孫中光

（1、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 2、中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039 3、重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

煤巖滲透性試制流體在煤體中流動(dòng)的難易程度，主要受礦井開采過程中煤巖體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化影響而表現(xiàn)出復(fù)雜的特征，特別是采空區(qū)的滲透率在很大程度上影響著煤礦工作面通風(fēng)條件、采空區(qū)瓦斯排放甚至采空區(qū)煤炭自燃[1-3]，因此，有必要深入研究煤樣滲透率演化特征及其對(duì)于促進(jìn)煤礦瓦斯抽采效率、控制礦區(qū)地表沉降和預(yù)防煤炭自燃方面的工程作用和理論意義。

在煤巖的滲透性的理論研究方面，Chu[4]、余明高[5]等通過實(shí)驗(yàn)研究了壓實(shí)破碎煤滲透性演化規(guī)律，得出：煤樣的滲透率均隨孔隙壓力的增大呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，且存在一個(gè)軸壓的臨界值（9.0 MPa左右）；不同瓦斯壓力、圍壓和軸壓均與煤樣滲透率均呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且敏感度由大至小依次為：瓦斯壓力、圍壓、軸壓，并提出通過降低小顆粒煤樣占或固化小顆粒，將有利于降低煤體孔隙度和滲透率、防止煤體自熱的措施；Sun 等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究了突出煤層中軟煤和硬煤的吸附解吸規(guī)律及其對(duì)突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性的影響。在工程應(yīng)用方面，梁運(yùn)濤等[7]建立了煤礦工作面與采空區(qū)統(tǒng)一流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并模擬分析了采場(chǎng)區(qū)域孔隙率和漏風(fēng)場(chǎng)分布規(guī)律；閆帥[8]等采用電阻率頻散實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究方法分析出地層條件下有機(jī)質(zhì)頁巖極化率與黃鐵礦含量、滲透率和孔隙率等的關(guān)系；王晶等[9]結(jié)合采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)、相似模擬和數(shù)值模擬研究了保護(hù)層開采前后被保護(hù)層裂隙發(fā)育與滲透特征，得出保護(hù)層開采可以達(dá)到卸壓增透的效果；鞠金峰[10]等開展了鐵/鈣質(zhì)化學(xué)沉淀對(duì)采動(dòng)裂隙的修復(fù)降滲特性試驗(yàn)，拓展了煤巖滲透性研究的應(yīng)用范圍；郭慧[11]對(duì)鉆孔周圍煤體的應(yīng)力分布、體積應(yīng)變、瓦斯運(yùn)移以及孔隙率進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。

現(xiàn)有研究主要集中為破碎巖體的壓實(shí)特性及水體的滲流特征，而對(duì)于破碎煤體的壓實(shí)特征及氣體的滲透率演化規(guī)律研究較少。本文利用損傷煤巖體滲流試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了三種單粒徑破碎煤樣和四種混合粒徑破碎煤樣的三軸加載的滲流試驗(yàn)，分析了破碎煤樣三軸加載下的壓實(shí)特性、滲透率特征。

1 不同粒徑煤樣的三軸加載滲流實(shí)驗(yàn)方案

為了研究破碎煤體在三軸加載下的壓實(shí)和滲透率演化特征，本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了七組不同粒徑煤樣的三軸加載滲流實(shí)驗(yàn)（三組單一粒徑煤樣和四組混合煤樣的粒徑分布和質(zhì)量如表1 所示）。各組煤樣質(zhì)量均為100g，其中：三種單粒徑煤樣粒徑分別為C1 組1.0mm-2.8mm、C2 組4.6mm-6.8mm 和C3 組10.2mm-15.1mm，C4組～C6 組煤樣分別為三種單粒徑煤樣兩兩等質(zhì)量混合，C7 組煤樣為三種單粒徑煤樣等質(zhì)量混合而成。

表1 實(shí)驗(yàn)用煤樣的粒徑和質(zhì)量分布

實(shí)驗(yàn)用煤樣取自淮南礦業(yè)集團(tuán)新集二礦11-2 號(hào)煤層，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用重慶大學(xué)·煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的損傷煤巖體滲流試驗(yàn)系統(tǒng)，在常溫下（25℃）采用氮?dú)猓?.05MPa）進(jìn)行三軸滲流實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中采用相同軸壓與圍壓進(jìn)行應(yīng)力加載，具體加載路徑如圖1 所示。

圖1 破碎煤樣的加載路徑

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破碎煤樣壓實(shí)特性

破碎煤樣應(yīng)變、孔隙率與軸向應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖2 所示。由圖2 可知，隨軸向應(yīng)力和圍壓的逐漸增加，破碎煤樣應(yīng)變逐漸增加，應(yīng)變速率由大變小，孔隙率逐漸減小，孔隙減小速率也由大變小。此外，單粒徑煤樣的應(yīng)變小于混合粒徑，孔隙率大于混合粒徑。整個(gè)壓實(shí)過程可以4.0MPa 應(yīng)力值為分界點(diǎn)，將破碎煤樣應(yīng)變、孔隙率與軸向應(yīng)力的測(cè)試曲線分為快速壓實(shí)階段A 和緩慢壓實(shí)階段B 兩個(gè)明顯的階段，其中：應(yīng)力在4.0MPa 以前（階段A），破碎煤樣快速壓實(shí)，應(yīng)變和孔隙率變化很快，主要原因?yàn)椋浩扑槊后w受載初期，一方面顆粒之間不存在粘聚力，相互之間極易發(fā)生滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)使顆粒結(jié)構(gòu)重新調(diào)整導(dǎo)致孔隙率大幅度減小，這是破碎煤體壓實(shí)變形的主要部分；另一方面煤樣顆粒相互擠壓破碎導(dǎo)致其孔隙率進(jìn)一步降低，這是破碎煤體壓實(shí)變形的次要部分。應(yīng)力超過4.0MPa以后（階段B），煤樣緩慢壓實(shí)，應(yīng)變和孔隙率變化較慢?？紫堵蕼p小的主要原因?yàn)椋涸撾A段，一方面煤體顆粒二次破碎，破碎的細(xì)小顆粒充填至孔隙中導(dǎo)致孔隙率進(jìn)一步減小，但減小量不大；另一方面由于二次破碎時(shí)期使得原有顆粒之間的孔隙基本被碎裂的細(xì)小顆粒充填，破碎煤體在外部荷載的繼續(xù)增加下，破碎煤體顆粒將產(chǎn)生彈性變形，引起破碎煤體的整體壓縮，但這部分變形量極小。

圖2 破碎煤樣應(yīng)變、孔隙率與軸向應(yīng)力的測(cè)試曲線

2.2 破碎煤樣滲透率特征

通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得出破碎煤樣在不同加載應(yīng)力下的滲透率，得到各破碎煤樣的滲透率與加載應(yīng)力的擬合關(guān)系曲線如圖3 所示，各破碎煤樣的滲透率與孔隙率的關(guān)系擬合曲線如圖4 所示。

圖3 各破碎煤樣滲透率與有效應(yīng)力擬合關(guān)系

圖4 各破碎煤樣滲透率與孔隙率擬合關(guān)系

由圖3 和4 可知：破碎煤樣的滲透率隨有效應(yīng)力的增加而呈指數(shù)型減小（相關(guān)性系數(shù)平均值R2=0.970），隨孔隙率的減小而呈冪函數(shù)減小（相關(guān)性系數(shù)平均值R2=0.972），說明破碎煤體在受到較強(qiáng)三向應(yīng)力作用下，會(huì)導(dǎo)致破碎煤體在三軸加載過程中破碎膠結(jié)，最終形成一個(gè)圓柱形膠結(jié)體，該膠結(jié)體等價(jià)于孔隙、裂隙發(fā)育的完整煤樣，其破碎煤樣的三軸壓縮符合達(dá)西定律。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開展了三軸加載下三組單粒徑破碎煤樣和四組混合粒徑破碎煤樣的壓實(shí)與滲流實(shí)驗(yàn)，主要得出結(jié)論如下：

3.1 破碎煤體隨應(yīng)力的增加，應(yīng)變逐漸增加，孔隙率逐漸減小；在相同應(yīng)力下，單粒徑煤樣的應(yīng)變小于混合粒徑，孔隙率大于混合粒徑；單粒徑煤樣顆粒粒徑越大，其應(yīng)變?cè)叫　?/p>

3.2 破碎煤樣三軸加載下存在快速壓實(shí)和緩慢壓實(shí)兩個(gè)階段?？焖賶簩?shí)階段內(nèi)破碎煤樣的滲透率和應(yīng)變敏感性系數(shù)隨應(yīng)力的增加而快速減小；緩慢壓實(shí)階段內(nèi)滲透率和應(yīng)變敏感性系數(shù)隨應(yīng)力的增加緩慢減小，且存在波動(dòng)變化，應(yīng)力敏感性較弱。

3.3 通過實(shí)驗(yàn)得出破碎煤樣的滲透率隨有效應(yīng)力的增加而呈指數(shù)型減小，隨孔隙率的減小而呈冪函數(shù)減小，且服從達(dá)西定律。