田坤云，李度周

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)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(yáng) 471842)

0 引言

層理很大程度上決定著煤體穩(wěn)定性及內(nèi)部瓦斯的運(yùn)移狀態(tài)，它的存在使煤體的整體性遭到破壞，煤體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)也會(huì)因此發(fā)生較大程度的變化。受采動(dòng)作用的影響，煤體層理裂隙會(huì)更加發(fā)育，部分裂隙會(huì)發(fā)生變形甚至遭到破壞，同時(shí)裂隙之間也會(huì)發(fā)生貫通，這對(duì)煤層瓦斯的擴(kuò)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(yùn)移和富集程度。層理裂隙較為發(fā)育煤體布置鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放時(shí)，必須考慮層理對(duì)瓦斯抽放效果的影響[1-5]。因此，根據(jù)不同方向?qū)永砹严短卣鬟M(jìn)行瓦斯抽放鉆孔布置會(huì)很大程度上影響抽放效果，這對(duì)實(shí)現(xiàn)瓦斯抽放的最大化至關(guān)重要[6-7]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤體層理與瓦斯?jié)B透率之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的探討。黃學(xué)滿[8]就煤結(jié)構(gòu)異性對(duì)瓦斯?jié)B透規(guī)律的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出結(jié)構(gòu)異性對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)；鄧博知等[9]在一定的應(yīng)力加卸載路徑下對(duì)平行及垂直層理兩個(gè)不同方向的原煤試樣進(jìn)行了多組瓦斯?jié)B流特性實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(duì)某一煤層的瓦斯?jié)B透率開(kāi)展了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究工作，得出不同層理方向上煤體的瓦斯?jié)B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(jìn)行了大量有關(guān)瓦斯?jié)B透規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，同樣驗(yàn)證了煤體層理對(duì)瓦斯?jié)B透特性的較大影響作用。

以上關(guān)于煤體層理與瓦斯?jié)B流之間關(guān)系的探討均是在某一固定的應(yīng)力條件下進(jìn)行的，取得的成果對(duì)內(nèi)合理布置瓦斯抽采鉆孔提高抽放率具有一定指導(dǎo)意義。實(shí)際采煤過(guò)程中，煤體并非處于某一固定數(shù)值的地應(yīng)力場(chǎng)。因此，有必要對(duì)變應(yīng)力條件下(原始應(yīng)力-應(yīng)力集中-應(yīng)力卸載)不同層理方向裂隙煤體的瓦斯?jié)B透規(guī)律進(jìn)行探討。因此，筆者針對(duì)這一問(wèn)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(yīng)力條件下(同一加卸載條件下)對(duì)不同層理方向裂隙煤體的瓦斯?jié)B透規(guī)律進(jìn)行研究[6，14]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試件加工

1.1 滲流-應(yīng)力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用的應(yīng)力-滲透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

主要技術(shù)參數(shù)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(zhì)量流量計(jì)：0～30 SCCM(標(biāo)準(zhǔn)毫升/分)，精度：±1.5% F.S；

④應(yīng)力夾持器：Ф50 mm×100 mm。

圖1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The simulation experimental device

1.2 煤樣采集及試件加工

實(shí)驗(yàn)煤樣來(lái)源于河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固二礦11043工作面。煤層采樣區(qū)未見(jiàn)明顯地質(zhì)構(gòu)造。煤體變質(zhì)較低，層理發(fā)育清晰可見(jiàn)。

實(shí)驗(yàn)原煤樣試件通過(guò)以下步驟來(lái)完成：①井下塊煤采集(邊長(zhǎng)約為200mm的方體)；② 使用取芯機(jī)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(duì)圓柱煤樣試件的兩端及側(cè)面進(jìn)行研磨。標(biāo)準(zhǔn)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(gè)，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(shù)如表1所示。

圖2 原煤試件實(shí)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(shí)驗(yàn)方案

煤層內(nèi)賦存有大量瓦斯氣體，且煤體開(kāi)采初期處于靜水平應(yīng)力狀態(tài)；隨著煤體采掘，應(yīng)力集中逐漸顯現(xiàn)；隨著進(jìn)一步的推進(jìn)，煤體逐步進(jìn)入卸壓帶。為了模擬煤體實(shí)際的加卸載過(guò)程，本實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力加卸載按照以下設(shè)計(jì)：既定的瓦斯壓力下(參照趙固二礦煤層瓦斯壓力實(shí)測(cè)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(wěn)定在11 MPa一段時(shí)間穩(wěn)定后，對(duì)試件所加載的圍壓進(jìn)行等速卸載(0.01 MP/s)。分別測(cè)試3個(gè)不同層理裂隙方向試件的瓦斯流量并計(jì)算出滲透率。具體實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

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

瓦斯流量通過(guò)裝置內(nèi)置的流量計(jì)自動(dòng)采集，滲透率通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)換算，計(jì)算依據(jù)如下式[17]：

式中：k為滲透率，mD；Q0為瓦斯流量，cm3/s；P0為實(shí)驗(yàn)條件下大氣壓，MPa；μ為瓦斯動(dòng)力黏性系數(shù)，取10.8×10-6Pa·s；P1為進(jìn)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(zhǎng)度，取100 mm。

試件的有效應(yīng)力σe計(jì)算公式如下：

式中：σz，σw為煤樣試樣施加的軸(圍)壓，MPa。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 The experimental scheme

2 滲透率實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同一應(yīng)力加卸載路徑下，3個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別繪制ZG1，ZG2及ZG3試件瓦斯?jié)B透率與其所受承載有效應(yīng)力之間關(guān)系曲線圖，如圖4所示。

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

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及滲透率-有效應(yīng)力曲線可得出：

1)應(yīng)力加載過(guò)程中，滲透率均與有效應(yīng)力成反比，滲透率—有效應(yīng)力趨勢(shì)較為相似，有效應(yīng)力為4.8 MPa時(shí)，與有效應(yīng)力0.8 MPa相比，3個(gè)試件的滲透率分別下降了78.57%，74.97%及59.78%，滲透率數(shù)值對(duì)所承受的有效應(yīng)力大小響應(yīng)度較高，主要原因在于煤樣試件受載荷初期，內(nèi)部所分布的層理裂隙比較受壓從而發(fā)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(duì)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(gè)試件的滲透率初始值比，即k0ZG1∶k0ZG2∶k0ZG3為7.2∶4.7∶1；有效應(yīng)力加載至預(yù)定最大值10.8 MPa時(shí)，3個(gè)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(yīng)力0.8 MPa時(shí)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(yīng)力增加過(guò)程中，3個(gè)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(yīng)力之間垂直，裂隙更容易在有效應(yīng)力的作用下閉合。

2)有效應(yīng)力降低過(guò)程中，滲透率與之亦成反比關(guān)系，卸載初期滲透率的增幅并不大，圍壓從11 MPa(有效應(yīng)力10.80 MPa)卸載至7 MPa(有效應(yīng)力8.13 MPa)時(shí)，滲透率的增幅分別為最大應(yīng)力加載值的87.45%，94.52%，6.88%；當(dāng)圍壓卸載至1 MPa(有效應(yīng)4.13 MPa)時(shí)，滲透率的增加幅度分別為加載應(yīng)力最大值時(shí)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(guò)程中ZG3與圍壓方向垂直，加載至最大圍壓時(shí)，該試件已經(jīng)被壓實(shí)，卸載過(guò)程中裂隙難以恢復(fù)，而ZG2試件裂隙方向未被壓實(shí)，卸載過(guò)程中滲透率恢復(fù)較快。

3)煤體滲透率的大小主要取決于所承載的有效應(yīng)力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，加載過(guò)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(dòng)影響的煤層布置瓦斯抽放鉆孔時(shí)，布置方向應(yīng)該盡可能沿著煤層平行層理的方向進(jìn)行。

4)隨著圍(軸)的增加，有效應(yīng)力最大時(shí)，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(guò)圖5(b)可以看出，整個(gè)卸載過(guò)程中，ZG1試件的滲透率始終最小。這表明，隨著有效應(yīng)力的增大，ZG1試件內(nèi)部的層理裂隙發(fā)生了永久性損傷，而相反過(guò)程中得不到恢復(fù)[18]；ZG2試件的滲透率在有效應(yīng)力小于8.13 MPa時(shí)，滲透率處于垂直層理及平行層理煤樣滲透數(shù)值之間，有效應(yīng)力卸載至8.13 MPa之后，滲透率數(shù)值急劇增加，且保持最大。通過(guò)應(yīng)力加卸載過(guò)程滲透率曲線可以看出，在煤體卸壓區(qū)內(nèi)進(jìn)行布孔時(shí)，瓦斯抽放鉆孔應(yīng)避開(kāi)平行層理方向，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力卸載情況選擇合適布孔方式。

圖5 加卸載過(guò)程煤樣滲透率對(duì)比Fig.5 Permeabilitycontrast maps of coal samples during loading and unloading process

2.3 應(yīng)力卸載對(duì)滲透率影響理論分析

煤體卸壓后內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，瓦斯流動(dòng)狀態(tài)也將發(fā)生變化，卸壓瓦斯?jié)B流場(chǎng)得以形成，工程實(shí)踐中表現(xiàn)為卸壓區(qū)域瓦斯抽放濃度和純量的增加。應(yīng)力卸載量大小是卸荷滲流問(wèn)題的關(guān)鍵參數(shù)。只有得到充分卸載的煤層內(nèi)部才能形成較發(fā)達(dá)的滲流網(wǎng)絡(luò)通道，內(nèi)部瓦斯?jié)B流的阻力降低，煤層滲透率增大，進(jìn)而達(dá)到卸壓增透的效果[18]。

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

圖6 K與B關(guān)系曲線Fig.6 Curve between K and B

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

3 結(jié)論

1)加載過(guò)程中，試件滲透率與所承載的有效應(yīng)力成反比，3個(gè)煤樣試件的滲透率—有效應(yīng)力變化曲線較為相似，加載初期裂隙較易受壓縮發(fā)生閉合，滲透率的降幅較為急劇，之后趨于平緩；有效應(yīng)力最大時(shí)，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(yīng)力加載過(guò)程中ZG1試件更容易被壓實(shí)。

2)卸荷過(guò)程中，試件的滲透率與有效應(yīng)力數(shù)值之間成反比，應(yīng)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的滲透率最小；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(guò)程中，ZG1試件的滲透率始終最?。粦?yīng)力卸載比B相同的條件下，斜交層理試件的滲流率恢復(fù)比率K最大。

5)在未受采動(dòng)影響煤層布孔抽放時(shí)，鉆孔盡量沿著平行層理方向；相反，在卸壓范圍內(nèi)，盡量避開(kāi)層理的平行方向，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力卸載情況具體選擇合適布孔方式。