煤岩全应力-应变过程中的瓦斯流动特性研究

煤岩全应力-应变过程中的瓦斯流动特性研究

1煤岩瓦斯流动特性参数煤炭的自然状态主要处于三轴应力状态。当受到采动作用影响后,其应力状态将发生改变,即应力重新分布,这极可能导致煤岩的变形、失稳或煤与瓦斯突出事故的发生。随着工作面的开采,煤岩所受应力状态将在时间和空间上不断的发生变化,从而导致煤岩内部孔隙、裂隙结构的重构和发展,进而导致瓦斯在其内部的流动特性发生变化。因此研究煤岩变形过程中瓦斯在其内的流动特性,对于了解煤岩的渗透特性、提高煤与瓦斯突出事故预测的准确性及提高瓦斯抽放过程中的瓦斯抽采率均具有积极意义[1~3]。煤岩在其全应力–应变过程中的变形,通常包括4个阶段:压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段、峰后阶段。此4个阶段中的煤岩内部孔隙、裂隙变化程度、速度均不相同。在压密阶段,煤岩内的原有孔隙、裂隙将发生闭合。从屈服阶段开始,煤岩内的宏观破裂开始形成,由于宏观裂隙的存在,导致瓦斯在煤岩内部流动变得复杂,既包含瓦斯渗流又包含瓦斯在宏观裂隙内的流动,不再遵循达西定律。因此,本文拟采用瓦斯在煤岩内的流动速度作为衡量瓦斯流动特性的参数,对煤岩全应力–应变过程中瓦斯在其内的流动特性进行研究。在煤岩的渗透特性研究方面,国内外学者进行了大量的研究,缪协兴等研究了破碎岩体的渗透特性,并建立了岩石渗透特性方程;杨永杰等以水为渗透介质研究了煤岩全应力–应变过程中的渗透特性;尹光志等进行了地应力对煤岩的渗透特性影响研究;徐涛等对瓦斯在煤岩中的渗流进行了数值模拟研究。但这些对渗透特性研究多集中在岩石材料、水介质、单一应力因素应力变化、数值模拟方面[9~15],对于煤岩全应力–应变过程中的瓦斯流动特性涉及较少。因此,本文以具有突出倾向的煤制备的型煤试件为研究对象,对其全应力–应变过程中的瓦斯流动特性进行了试验研究。2种煤岩瓦斯流动特性的对比分析为得到煤岩全应力–应变过程的瓦斯渗流特性,采用2种颗粒组成不同的煤岩对其在不同围压条件下的全应力–应变过程瓦斯流动特性进行了试验研究,分析2种煤岩在受载–变形–破坏全过程的瓦斯流动速度变化特性,以确定不同煤岩对其瓦斯流动特性的影响。2.1标准煤岩试件的制备本试验煤岩取自重庆松藻煤电集团打通一号矿7号软分层,该层质软、手可碾碎,因此制备原煤试件困难较大,故采用型煤试件代替原煤试件进行煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动特性试验研究。型煤试件制备过程为:首先将煤矿井下原煤岩运至实验室,然后将煤岩进行粉碎、筛选,取其粒径为20~40目和60~80目的煤粉颗粒,加少许水并搅拌均匀,经自制型煤制备模具加压成型,成型压力根据前人研究取100MPa,达到成型压力后保持压力30min,目的是使试件受压均匀;再经脱模即可制得符合国际岩石力学学会标准的型煤试件,尺寸为φ50mm×100mm。试验前将试件烘干24h,后在侧面均匀涂硅橡胶,目的是防止瓦斯流动试验时瓦斯从侧壁溢出,实验室制得的标准煤岩试件如图1所示。本试验所用设备均为重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室设备。试验系统由AG–250kNI电子精密材料试验机、自制煤岩三轴蠕变瓦斯渗流装置和辅助设施组成,试验系统如图2所示。试验时,试验系统的载荷由AG–250kNI电子精密材料试验机提供,试验时采用位移控制方式,可以精确获得煤岩应力–轴向应变的关系曲线;围压由自制煤岩三轴蠕变瓦斯渗流装置内的特殊液压油提供,其可提供最大围压为20MPa;瓦斯由瓦斯压力罐经输气管、减压表以及输气铜管进入煤岩一端,通过煤岩后从另一端经设备出气端排出,如图2所示。试件侧壁由硅橡胶保护层防止瓦斯溢出,而由热缩管紧密包裹防止围压油进入试件导致试验失败,热缩管与试验设备结合出亦用硅橡胶进行密封,试验证明该密封方法具有较好的试验效果。2.2试验方案及测量方法根据本文试验设想,分别取2种粒度煤粉组成的煤岩为研究对象,进行不同围压下煤岩全应力–应变过程中的瓦斯流动特性试验研究。在设计围压较大的试验水平中,施加围压前先施加一定轴向载荷,目的是防止围压作用破坏试件,具体试验方案如表1所示。瓦斯流动速度的测量方法采用瞬态法测量,具体步骤为:(1)施加较小轴压和设定围压、瓦斯压力,待煤岩充分吸附瓦斯24h后,开始试验。(2)保持煤岩顶部瓦斯压力恒定,打开煤岩底部瓦斯控制阀门,使瓦斯仅在瓦斯压力作用下自由经煤岩流出,稳流5min后,测量瓦斯流动速度,记录100mL瓦斯流过煤岩所需时间,并换算瓦斯在煤岩内的流动速度。(3)继续增加轴压至选取试验点,稳压1h后重复步骤(2)。(4)重复上述步骤(2)和(3),直至得到煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动特点的规律曲线。(5)更换煤岩试样,进行下一个煤岩的试验。3试验研究与成果分析3.1煤岩变形阶段内瓦斯流动规律图3为2种不同围压情况下煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动关系曲线。由图3可知,在煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动变化规律较为复杂。在煤岩压密阶段,瓦斯流动速度随应变增加呈减小趋势,但由于围压和施加轴向载荷的存在,对瓦斯流动速度的测量并非从应变起始点开始,故而压密阶段前期的瓦斯流动速度未量测,但从2种试验情况均可看出,压密阶段瓦斯流动特性呈随应变增加而减小趋势,且可看出瓦斯流动特性具有明显的应变滞后特性;在煤岩变形至线弹性阶段的中点处,煤岩内瓦斯流动速度达到最小,表明煤岩内部的孔隙、裂隙结构已经达到最小并致使瓦斯流动通道最为狭窄。根据前人对含瓦斯煤的力学性质试验,表明此时的煤岩内部新的孔隙、裂隙结构已经开始形成,故瓦斯流动通道并非为最狭窄,这又表明煤岩内瓦斯流动具有应变滞后性;经过此点后,煤岩内的瓦斯流动速度变化趋势发生明显变化,即由随应变增加而减小趋势变化为随应变增加而增加趋势,这表明煤岩内的瓦斯流动通道开始逐渐通畅,而含瓦斯煤岩的力学试验也得到相同结果;煤岩变形进入屈服阶段后,煤岩内瓦斯流动随应变增加而增加的趋势开始变缓,表明瓦斯流动通道变化趋于恒定,而含瓦斯煤岩的力学性质试验表明此时煤岩内部已经形成宏观裂隙,煤岩内的瓦斯流动以宏观流动为主,直至峰后少许阶段。若煤岩破裂后继续加载,煤岩内的瓦斯流动又将出现少许下降趋势,这可能是在围压和热缩管的共同束缚下,继续加载将使试件发生少许密实,而导致煤岩内瓦斯流动通道变窄,导致瓦斯流动呈现下降趋势。上述分析表明,煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动特性与煤岩受载过程中的损伤演化密切相关,且瓦斯在煤岩内的流动具有明显的滞后性特点。试验前后煤岩变形情况如图4所示。3.2煤岩瓦斯流动规律分析图5可知,不同围压作用下煤岩内瓦斯流动速度变化规律具有较强的规律性,均呈现先增大后减小的缓“U”字形。这可能主要是因为在煤岩的全应力–应变过程中,煤岩内的孔隙裂隙结构是先在压密阶段逐渐减小,导致此变化阶段内的瓦斯流动通道逐渐劣化而使煤岩内的瓦斯流动速度呈减小趋势,又由于瓦斯在煤岩内流动具有明显的应变滞后性,导致瓦斯流动减小趋势一直持续到煤岩线弹性阶段的中间点附近,此时出现煤岩内瓦斯流动速度的最小点,表明煤岩内已经达到了孔隙裂隙结构最小点;在此后的阶段里,随载荷增加新生裂隙开始形成,煤岩内的孔隙裂隙结构逐渐增大,导致煤岩内瓦斯流动通道变得通畅,因而瓦斯在煤岩内的流动速度随载荷增加而呈逐渐增加趋势;直至屈服阶段时,煤岩内形成宏观破坏通道,瓦斯在煤岩内的流动通道(孔隙、裂隙结构)相对固定,此时瓦斯流动速度增加变化逐渐趋向于定值;进入残余强度阶段后,煤岩内的瓦斯流动速度趋向定值,但数值上要大于煤岩内初始瓦斯流动速度,说明破碎煤体内的瓦斯流动特性优于原始煤体,这也证明了开采保护层卸压释放瓦斯措施的有效性。相同轴向载荷作用下,煤岩所受围压越大其内的瓦斯流动速度越小。这可能是因为随着围压的增加,相同轴向载荷作用下的煤岩侧面所承受的压力越大,导致煤岩内的瓦斯流动通道变化越大,且趋向闭合的程度越大,进而导致瓦斯流动困难。而产生相同应变时,围压越小煤岩侧向所受到载荷越小而导致煤岩侧向变形越大,使煤岩内的瓦斯流动通道变得越通畅,导致瓦斯流动速度在围压越小时变得越大。3.3瓦斯流动特性本次试验制备型煤试件所用煤粉粒径分别为20~40和60~80目,相同条件下制备所得煤岩试件经单轴压缩试验、三轴压缩试验表明,其力学性质差别较大,这正可以用来模拟相同变质程度而不同软硬程度的煤岩相关试验研究。颗粒较大煤粉制备的标准型煤试件其质量较小,表明煤岩内孔隙裂隙较多、强度较小,烘干后该型煤试件强度为0.25MPa左右;而由60~80目煤粉制备的标准型煤试件其质量较大,表明其内部孔隙裂隙结构较少、强度较大,烘干后的该型煤试件强度为0.45MPa左右。利用该2种型煤试件进行一些列瓦斯流动特性研究,得到了一系列典型曲线,不同煤岩瓦斯流动特性如图6所示。由图6可知,由粗粒煤粉制备的型煤试件在相同应力条件下瓦斯流动速度较大,这可能是由于相同条件下制备所得的型煤试件,组成颗粒较粗的试件内孔隙裂隙结构更为发育,导致瓦斯在其内的流动通道更为通畅所致;在相同的外界应力状态下,粗粒煤粉制备的型煤试件内的瓦斯流动速度明显大于细粒煤粉制备的型煤试件内的瓦斯流动速度,且单位围压变化导致瓦斯流动速度变化时,粗粒煤岩内的瓦斯流动速度变化率更大,这可能是恒定轴压作用时,改变围压主要促使煤岩试件侧壁受到挤压作用,导致其内部的孔隙裂隙结构趋于闭合,使瓦斯流动通道变窄所致。当轴压增大时,相同围压下的粗粒煤岩内的瓦斯流动速度变化要大于细粒煤岩内的瓦斯流动速度变化,这可能是粗粒煤岩在遭受轴压变化作用时,内部孔隙裂隙结构将发生较大变化,且粗粒煤岩的变化要大于细粒煤岩,但又由于其原始孔隙裂隙结构是远远大于细粒煤岩,导致其内部的瓦斯流动速度变化大于细粒煤岩样。4煤岩瓦斯流动规律根据本文进行的煤岩全应力–应变过程的瓦斯流动特性试验研究,主要可得到以下结论:(1)煤岩全应力–应变过程中,瓦斯流动速度变化的总体规律呈缓“U”型,且具有明显的应变滞后特性,即:在压密阶段和线弹性阶段的中间点前,其内部的瓦斯流动速度随应变的增加呈减小趋势,直至瓦斯流动速度最小点;进入线弹性阶段中点之后至屈服阶段前,瓦斯流动速度随应变增加而呈现增加趋势,这主要是新的孔隙裂隙结构形成所致;进入屈服阶段至峰值强度点阶段,瓦斯流动速度增加趋近于最大值,此时煤岩内的瓦斯流动速度要大于瓦斯流动的起始流动速度;峰后阶段的瓦斯流动速度渐趋于定值,仅有少许增