致煤體表面橫縱應(yīng)變均呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)。

2)承壓水浸濕作用下，煤體受到水壓和水吸附的共同作用，低壓下煤樣吸附水的能力低，內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹能力遠(yuǎn)小于水壓，因此產(chǎn)生較大的壓縮變形，而高壓下，煤樣被迫吸水多，膨脹能力大，在與水壓的抵消作用下，煤樣出現(xiàn)小壓縮變形。

3　結(jié)論

1)承壓水浸煤體后，橫向的變形基本變化不大，而縱向變形和壓力之間存在明顯的差異性。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定平衡后，卸壓導(dǎo)致了橫向應(yīng)變的短期膨脹，是由于水從煤體內(nèi)部沿著孔隙內(nèi)部溢出，當(dāng)水流出后煤體自身有一個(gè)彈性恢復(fù)，因此變形達(dá)到峰值后又降低最后趨于穩(wěn)定。

2)縱向變形受壓力差異變化較大，隨水壓的升高，縱向變形量從減小到平穩(wěn)的過(guò)程越來(lái)越迅速，且變形量基本小于0，說(shuō)明縱向煤層一直處于壓縮狀態(tài)。卸壓后，縱向變形量逐漸增大，且承壓越大，恢復(fù)達(dá)到穩(wěn)定的周期越長(zhǎng)。

3)體應(yīng)變總體呈現(xiàn)由壓縮到膨脹拉升的狀態(tài)，說(shuō)明浸水下壓力的增大對(duì)于煤體的微觀狀態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓縮的影響，壓縮的大小和浸水壓力成反比。

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