原煤力学及渗流特性的层理效应研究

王 浩，赵耀江，潘玉婷，赵 亮，王江涛

(太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030000)

0 引言

研究煤岩的力学特性及渗流规律对煤矿井下的安全生产具有重要意义，国内外的学者从不同角度对煤体的力学渗流规律进行大量研究：孙培德等[1-2]研究含瓦斯煤在变形过程中的渗透率变化规律；魏建平等[3]研究渗透率对围压的敏感性；薄冬梅等[4]分析裂隙构造、有机组分、煤岩类型及变质程度、有效应力等对煤层渗透性的影响；徐超等[5]研究不同加卸载速度对试件渗透时效性的影响；魏建平等[6]就含水率对煤样渗透性的影响进行实验及分析；Wang等[7]研究注液氮后煤样孔隙度和渗透率的变化规律；马占国等[8]就温度对原煤试件力学特性的影响进行实验及分析；Perera等[9]研究煤岩渗透性随温度变化的规律；康向涛等[10]研究不同瓦斯压力和不同围压作用下煤样渗透性的变化规律；付裕等[11]、莫云龙等[12]使用CT扫描的手段研究孔裂隙对煤样破坏过程的影响；Jasinge等[13]和Wang等[14]研究有效应力对渗透率的影响；Alam等[15]研究加载速率对砂岩力学特性的影响。前人的研究已经综合考虑煤岩在不同条件下的力学渗透特性，但煤中含有大量的孔裂隙，导致煤岩在不同层理方向上的力学渗透特性有差异，因此本文针对不同层理方向对煤岩力学渗流特性及加载过程的声发射特征进行研究,以期为煤层瓦斯抽采和防治煤与瓦斯突出提供一定的理论依据。

1 试样制备与实验方案

1.1 试样制备

本文实验所用煤样取自山西省阳泉市新景矿15#煤层，采样时选取层理明显的大块煤样。在实验室中根据《煤和岩石物理力学性质测定方法第7部分：单轴抗压强度测定及软化系数计算方法》(GB/T 23561.7—2009)的规定，使用砂线切割机分别沿垂直层理方向和平行层理方向切割原煤，加工成Φ50 mm×100 mm的标准试件，使用砂纸打磨试件两端，保证其不平行度小于0.05 mm。将制备的试件放到恒温干燥箱中，在70 ℃环境下干燥12 h后密封保存。其中层理方向平行于轴向的为平行层理煤样，垂直于轴向的为垂直层理煤样，如图1所示。

图1 不同层理试样Fig.1 Coal samples with different beddings

1.2 实验方案

本文实验使用太原理工大学自主研发的WYS-800微机控制电液伺服三轴实验装置进行三轴压裂实验，实验过程中自动记录轴向力、轴向变形、径向变形等参数，同时使用美国物理声学公司设计制造的12CHsPCI-2型声发射监测系统和AEwin软件进行声发射数据采集。实验具体方案见表1。

表1 不同围压下含层理煤样实验方案Table 1 Experimental scheme of coal samples with bedding under different confining pressures

2 实验结果及分析

2.1 围压对不同层理煤样力学特性的影响

围压为1，3，5 MPa时，含层理煤样三轴压裂轴向应力-应变图如图2所示。由图2可知，在相同瓦斯压力、不同围压下进行三轴压裂实验时，层理方向对煤样力学特性的影响较大。随着围压的增大，平行和垂直2种层理煤样的峰值轴向应力均随之增大。围压从1 MPa增加到3 MPa，再增加到5 MPa的过程中，平行层理煤样的峰值轴向应力平均增幅为34.5%，远小于垂直层理煤样的峰值轴向应力平均增幅161.21%。围压为1，3，5 MPa时，平行层理煤样的峰值轴向应力对应的轴向应变分别为0.93%，2.80%，1.33%；垂直层理煤样的峰值轴向应力对应的轴向应变分别为1.50%，1.86%，2.22%。随着围压的增大，平行层理煤样和垂直层理煤样在三轴压裂过程中的峰值轴向应力对应的轴向应变也随之增大。围压为1，5 MPa时，垂直层理煤样的轴向应变平均为平行层理煤样的1.64倍。但在围压为3 MPa时，平行层理煤样的峰值轴向应力对应的轴向应变变化规律与上述描述不符，这可能是由于此次实验所用煤样内部孔裂隙的差异造成的，在三轴压裂过程中孔裂隙被压缩而使整体产生较大的轴向应变。

由图2还可以看出，平行层理煤样和垂直层理煤样在三轴压裂过程中的轴向应力-应变曲线有所不同。这是因为垂直层理煤样的破坏主要是层理由上到下依次断裂造成的，围压增大，约束层理内部断裂的力也增大。随着层理断裂的不断向下扩展，需要施加的轴向力持续增加，直至断裂的层理数量达到一定程度时，煤样膨胀导致热缩管破裂，即煤样破坏完成，实验结束。而平行层理煤样的破坏是由层理间的断裂引起的，虽然围压同样对煤样的破坏起约束作用，但由于平行层理煤样的层理方向与力加载方向相同，所以沿着轴向力方向层理间断裂较容易。层理之间断裂开始后，随着轴向力的继续增加，裂纹沿着力加载方向不断扩展延伸直至煤样破坏。

图2 含层理煤样三轴压裂轴向应力-应变Fig.2 Triaxial fracturing axial stress-strain diagrams of coal samples with bedding

2.2 围压对不同层理煤样渗透特性的影响

瓦斯渗透率是影响煤层瓦斯抽放效果的重要指标，本文就不同围压下(1，3，5 MPa)的层理煤样渗透率演化规律进行实验，对实验结果进行分析得到含层理煤样渗透率-应变图如图3所示。

图3 含层理煤样渗透率-应变Fig.3 Permeability-strain diagrams of coal samples with bedding

由图3可知，平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样的渗透率且平行层理煤样和垂直层理煤样的初始渗透率均随着围压的增大而减小，说明施加围压会使煤样的原生孔隙压缩、闭合，因此围压越大，初始渗透率越低。随着轴向应变的增大，平行层理煤样和垂直层理煤样的渗透率均呈现出开口朝左的斜U型变化趋势，先缓慢降低后急速升高。煤样在三轴压裂的过程中，刚开始产生的新裂隙数量比闭合的原生裂隙数量少，因此渗透率表现为随轴向应变增加而缓慢降低；随着轴向压力的持续增大，闭合的原生裂隙数量减少，生成的新裂隙一直增多，直到后者大于前者时渗透率出现拐点，由缓慢降低转为急速升高。在渗透率出现拐点时煤样已经达到临界状态，之后煤样在短时间内失稳破坏，渗透率则表现为随轴向应变的增加而直线升高。垂直层理煤样的层理方向与瓦斯流动方向垂直，平行层理煤样的层理方向与瓦斯流动方向平行，而瓦斯在煤层内的流动主要是沿着孔裂隙流动，因此从图3可以间接得出平行层理方向的孔隙度大于垂直层理方向的孔隙度，即瓦斯沿着平行层理方向更容易流通。

2.3 围压对不同层理煤样声发射特征的影响

煤岩内部发生形变时以弹性波形式释放能量的现象称为声发射，使用声发射监测系统可收集煤样压裂过程中释放的声发射信号。本文对声发射信号的振铃计数参数和幅值参数分别进行分析，得到围压为1,3,5 MPa时振铃计数-轴向应力-时间图，如图4～6所示。

图4 围压为1 MPa时振铃计数-轴向应力-时间Fig.4 Ringing count-axial stress-time diagrams with confining pressure of 1 MPa

图5 围压为3 MPa时振铃计数-轴向应力-时间Fig.5 Ringing count-axial stress-time diagrams with confining pressure of 3 MPa

图6 围压为5 MPa时振铃计数-轴向应力-时间Fig.6 Ringing count-axial stress-time diagrams with confining pressure of 5 MPa

由图4可知，当围压为1 MPa时，从施加轴向压力开始至峰值轴向应力出现前，2种煤样的振铃计数均较少，长期处于1 000次/s以下甚至更低，偶尔出现小幅度增长。在轴向应力接近峰值前，声发射开始活跃，振铃计数激增，2种煤样的峰值振铃计数均超过15 000次/s。在围压为1 MPa时，2种煤样的轴向应力和振铃计数随时间变化的总趋势相同，但平行层理煤样的峰值轴向应力大于垂直层理煤样的峰值轴向应力，且平行层理煤样的压裂时间是垂直层理煤样的1.46倍。

由图5可知，当围压为3 MPa时，2种煤样的轴向应力随时间变化的规律明显不同。在开始施加轴压后，2种煤样的轴向应力均随时间增加而迅速升高。但压裂开始50 s后，垂直层理煤样的轴向应力增加速度大大降低且持续了677 s，在之后的167 s后，轴向应力又迅速升高直至煤样破坏。而平行层理煤样的轴向应力在压裂开始后前4 800 s内随时间增加呈直线增加趋势直至煤样破坏。2种煤样的振铃计数随时间变化规律也有所不同，垂直层理煤样的振铃计数在压裂开始101 s时出现1次激增，达到25 251次/s，之后，振铃计数迅速减少，长期处于200次/s以下，直到压裂进行到849 s时振铃计数再次出现激增直至煤样破坏。平行层理煤样的振铃计数在煤样破坏之前处于较低水平，偶尔出现小幅增加但又迅速降低，与围压为1 MPa时变化规律相同，且平行层理煤样的压裂时间是垂直层理煤样的5.19倍。

由图6可知，当围压为5 MPa时，平行层理煤样和垂直层理煤样的轴向应力随时间变化的规律相同，均是先随时间增加呈急速直线升高趋势，后随时间增加呈缓慢直线升高趋势；不同之处是垂直层理煤样在压裂瞬间轴向应力直接跌落，且垂直层理煤样的峰值轴向应力远大于平行层理煤样的峰值轴向应力，而平行层理煤样在压裂瞬间轴向应力先瞬间增加后跌落。2种煤样的振铃计数随时间变化的规律也不完全相同，垂直层理煤样的振铃计数变化规律与围压为1 MPa时此种煤样的振铃计数变化规律相似；平行层理煤样的振铃计数在压裂过程中出现数次短期大幅激增，但在濒临破坏时的振铃计数相对较少，这可能是由于围压为5 MPa时，平行层理煤样在三轴压裂后期裂隙的扩展、延伸较少，因此声发射活动较少。围压为5 MPa时，垂直层理煤样的压裂时间是平行层理煤样的2.72倍，而围压为1，3 MPa时垂直层理煤样的压裂时间分别是平行层理煤样的0.68，0.19倍，且垂直层理煤样的抗压强度是平行层理煤样的1.96倍，说明围压越大，层理方向对煤样力学特性的影响越明显。

整理声发射数据中的幅值数据，得出围压为1，3，5 MPa时幅值-轴向应力-时间图，如图7～9所示。

图7 围压为1 MPa时幅值-轴向应力-时间Fig.7 Amplitude-axial stress-time diagrams with confining pressure of 1 MPa

图8 围压为3 MPa时幅值-轴向应力-时间Fig.8 Amplitude-axial stress-time diagrams with confining pressure of 3 MPa

图9 围压为5 MPa时幅值-轴向应力-时间Fig.9 Amplitude-axial stress-time diagrams with confining pressure of 5 MPa

由图7可知，当围压为1MPa时，垂直层理煤样的幅值表现为波动变化趋势，在压裂过程中出现3次峰值，在破坏瞬间出现1次最大峰值。而在压裂开始109 s后平行层理煤样的声发射幅值数据出现1次峰值，之后随着应力的增加，幅值持续增大，在压裂瞬间幅值达到最大值。由图7还可知，平行层理煤样在压裂过程中的声发射高幅值事件比垂直层理煤样的多，意味着平行层理煤样在压裂过程中煤样内部变化更剧烈，产生的新裂隙数更多。

由图8可知，围压为3 MPa时，垂直层理煤样的幅值变化规律与围压为1 MPa有所不同，幅值在压裂开始99 s后出现峰值，在压裂开始后99 s到842 s期间，声发射不活跃，高、低幅值事件均较少，但在濒临破坏时出现大量声发射高幅值事件，这可能是因为此次实验所用煤样内部含有较多的原生裂隙，在施加轴压时，旧裂隙闭合，新裂隙产生较少，所以声发射事件较少。而平行层理煤样的幅值变化规律与围压为1 MPa时的幅值变化规律相同，随着轴向压力的增加，幅值持续增大，在压裂瞬间幅值达到最大值。同时可以看出，围压为3 MPa时，平行层理煤样在压裂过程中的声发射高幅值事件也比垂直层理煤样的多。

由图9可知，围压为5 MPa时，垂直层理煤样的幅值变化规律与围压为1 MPa时的垂直层理煤样幅值变化规律相似，随时间推移呈现波动变化趋势。平行层理煤样的幅值变化规律略有不同，高、低幅值事件在压裂的全过程均比围压为1，3 MPa时有所减少，尤其在临近破坏时高幅值事件大大减少，无峰值事件出现，但和同围压下的垂直层理煤样相比，平行层理煤样的声发射事件数更多。

3 结论

1)围压为1，3，5 MPa时，平行层理煤样的峰值轴向应力平均增幅为34.5%，远小于垂直层理煤样的峰值轴向应力平均增幅161.21%。围压相同时，垂直层理煤样的峰值轴向应力对应的轴向应变大于平行层理煤样的峰值轴向应力对应的轴向应变，因此当煤岩所受地应力发生变化时，垂直层理方向的变形更明显。

2)当围压为1，3，5 MPa时，垂直层理煤样的压裂时间分别是平行层理煤样的0.68，0.19，2.72倍，即层理方向在不同埋深情况下对力学特性的影响有较大差异，随着围压增加呈先减小后增大的趋势。

3)围压相同时，平行层理煤样的声发射幅值随时间增加而增大，垂直层理煤样的声发射幅值随时间增加表现出正弦波变化趋势，且平行层理煤样在压裂过程中的声发射高幅值事件比垂直层理煤样多。

4)平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样的渗透率，且围压越大，初始渗透率越低，说明平行层理方向的孔隙度大于垂直层理方向的孔隙度。