不同层理方向裂隙煤体承压过程瓦斯渗透规律实验研究*

田坤云，李度周

(1.河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191；2.河南大有能源股份有限公司新安煤矿，河南 洛阳 471842)

0 引言

层理很大程度上决定着煤体稳定性及内部瓦斯的运移状态，它的存在使煤体的整体性遭到破坏，煤体内部的应力分布状态也会因此发生较大程度的变化。受采动作用的影响，煤体层理裂隙会更加发育，部分裂隙会发生变形甚至遭到破坏，同时裂隙之间也会发生贯通，这对煤层瓦斯的扩散和渗流具有举足轻重的影响，很大程度上制约了煤体瓦斯的运移和富集程度。层理裂隙较为发育煤体布置钻孔进行瓦斯抽放时，必须考虑层理对瓦斯抽放效果的影响[1-5]。因此，根据不同方向层理裂隙特征进行瓦斯抽放钻孔布置会很大程度上影响抽放效果，这对实现瓦斯抽放的最大化至关重要[6-7]。

国内外对煤体层理与瓦斯渗透率之间的关系进行了大量的探讨。黄学满[8]就煤结构异性对瓦斯渗透规律的影响进行了实验研究，得出结构异性对渗透率的影响较大，平行和垂直煤样层理方向的渗透率大小相差近一个数量级；邓博知等[9]在一定的应力加卸载路径下对平行及垂直层理两个不同方向的原煤试样进行了多组瓦斯渗流特性实验，结果表明：渗透率的差异主要取决于试件z轴方向的裂隙度；Koenig等[10]针对某一煤层的瓦斯渗透率开展了大量的现场试验研究工作，得出不同层理方向上煤体的瓦斯渗透率最多相差十几倍；Liu[11-12]， Li等[13]在不同煤样层理方向下，进行了大量有关瓦斯渗透规律的实验研究，同样验证了煤体层理对瓦斯渗透特性的较大影响作用。

以上关于煤体层理与瓦斯渗流之间关系的探讨均是在某一固定的应力条件下进行的，取得的成果对内合理布置瓦斯抽采钻孔提高抽放率具有一定指导意义。实际采煤过程中，煤体并非处于某一固定数值的地应力场。因此，有必要对变应力条件下(原始应力-应力集中-应力卸载)不同层理方向裂隙煤体的瓦斯渗透规律进行探讨。因此，笔者针对这一问题采集了层理较清晰的块煤，制取了平行、垂直及斜交层理裂隙3种不同原煤样试件，在相同变应力条件下(同一加卸载条件下)对不同层理方向裂隙煤体的瓦斯渗透规律进行研究[6，14]。

1 实验设备及试件加工

1.1 渗流-应力实验系统

采用的应力-渗透实验系统如图1所示。

主要技术参数如下[15-16]：

①轴(围)压：0～100(60)MPa，精度：0.1 MPa；

②瓦斯压力：0～10 MPa，精度：0.1 MPa；

③质量流量计：0～30 SCCM(标准毫升/分)，精度：±1.5% F.S；

④应力夹持器：Ф50 mm×100 mm。

图1 模拟实验装置Fig.1 The simulation experimental device

1.2 煤样采集及试件加工

实验煤样来源于河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿11043工作面。煤层采样区未见明显地质构造。煤体变质较低，层理发育清晰可见。

实验原煤样试件通过以下步骤来完成：①井下块煤采集(边长约为200mm的方体)；② 使用取芯机在所采集的块煤上沿层理平行、垂直及倾斜方向(大致45°)上分别取芯；③ 对圆柱煤样试件的两端及侧面进行研磨。标准煤样试件最终加工尺寸为Ф50 mm×100 mm。

挑选层理清晰且打磨较好的3种煤样试件各一个，分别编为ZG1，ZG2，ZG3，如图2所示，3种煤样试件的素描效果如图3所示。所采集二1煤层的物理参数如表1所示。

图2 原煤试件实物Fig.2 Physical maps of raw coal samples

图3 原煤样试件素描Fig.3 Sketch of raw coal samples

1.3 实验方案

煤层内赋存有大量瓦斯气体，且煤体开采初期处于静水平应力状态；随着煤体采掘，应力集中逐渐显现；随着进一步的推进，煤体逐步进入卸压带。为了模拟煤体实际的加卸载过程，本实验的应力加卸载按照以下设计：既定的瓦斯压力下(参照赵固二矿煤层瓦斯压力实测情况取0.5 MPa)，使试件吸附甲烷12 h后，等速加载试件的轴(围)压至11 MPa。在轴压稳定在11 MPa一段时间稳定后，对试件所加载的围压进行等速卸载(0.01 MP/s)。分别测试3个不同层理裂隙方向试件的瓦斯流量并计算出渗透率。具体实验方案如表2所示。

表1 煤的物理参数Tab.1 physical parameters of coal seam

瓦斯流量通过装置内置的流量计自动采集，渗透率通过程序实现自动换算，计算依据如下式[17]：

式中：k为渗透率，mD；Q0为瓦斯流量，cm3/s；P0为实验条件下大气压，MPa；μ为瓦斯动力黏性系数，取10.8×10-6Pa·s；P1为进气口瓦斯压力，此处取0.5 MPa；P2为出气口瓦斯压力，取0.1 MPa；A为煤样截面积，cm2；L为煤样试件长度，取100 mm。

试件的有效应力σe计算公式如下：

式中：σz，σw为煤样试样施加的轴(围)压，MPa。

表2 实验方案Tab.2 The experimental scheme

2 渗透率实验分析

2.1 实验结果

同一应力加卸载路径下，3个煤样试件的渗透率如表3所示。

表3 煤样试件渗透率Tab.3 Permeability of coal samples

2.2 渗透实验结果分析

分别绘制ZG1，ZG2及ZG3试件瓦斯渗透率与其所受承载有效应力之间关系曲线图，如图4所示。

图4 煤样试件加卸载过程渗透率—有效应力曲线Fig.4 Curve about permeability-effective stress of coal samples during loading and unloading process

通过实验数据及渗透率-有效应力曲线可得出：

1)应力加载过程中，渗透率均与有效应力成反比，渗透率—有效应力趋势较为相似，有效应力为4.8 MPa时，与有效应力0.8 MPa相比，3个试件的渗透率分别下降了78.57%，74.97%及59.78%，渗透率数值对所承受的有效应力大小响应度较高，主要原因在于煤样试件受载荷初期，内部所分布的层理裂隙比较受压从而发生闭合，因此渗透率的降幅比较大，加载后期渗透率的变化相对趋于平缓。

ZG1，ZG2及ZG3试件的渗透率初始值k0分别为0.152 367，0.099 359及0.021 160 mD，3个试件的渗透率初始值比，即k0ZG1∶k0ZG2∶k0ZG3为7.2∶4.7∶1；有效应力加载至预定最大值10.8 MPa时，3个煤样试件的渗透率分别为0.001 205，0.002 116，0.004 127 mD，与有效应力0.8 MPa时相比，渗透率分别下降了99.21%，97.87%，80.50%，ZG1试件的渗透率降幅最大。应力增加过程中，3个试件中，平行层理试件最易受压，主要原因在于ZG1试件的层理裂隙方向与有效应力之间垂直，裂隙更容易在有效应力的作用下闭合。

2)有效应力降低过程中，渗透率与之亦成反比关系，卸载初期渗透率的增幅并不大，围压从11 MPa(有效应力10.80 MPa)卸载至7 MPa(有效应力8.13 MPa)时，渗透率的增幅分别为最大应力加载值的87.45%，94.52%，6.88%；当围压卸载至1 MPa(有效应4.13 MPa)时，渗透率的增加幅度分别为加载应力最大值时的583%，1253%，109%。相同的卸载条件下，斜交层理煤样试件ZG2渗透率增幅最大，主要原因在于加载过程中ZG3与围压方向垂直，加载至最大围压时，该试件已经被压实，卸载过程中裂隙难以恢复，而ZG2试件裂隙方向未被压实，卸载过程中渗透率恢复较快。

3)煤体渗透率的大小主要取决于所承载的有效应力。根据实验结果可知，加载过程中ZG1试件的渗透率始终最大，如图5(a)所示，ZG3试件的渗透率最小。载荷初期，平行层理方向试件渗透率是垂直层理方向试件渗透率的7.2倍，不同层理方向最大渗透率比值为7.2∶1。因此，在未受采动影响的煤层布置瓦斯抽放钻孔时，布置方向应该尽可能沿着煤层平行层理的方向进行。

4)随着围(轴)的增加，有效应力最大时，ZG1试件的渗透率降幅最大，试件渗透能力几乎完全丧失。通过图5(b)可以看出，整个卸载过程中，ZG1试件的渗透率始终最小。这表明，随着有效应力的增大，ZG1试件内部的层理裂隙发生了永久性损伤，而相反过程中得不到恢复[18]；ZG2试件的渗透率在有效应力小于8.13 MPa时，渗透率处于垂直层理及平行层理煤样渗透数值之间，有效应力卸载至8.13 MPa之后，渗透率数值急剧增加，且保持最大。通过应力加卸载过程渗透率曲线可以看出，在煤体卸压区内进行布孔时，瓦斯抽放钻孔应避开平行层理方向，据现场应力卸载情况选择合适布孔方式。

图5 加卸载过程煤样渗透率对比Fig.5 Permeabilitycontrast maps of coal samples during loading and unloading process

2.3 应力卸载对渗透率影响理论分析

煤体卸压后内部应力场发生改变，瓦斯流动状态也将发生变化，卸压瓦斯渗流场得以形成，工程实践中表现为卸压区域瓦斯抽放浓度和纯量的增加。应力卸载量大小是卸荷渗流问题的关键参数。只有得到充分卸载的煤层内部才能形成较发达的渗流网络通道，内部瓦斯渗流的阻力降低，煤层渗透率增大，进而达到卸压增透的效果[18]。

卸载过程中，3种煤样试件渗透率都随着有效应力的减小而增大。加载过程中应力加载至最大值10.80 MPa时的渗透率定义为k0，卸载过程中任一状态下的渗透率为k，则任一应力状态下的渗透率恢复比率K=k/k0；任一应力状态下的应力卸载比定义为B=(σe0-σet)/σe0。3个煤样试件渗透率恢复比K与卸载比B之间的关系如图6所示。

图6 K与B关系曲线Fig.6 Curve between K and B

渗透率恢复比随着卸载比的增大而增大。卸载比B小于37%左右时，渗透率恢复比随卸载比增加的幅度较为缓慢，但当卸载比大于37%时，渗透率恢复增速明显上升。这表明：煤体中的微裂隙及节(层)理随着有效应力的逐步卸载而扩展连通，瓦斯流动通道逐渐形成，煤体渗透率迅速增加。就3个煤样试件而言，煤样试件ZG2的渗透率恢复比随卸载比的变化幅度最大[18]。

3 结论

1)加载过程中，试件渗透率与所承载的有效应力成反比，3个煤样试件的渗透率—有效应力变化曲线较为相似，加载初期裂隙较易受压缩发生闭合，渗透率的降幅较为急剧，之后趋于平缓；有效应力最大时，ZG1，ZG2，ZG3试件的渗透率分别下降了99.21%，97.87%，80.50%，试件ZG1的渗透率降幅最大，应力加载过程中ZG1试件更容易被压实。

2)卸荷过程中，试件的渗透率与有效应力数值之间成反比，应力卸载初期渗透率变化较小，围压减小至1 MPa，渗透率增幅度分别为583%，1253%，109%，ZG3试件渗透率增幅最大。

3)加载阶段ZG1的渗透率始终最大，ZG3的渗透率最小；载荷初期，ZG1试件渗透率是ZG3试件渗透率的7.2倍，不同层理方向最大渗透率比值为7.2∶1。

4)卸载过程中，ZG1试件的渗透率始终最小；应力卸载比B相同的条件下，斜交层理试件的渗流率恢复比率K最大。

5)在未受采动影响煤层布孔抽放时，钻孔尽量沿着平行层理方向；相反，在卸压范围内，尽量避开层理的平行方向，根据现场应力卸载情况具体选择合适布孔方式。