三轴应力状态下导水系数的测定

三轴应力状态下导水系数的测定

1在人工煤中的渗流特性煤炭通道的导系数是一个综合指标，用于衡量煤炭渗透性。多年来，国内外许多学者在测定煤岩体的渗透性能方面做了大量的工作。研究工作主要从两个方面进行，(1)在实验室内对小试样进行渗透性测定。如Swell等（1978）研究了单向应力作用下煤和油母页岩的径向渗透性；J.B.Walsh(1981)研究了围压和孔隙压对裂缝渗透性影响的理论问题；日本的藤村尚等(1979)进行了无围压状态下花岗岩的渗透系数测定实验，得出了渗透系数与孔隙率成线性关系的结论；C.A.Morrow等(1986)对花岗岩的渗透系数进行了测定，得出结论为：式中K为渗透系数；A,B为常数；eP为围压；PP为孔隙水压力；a为孔隙压系数。(2)在现场进行大范围原位岩体的渗流特性测定。如前苏联学者马克西莫夫(MakcmobM.N)，瑞典安达斯·卡尔逊和汤米·阿尔逊(AndersCarlss0n&TommyOlsson)等，通过对不同岩石的分段压水试验及物性试验，测出了不同深度或不同围压下裂隙岩体的渗透性，用以研究裂隙岩石渗透性随埋深或围压的变化。他们曾分别提出如下岩石渗透率随埋深或围压的变化规律：式中K为深度S或围压P时的渗透率；K0为某一参考深度或某一参考围压时的渗透率；0P为参考围压；a为渗透率随埋深或围压的变化系数；A为实际值与理论值偏差系数。文献在山东金岭铁矿露天坑帮不同深度上，对中奥陶纪灰岩内发育的裂隙进行了统计测量，并进行了渗透张量计算，得出了随埋深增加，各渗透主值均按负指数规律减小，但三个渗透主值随埋深衰减的速率不同的结论。文献进行了三轴应力作用下φ50mm×95mm成型煤样瓦斯渗透率变化规律的实验研究。分析上述研究可知，在实验室内的研究或采用小试件，或采用成型煤样；而现场测定又存在工程量大，人力、物力消耗多，且研究结果对于普遍推广的意义不大。本次实验研究，对我国18个煤矿主采煤层大煤样进行了导水系数实验室测定工作，得到了较好的结果，该研究对煤层注水、瓦斯抽放和煤层气开发等工程实践具有一定的指导意义。2煤体抗压强度测试系统组成实验装置由主机、动力系统、控制系统和测试系统等4大部分组成，见图1所示。主机由上、下压板，立柱，压头和轴向油缸等组成。动力系统由电动油泵，三个4通阀，油管，孔隙水压油缸、氮气瓶和充气工具等组成。其中，轴压动力系统，侧压动力系统和水压动力系统等均配置相应的稳压装置，以消除3种压力同时反映到煤体上产生的相互影响；控制系统由组合阀(单向阀、安全阀)、截止阀、蓄能器等部件组成，由此组成3套独立的系统，实现轴压、侧压及孔隙水压的单独控制；测试系统由磁性表座、千分表、百分表、量杯、试管和压力表等组成。该实验装置的主要技术指标为：主机油缸最大加载能力2000kN，侧向压力20MPa，孔隙水压力15MPa，油泵工作压强63MPa，煤样尺寸为100mm×100mm×200mm。3煤体导水系数的测定将现场采集来的煤样在大型煤岩加工机上切割成100mm×l00mm×200mm的试件，修磨到所要求的精度后，置入三轴渗透仪室内密封，将轴压、侧压加到预定的初值，然后加水压1～2MPa，浸湿煤样3h以上，再进行导水系数的测定。在实验前详细制定轴压、侧压和注水压力的匹配方案，见表1所示。表中符号○为所有试样都做，×为只有部分试样做。在实验过程中，每级轴压、侧压和水压均用蓄能器稳压，以防压力波动。在每级轴压与侧压下，调整水压，用量杯量测每一时间段内的渗出水量。在水压较低或相对围压较高的情况下，煤体导水性很低，测量的时间段相对加长；反之，相对缩短。实验测定与计算的理论依据是Darcy定律，即式中T为导水系数；Q为时间段内渗出水量；L为水流过的距离；A为试件的横断面积；∆P为压力水头。4实验煤样在煤岩三轴应力渗透测试仪上，对18个主采煤层的煤样进行了渗透性的实验研究，实验煤层的物理力学指标见表2所示。5煤体导水系实验结果将表2所列煤层样品按照表1的实验方案进行实验，根据达西定律计算其导水系数。由于煤质的不均匀性，煤层样品的导水系数离散度较大，故采用指数意义下的平均值作为其在不同轴压、不同围压及不同水压下的导水系数平均值。表3示出王庄煤矿3#煤层在不同轴压、不同围压及不同水压下的导水系数平均值。根据各煤层导水系数的测定结果，将煤体导水系数与体积应力和孔隙水压按指数规律拟合，即：式中ta,tb,ct均为拟合常数，其中ta为导水系数初值；tb为体积应力系数；ct为孔隙水压系数；T为导水系数（md）;P为平均孔隙水压（MPa）；Θ为体积应力，Θ=σ1+σ2+σ3。依此对各煤层样品试验数据拟合，将其结果列入表4。对于煤层注水来说，当采深(轴压)一定时，侧压也随之确定，取煤体的侧压系数λ=5.0，则σ2=σ3=.05σ1；考虑到注水实验时的最高水压不超过最小主应力这一事实(否则就成了水力压裂)，选择Pmax=σ2=.05σ1，则实际采深H条件下的煤样导水系数为：由式(7)可以求得各煤层在实际采深条件下的煤样导水系数值。表4列出了实验煤层在实际采深条件下的导水系数值。6煤体渗透性能的研究通过对试验结果的详细分析，可以得出如下初步结论：(1）煤体的导水系数T随体积应力Θ的增加呈负指数规律衰减，即随煤层埋藏深度的增加而减小；随孔隙水压力P的增加呈正指数规律增加，即随注水压力的增加而增大。(2）煤样的导水系数T与导水系数初值ta成正比，而导水系数初值ta主要受煤层本身结构的影响，如孔隙率η，润湿性θ，裂隙量D和N1m等共同决定。(3）在统计意义上，中变质程度煤比高变质程度煤及低变质程度煤的导水系数大，但它也受煤的赋存条件和结构特征的影响。因此，应在实验的基础上来评价煤体的渗透性能。(4）由式（7）计算出的实际采深条件下的煤体导水系数值是一个能够反映采深对渗透性影响的综合参数，可作为煤体渗透特性分类的一个主要指标。7现场试验验证多年来，我们先后对许多煤矿的主采煤层的导水系数进行了实验室测定，在此基础上进行了各煤层注水可行性研究以及合理注水参数的确定。为忻州窑矿11#层8305工作面冲击地压危险区进行了煤层动压注水，有效地防止了冲击地压的发生。为王庄煤矿3#煤层提供了高压注水方案，解决了中硬煤层软化和降低粉尘浓度等问题，使综采放顶煤采煤