中高阶煤样承载过程裂隙演化及瓦斯渗透性变化对比

郭军杰，程晓阳

(1.河南工程学院安全工程学院，河南 郑州 451191；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引 言

煤体裂隙演化对瓦斯渗透率的变化具有重要的影响。深入研究煤样承载过程中裂隙演化对瓦斯渗透性变化的控制作用，是解决煤矿瓦斯治理及抽采的基本问题。

李红涛[1]通过手工制作较软的构造煤试验煤样，研究了构造煤渗透率随坚固性系数(用f表示)减小而减小的规律，渗透率与孔隙度之间的关系；倪小明等[2-3]通过研究构造煤类型与渗透率之间的关系，认为随着构造变形程度的加大，煤层的渗透率逐渐减小；尹光志等[4-5]对比研究了型煤和原煤的变形和渗透率之间的关系；潘荣锟等[6]研究了不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性；李波波[7]、刘大锰等[8]不同开采条件下煤岩损伤演化与煤层瓦斯渗透机理；王伟等[9]建立了深部含瓦斯煤体渗透率演化及卸荷增透理论；张朝鹏等[10]研究了低渗透岩石三轴压缩过程中的渗透性；程远平等[11]研究了不同瓦斯压力原煤应力应变全过程中的渗透特性；王登科等[12]建立了基于Klinkenberg效应影响的煤体瓦斯渗流规律及其渗透率计算方法；魏建平等[13]、WANG等[14]、SHI等[15]探讨了含瓦斯煤渗透率动态演化规律。目前对不同应力路径下煤岩渗透性变化研究已有丰富的成果，但对常规三轴下煤样峰后渗透率变化的描述还较少。

本文拟选取硬度较高的无烟煤2个，属于中硬煤样的烟煤2个，根据常规三轴下煤样应变、声发射和渗透率数据，分析煤样裂隙演化对渗透率变化控制作用，为瓦斯治理和抽采提供理论帮助。

1 试验方案及煤样

1.1 试验方案

试验设备为自主研发，主要由轴压和围压加载控制系统、气渗透系统、流量测量系统、压力传感与伺服控制系统、声发射测试系统、数据采集与处理系统六部分构成，可以实现对轴压的加载-卸载以及各种气体的渗透和声发射实验，见图1。主要技术参数：轴压加载范围：0～120 MPa；围压加载范围：0～60 MPa；瓦斯压力范围：0～10 MPa；轴向位移范围：0～100 mm；温度控制范围：室温-150 ℃；负压控制范围：0～100 kPa；轴向载荷控制方式：位移控制、应力控制；围压载荷控制方式：应力控制；应力值误差范围：示值的+0.5%；变形量误差范围：示值的+0.5%；温度控制误差：+0.5 ℃；负压测量误差：示值的+1%；实验过程相关参数均为全自动采集。声发射参数采集设备为DS5-8B型全信息声发射信号分析仪。

图1 三轴应力渗流实验系统Fig.1 The triaxial stress seepage experiment system

气体参数设定：试验气体为纯度99.99%甲烷，围压为2 MPa，瓦斯出口压力0.6 MPa，进口压力1.6 MPa，试验温度为20 ℃，测试加载过程中瓦斯渗透率。

声发射试验参数设定：为了保障声发射信号接收的可靠性，在煤样加载装置的底座上对称布置两个传感器同时进行数据采集，频率为3 MHz，通道使能50 mV，撞击闭锁时间200 μs，采用门限触发控制，门槛值50 dB。

1.2 煤样

1.2.1 煤样采集及编号

试验煤样来自山西晋煤集团寺河矿的3#无烟煤和河南平顶山矿区十矿的烟煤。寺河矿的采样地点为西二盘区W2301工作面，煤层埋深-460 m，结构均一，以水平层理为主且煤质坚硬。平顶山十矿的采用地点为-140水平戊七采区东翼的戊9-11煤。无烟煤用W1和W2表示，烟煤用Y1和Y2表示。

1.2.2 煤样基础参数

寺河矿两个煤样为无烟煤，镜质体反射率分别为3.43、3.38，显微组成中的镜质组、壳质组、惰质组和矿物参数分别为90、无、7和3。平顶山矿区两个煤样为烟煤，镜质体反射率分别为1.16和1.14，显微组成中的镜质组、壳质组、惰质组和矿物参数分别为83、6、9、2和83、5、9、3。

两种煤样力学性能参数见表1。煤样软硬分析，两个无烟煤的三轴强度分别是67.700 MPa和58.576 MPa，强度都大于40 MPa，属于硬煤。而两个烟煤的三轴强度分别是27.935 MPa和25.205 MPa，两个煤样强度都大于20 MPa，小于40 MPa，属于中硬煤。

2 试验结果

4个煤样的声发射和渗透率测试结果如图2所示。

表1 两种煤样的力学参数Table 1 Mechanical parameters of two types of coal

图2 煤样声发射和渗透率测试结果Fig.2 Test results for acoustic emission and permeability of coal samples

图2所示的4个煤样应力应变-声发射-渗透率变化具有一定规律性。在峰值前，4个煤样的应力应变曲线、声发射振铃数变化趋势和渗透率变化趋势较为一致，煤样应变增量经历了减速、匀速和加速三个阶段，而声发射振铃数和渗透率变化趋势则经历了下降、稳定和上升三个阶段。而在峰值后，无烟煤与烟煤具有较大的差异性，两个无烟煤的应变曲线下降较陡，未出现多个残余强度值，且声发射振铃数和渗透率数据在峰值后测不到；而两个烟煤的应变曲线下降较缓，出现多个残余强度值，且声发射振铃数和渗透率还能够被监测到。

3 讨 论

受载煤体在破坏过程中，不同的测试手段反映的研究对象也不尽相同。力学变形反映了煤体在受载过程中整体变形的情况。声发射测试技术则反映煤体内部裂隙压缩、萌生、扩展、集结、贯通等情况，在裂纹发展的各个阶段，伴随着不同的声发射现象。而渗透率测试手段反映煤体裂隙演化过程对渗透率的影响。三者具有一定密切的内在关联，也有较大的差异，不可等同。

3.1 应力应变全过程裂隙演化与声发射特征

研究表明，无论是单轴压缩试验还是三轴压缩试验[16-17]，与应力应变全过程曲线6阶段相对应，声发射事件频次也有相应的规律性变化。

图2显示本次试验煤样应力应变试验全过程中，裂隙演化声发射特征分析如下。

1) 加载初期压密阶段(OA段)。本次试验的4个煤样在加载初期，声发射事件相对量比较大，并随着应力升高逐步降低，表明煤样在初始压密阶段，初始裂隙被压缩，并有损坏。与致密孔隙的页岩相比，煤体不仅有致密的基质孔隙，还有大量的宽度较大的裂缝。

2) 准弹性阶段(AB段)。4个煤样在准弹性阶段由于试样内部某些闭合的裂纹之间同样会发生滑移，也会有产生能量较低的声发射事件，声发射活动较少，表现为柱状图比较稀疏，是声发射活动相对平静的时期。这个阶段与声发射事件中间量较为稀疏的稳定阶段相对应。

3) 进入屈服阶段(BC段)。应力-应变曲线偏离应力轴，应力速率逐渐降低，表现出煤样的初步损伤发展过程，煤样内部微裂纹开始形成并出现扩容现象，声发射事件逐渐趋于活跃，计数和能量大幅度增大，标志煤样破坏前兆。本阶段与声发射急剧上升阶段的前期具有一定的对应关系。

4) 破坏阶段(CD段)。煤样内部微裂纹发生聚合、贯通，从而导致了宏观破裂面的形成，裂纹之间相互作用开始加剧，声发射事件异常活跃，声发射计数和能量迅速提高，煤样破坏瞬时声发射计数和能量均达到最大值。本阶段与声发射急剧上升的后期具有一定的对应关系。

5) 峰后贯通裂隙持续发展阶段(DE段)：而后煤样沿某破裂面产生宏观滑移，轴向应力迅速跌落，煤样整体失去承载能力，声发射事件又迅速减少，声发射计数和能量也随即降低。与峰后的声发射事件较为稀疏相对应。

6) 残余强度阶段(EF段)：裂隙停止发育，声发射停止活动。

3.2 裂隙演化对渗透率变化控制分析

关于峰值前岩石渗透率变化的特征，特别是弹性阶段渗透率的变化特征，国内外学者已经进行详尽的研究，并提出了一系列经验和理论公式[18-19]。但对峰值后渗透性能的变化特征研究的不是十分充分。通过大量的殷庄砂岩应力应变-渗透率全过程试验，得到了岩石的渗透率-应变关系方程，砂岩的渗透率-应变关系划分成三种类型[20]：图3(a)所示为渗透率经历一个减小阶段后，开始不断上升，最大值在流动端末尾，变化趋势为“√”型；图3(b)所示为渗透率最大值在软化阶段，之后渗透率不断减小；图3(c)所示为渗透率最大值和峰值强度点重合，比初始渗透率有所增加。

图3 砂岩的渗透率-应变关系曲线的三种类型Fig.3 Three types of permeability-strain relationship curves for sandstone(资料来源：文献[17])

本文试验的4个煤样渗透率对比分析：两个无烟煤渗透率变化曲线符合图3(a)类型，渗透率最大值在曲线的末端；两个烟煤渗透率变化曲线符合图3(c)，渗透率最大值与强度值点重合，比初始渗透率有所增加。

结合声发射测试结果分析：对于两个无烟煤煤样，在加载初期，随应力水平升高，原始裂隙和孔隙被压缩，渗透率表现为下降趋势，并在体积最小时，降到最低值；随后虽然应力水平仍在不断增加，但由于煤体内部出现新裂隙，并不断发育、扩展和贯通，煤体体积开始增加，渗透率也出现上升趋势，在煤体破坏前，主裂隙贯通，渗透率急剧上升，加载破坏后各碎块间间接搭接形成连通性良好的孔隙通道，应力水平大幅度下降，孔隙宽度缓慢增加扩展，渗透率持续增高；对于两个烟煤煤样，应力强度峰值前阶段与无烟煤分析相似，但在峰值后，有着较大差异，主要是因为裂隙和微裂隙在达到峰值后还处于较高的应力水平，破坏的小块间隙逐渐降低，渗透率慢慢变小，但在残余阶段，由于应力水平大幅度下降，部分裂隙宽度增大，渗透率又有轻微上升现象。对于力学性质为中硬以上储层，渗透最佳的时机为主裂隙贯通时，随着硬度的增加，储层有着更好的渗透效果。

4 结 论

1) 在峰值前，4个煤样的应力应变曲线、声发射振铃数变化趋势和渗透率变化趋势较为一致。煤样应变增量经历了减速、匀速和加速三个阶段，而声发射振铃数和渗透率变化趋势则经历了下降、稳定和上升三个阶段。

2) 在峰值后，无烟煤与烟煤具有较大的差异性。强度较高的两个无烟煤的应变曲线下降较陡，未出现多个残余强度值，且声发射振铃数和渗透率数据在峰值后测不到；而强度较低的两个烟煤的应变曲线下降较缓，出现多个残余强度值，且声发射振铃数和渗透率还能够被监测到。

3) 裂隙的演化对渗透率的变化具有关键控制作用，但不同的煤样具有一定的差异性。两个无烟煤渗透率变化曲线符合图3(a)类型，渗透率最大值在曲线的末端；而两个烟煤渗透率变化曲线符合图3(c)类型，渗透率最大值与强度值点重合，比初始渗透率有所增加。