，，，

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000；3.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；4.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；5 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；6 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

瓦斯是煤層的伴生氣體，具有雙重特征：一是井下的致災(zāi)氣體；二是具有潔凈、高效和綠色能源的特點(diǎn)。因此，瓦斯的有效開(kāi)發(fā)利用不僅對(duì)防治礦井災(zāi)害具有重要意義，也對(duì)緩解我國(guó)能源需求壓力具有重要戰(zhàn)略意義。煤體在應(yīng)力變化過(guò)程中，滲透性也發(fā)生著變化，他們之間具有密切的內(nèi)在關(guān)系。因此，研究煤體力學(xué)變形及其滲透性變化特征對(duì)瓦斯有效開(kāi)發(fā)利用具有一定指導(dǎo)意義。

在循環(huán)載荷下煤巖的力學(xué)及滲透性研究方面，李曉泉等[1，2]選擇具有突出特性的型煤煤樣進(jìn)行循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)，分析了煤樣的變形及滲透特性，結(jié)果顯示：煤樣滲透性與變形損傷存在直接關(guān)系，單次循環(huán)加、卸載階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線及滲透率變化均形成封閉環(huán)，二者封閉環(huán)的傾向相反，且封閉環(huán)的形態(tài)受多種因素的影響；蔡波[3]、周婷[4]以型煤為對(duì)象，進(jìn)行了循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)研究，綜合考慮了多種變量對(duì)其力學(xué)及滲透性的影響；胡大偉等[5]、孔茜等[6]選擇了孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育的砂巖進(jìn)行循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)，分別研究了加、卸載階段滲透率的變化規(guī)律，得到了與煤樣相似的結(jié)論；李東印等[7]在自制的煤-氣耦合試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了大尺寸煤樣的循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)首次卸載過(guò)程中滲透率發(fā)生突變，進(jìn)而可以推斷頂板初次來(lái)壓期間很可能誘發(fā)瓦斯異常；孫光中等[8，9]針對(duì)構(gòu)造煤進(jìn)行了循環(huán)載荷滲透率測(cè)試，通過(guò)分析加卸載階段滲透率的變化規(guī)律，在兩階段分別引入了不同的滲透率變化因子，建立了滲透率動(dòng)態(tài)演化模型；李波波[10]在研究循環(huán)載荷下煤樣變形、滲透率變化規(guī)律的同時(shí)，從能量轉(zhuǎn)化角度分析了煤巖的損傷過(guò)程。這些研究對(duì)認(rèn)識(shí)煤體力學(xué)變形和它的滲透性變化的規(guī)律性具有重要指導(dǎo)意義，但這些成果側(cè)重于煤體彈性變形階段，很少涉及到煤體塑性變形階段，因此需要更進(jìn)一步研究煤體產(chǎn)生塑性變形后，煤體變形與滲透率變化的規(guī)律性。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，利用三軸滲流實(shí)驗(yàn)機(jī)，采用等幅循環(huán)應(yīng)力加載在煤體上，循環(huán)的應(yīng)力上限大于煤體屈服極限，總結(jié)煤體變形與滲透性變化的規(guī)律及他們之間的內(nèi)在關(guān)系，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽選具有一定的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 煤樣制備

本次實(shí)驗(yàn)所用煤樣來(lái)自山西晉煤集團(tuán)寺河礦的3#無(wú)煙煤，采樣地點(diǎn)為西二盤(pán)區(qū)W2301工作面。在現(xiàn)場(chǎng)采集過(guò)程中，為了最大程度的減小開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)煤體原生結(jié)構(gòu)的破壞，采樣地點(diǎn)選擇在遠(yuǎn)離工作面的上下工作面巷道處，避開(kāi)超前支承應(yīng)力區(qū)，同時(shí)鉆切煤塊的體積應(yīng)盡可能大，以減小煤體結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性造成的實(shí)驗(yàn)誤差。煤塊采出后，由專人運(yùn)抵地面，搬運(yùn)過(guò)程中要輕拿輕放，然后裝箱運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，沿垂直層理的方向進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)煤樣(Φ50mm×100mm)的加工和制備。在煤樣加工過(guò)程中，為了減小機(jī)械振動(dòng)對(duì)煤體原生結(jié)構(gòu)的破壞，采用濕式密集鉆芯。同時(shí)為了保障煤樣端部的平整度，需進(jìn)行煤樣端部的工業(yè)研磨，使試件兩端面的平整度偏差控制在0.005cm范圍內(nèi)，且上、下端面直徑偏差小于0.02cm。煤樣加工成型后，進(jìn)行分組編號(hào)，并置于干燥箱內(nèi)充分干燥，部分煤樣加工前后如圖1所示。

圖1 部分煤樣加工前后照片

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

三軸滲透率實(shí)驗(yàn)是在自主研發(fā)的三軸應(yīng)力滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，該系統(tǒng)主要由裝置夾持器、圍壓及軸壓控制系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、負(fù)壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)及其他輔助裝置等組成。主要技術(shù)參數(shù)如下：軸壓加載范圍，0～120MPa；圍壓加載范圍，0～60MPa；瓦斯壓力范圍，0～10MPa；軸向位移范圍，0～100mm；溫度控制范圍，室溫～150℃；負(fù)壓控制范圍，0～100kPa；軸向載荷控制方式，位移控制、應(yīng)力控制；圍壓載荷控制方式，應(yīng)力控制；應(yīng)力值誤差范圍，示值的+0.5%；變形量誤差范圍，示值的+0.5%；(溫度控制誤差，+0.5℃；負(fù)壓測(cè)量誤差，示值的+1%；實(shí)驗(yàn)過(guò)程相關(guān)參數(shù)均為全自動(dòng)采集。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

1.3.1 實(shí)驗(yàn)氣體及條件

實(shí)驗(yàn)所用氣體為瓦斯氣體，純度為99.99%，實(shí)驗(yàn)時(shí)氣體進(jìn)口壓力保持為1.1MPa，出口壓力0.1MPa。實(shí)驗(yàn)中圍壓保持為2MPa，軸向載荷水平及循環(huán)頻率與裂隙演化實(shí)驗(yàn)保持一致，實(shí)驗(yàn)路徑和方案均與裂隙演化實(shí)驗(yàn)相同，變形量及滲透率測(cè)試值系統(tǒng)自動(dòng)采集保存。

1.3.2 應(yīng)力加載方案及步驟

應(yīng)力加載采用等幅三角波循環(huán)路徑進(jìn)行循環(huán)，具體實(shí)驗(yàn)條件為：恒定循環(huán)頻率0.05Hz，圍壓2MPa，依據(jù)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別選擇循環(huán)上限應(yīng)力為50MPa、45MPa和40MPa三個(gè)水平，下限應(yīng)力均20MPa。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

第一步：采用應(yīng)力控制方式對(duì)圍壓、軸壓進(jìn)行同時(shí)加載，應(yīng)力加載速率均為0.1MPa/s，應(yīng)力終點(diǎn)均設(shè)定為2MPa；第二步：當(dāng)軸壓、圍壓同時(shí)達(dá)到2MPa時(shí)，保持圍壓恒定，改用位移控制方式進(jìn)行軸壓的繼續(xù)加載，位移速率為0.002mm/s，應(yīng)力終點(diǎn)為循環(huán)上、下限應(yīng)力均值；第三步：選擇三角波形循環(huán)，設(shè)定循環(huán)振幅、循環(huán)應(yīng)力均值、循環(huán)頻率等相關(guān)循環(huán)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)加卸載過(guò)程，直至煤樣破壞，此即完成一個(gè)完整的循環(huán)過(guò)程；第四步：更換煤樣試件，重復(fù)以上3步操作，完成下一組實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 循環(huán)載荷下煤樣的力學(xué)變形特征

為了研究應(yīng)力水平對(duì)煤樣變形規(guī)律的影響，分別選擇20～50MPa、20～45MPa和20～40MPa三個(gè)水平，循環(huán)頻率均為0.05Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同應(yīng)力水平下煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可以看出：不同應(yīng)力水平循環(huán)下煤樣的變形特征具明顯的三個(gè)階段性，即應(yīng)力應(yīng)變曲線整體呈現(xiàn)疏-密-疏的變化規(guī)律，這一特點(diǎn)與巖石類材料的循環(huán)疲勞破壞過(guò)程相似[11-13]。造成這種變形具有明顯三階段特征的原因是：初期階段應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)較為不明顯的稀疏的原因是煤體初始裂隙在外力作用下被壓縮，產(chǎn)生了較大的塑性變形，循環(huán)加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線形成較大的滯回環(huán)，看起來(lái)比較稀疏；中間階段應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)相對(duì)密集的原因是初始裂隙被壓縮后，新生裂隙還處在發(fā)育階段，整個(gè)過(guò)程塑性應(yīng)變較小，彈性應(yīng)變占絕對(duì)主導(dǎo)地位，因此應(yīng)力應(yīng)變曲線形成的較小的滯回環(huán)，滯回環(huán)之間也更加密集；后期階段應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)較為明顯的稀疏原因是煤體在外力作用下，新生裂隙處在高度發(fā)育、擴(kuò)展、匯通的階段，此階段將產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變，應(yīng)力應(yīng)變曲線形成較大的滯回環(huán)，滯回環(huán)之間表現(xiàn)得更加稀疏。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示出應(yīng)力水平對(duì)煤樣的變形具有明顯的影響。隨著應(yīng)力水平上限的提高，煤巖破壞需要的次數(shù)不斷降低，應(yīng)力應(yīng)變曲線也顯得更加稀疏。

2.2 循環(huán)載荷下煤樣滲透率變化特征

為研究滲透率變化規(guī)律的影響，提取了單次循環(huán)中下限應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的滲透率測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。不同應(yīng)力水平循環(huán)下滲透率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 不同應(yīng)力水平條件下煤滲透率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

由圖3可以看出：在不同應(yīng)力水平下，下限應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的滲透率變化規(guī)律整體呈現(xiàn)“U”型，表現(xiàn)出了明顯的階段性：

初始階段：滲透率逐漸降低。該階段滲透率隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這是由于煤樣內(nèi)部的原始孔裂隙在受壓后閉合，孔隙度大大減小，降低了滲透性。

中間階段：滲透率穩(wěn)定階段。該階段煤樣的滲透率基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，原因可能是：煤樣初始孔裂隙壓縮后，煤樣均質(zhì)性得到提高，其力學(xué)性質(zhì)得到強(qiáng)化，而新微裂紋產(chǎn)生量較小，且貫通性較差，塑性應(yīng)變不明顯，煤樣內(nèi)部裂紋的閉合和擴(kuò)展處于相對(duì)平衡狀態(tài)，因此滲透率變化幅度不大。

后期階段：滲透率逐漸升高階段。在該階段前期滲透率呈緩慢升高趨勢(shì)，后期滲透率則呈現(xiàn)急劇升高。其主要原因在于：新生微裂紋大量發(fā)育，并在局部開(kāi)始匯合、貫通，增加了煤樣內(nèi)部氣體的滲流通道，滲透率表現(xiàn)為緩慢增加，當(dāng)局部主裂紋形成后，單次循環(huán)對(duì)煤樣的損傷增大，裂紋的擴(kuò)展貫通程度快速提高，滲透率明顯升高。

對(duì)比不同應(yīng)力水平循環(huán)下煤樣滲透率變化規(guī)律，可以看出應(yīng)力水平對(duì)滲透率的演化過(guò)程具有明顯影響：①循環(huán)應(yīng)力水平越低，滲透率變化的各個(gè)階段均需要經(jīng)歷更多的循環(huán)次數(shù)；②在滲透率發(fā)生明顯變化的第一階段和第三階段差異性明顯。應(yīng)力水平越高，單次循環(huán)對(duì)滲透率的變化影響越大，說(shuō)明煤樣在循環(huán)破壞過(guò)程中，滲透率的上升或下降速率與應(yīng)力水平成正比；③隨著應(yīng)力水平的升高，滲透率的穩(wěn)定階段所占比例逐漸減小，滲透率與循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系曲線有從“U”型向“V”型發(fā)展的趨勢(shì)。

2.3 循環(huán)載荷下煤樣力學(xué)變形及滲透性變化特征內(nèi)在關(guān)系

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤樣的力學(xué)變形與滲透性變形具有一定內(nèi)在聯(lián)系，這在其他研究成果中也有類似的體現(xiàn)[14，15]。在相同的應(yīng)力路徑下，應(yīng)變曲線和滲透率變化隨著循環(huán)次數(shù)的增加，具有一一對(duì)應(yīng)的三階段特征：在載荷循環(huán)的初期階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線的滯回環(huán)較為稀疏，對(duì)應(yīng)滲透率隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸下降；在載荷循環(huán)的中間階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線的滯回環(huán)較為密集，對(duì)應(yīng)滲透率隨循環(huán)次數(shù)增加而處于穩(wěn)定狀態(tài)；在載荷循環(huán)的后期階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線的滯回環(huán)非常稀疏，對(duì)應(yīng)滲透率隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸快速升高。這種對(duì)應(yīng)對(duì)比關(guān)系如圖4所示，軸向應(yīng)變曲線是每循環(huán)應(yīng)變累積量隨循環(huán)次數(shù)增加的變化示意圖，而滲透率曲線是每循環(huán)得下限應(yīng)力點(diǎn)的滲透率隨循環(huán)次數(shù)增加的變化示意圖。

圖4顯示：三個(gè)應(yīng)力水平都表現(xiàn)出相同的規(guī)律，軸向應(yīng)變曲線都經(jīng)歷了相同的變化趨勢(shì)，既循環(huán)初期階段每循環(huán)應(yīng)變?cè)隽恐饾u減小，中間階段每循環(huán)應(yīng)變?cè)隽糠€(wěn)定，后期階段每循環(huán)應(yīng)變?cè)隽靠焖偕仙?；而滲透率也經(jīng)歷了相同的變化趨勢(shì)，既初期階段逐漸減小，中間階段穩(wěn)定，后期階段快速上升的過(guò)程?？梢?jiàn)在循環(huán)載荷過(guò)程中，煤樣滲透率的變化趨勢(shì)與應(yīng)變累積量增速的變化趨勢(shì)具有一致性。

圖4 不同應(yīng)力水平下應(yīng)變、滲透率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

對(duì)煤樣進(jìn)行了不同應(yīng)力水平循環(huán)載荷下的應(yīng)力應(yīng)變力學(xué)實(shí)驗(yàn)和滲透率測(cè)試，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，得到以下主要結(jié)論：

1)煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線滯回環(huán)呈現(xiàn)較為明顯的疏—密—疏三階段特征，應(yīng)力水平越高，循環(huán)的次數(shù)越少。

2)煤樣的滲透率變化也呈現(xiàn)較為明顯的降低—穩(wěn)定—增長(zhǎng)三階段特征，應(yīng)力水平對(duì)滲透率變化過(guò)程影響顯著，隨著應(yīng)力水平的升高，滲透率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線有從“U”型向“V”型發(fā)展的趨勢(shì)。

3)煤樣的力學(xué)變形與滲透性變化具有密切的關(guān)系，在循環(huán)過(guò)程中，煤樣滲透率的變化趨勢(shì)與應(yīng)變累積量增速的變化趨勢(shì)具有一致性，都經(jīng)歷了減速—穩(wěn)定—加速的過(guò)程。