瓦斯突出煤试样渗流速度试验研究

瓦斯突出煤试样渗流速度试验研究

1煤体应力和渗流作用的研究。在煤根据煤和砖瓦突出的“综合作用假设”，轻煤和砖瓦突出是土壤肥力、砖瓦压力和碳性质共同作用的结果。地应力对煤层的透气性起着决定性作用,而透气性的大小对瓦斯的富集与排放,瓦斯压力的分布起着重要作用,这方面一直是国内外相关科技工作者研究的重点。林柏泉和周世宁得出了在围压力不变的前提下,孔隙压力和渗透率以及煤样间变形关系;J.Gawuga研究了气体在应力下的含碳层中流动规律;谭学术和鲜学福研究了型煤在不同应力状态下的渗透特性;赵阳升等通过实验室试验研究了气体吸附作用和变形作用对渗流影响;J.R.E.Enever和A.Henning通过对澳大利亚煤床研究,建立了渗透率和有效应力的关系;C.R.Mckee等研究发现随着煤层埋藏深度和有效应力增加,煤层割理缝隙宽度减小,渗透率呈指数降低;何伟钢等得出煤层渗透率与地应力呈幂指数相关关系;杨永杰等通过水在煤岩体中的渗流试验,得出了煤岩在变形破坏过程中的渗透率变化规律。以上研究主要是应力对渗透率的影响,大多未考虑煤体应变对渗透率的影响。本试验通过自行研制的三轴渗透仪及MTS815型力学试验机,模拟地应力对固定瓦斯压力下渗流速度的影响,并且考虑了煤体应变对瓦斯渗流速度的影响。对打通一矿及类似矿井的煤与瓦斯突出预测预报具有指导性意义。2测试准备2.1模拟煤调湿的试验设备本文试验样取自重庆市松藻矿务局打通一矿7#分层,该层为软弱分层,曾发生煤与瓦斯突出。在实验室制取型煤标准试样,尺寸为:φ=50mm,h=100mm,型煤成型压力为200kN,煤粉粒径为20~40目。该试样可以满足模拟原煤进行力学试验的要求。试验设备是自主研制的三轴渗流设备,该装置主要包括瓦斯罐(施加孔隙压力)、数控油压泵(施加轴压和围压)、三轴渗透仪、流量计等,如图1所示。试验设备可以模拟研究在不同地应力的作用下的瓦斯渗透特性,可以取得比较好的效果。突出煤全应力–应变试验是用重庆大学的MTS815试验机进行的,该试验机从美国进口,可以进行各种煤岩试样的应力–应变试验。2.2试验步骤和步骤本次渗流试验采用气体为纯甲烷,试验压力为0.25MPa,在相同围压下,轴压对渗流速度的影响试验,采用稳定法加压,围压分别为1,2,3,4MPa。试验前,试样在瓦斯压力0.25MPa情况下,充分吸附24h;每次改变外界压力,试样吸附瓦斯30min后,释放瓦斯5min,待瓦斯流量稳定后,测量渗流速度。具体步骤如下:(1)将煤样加工成φ50mm×100mm规格的标准煤试样,安装在渗透试验设备上,用吹风机将热缩胶加热使其紧贴在试验煤样上,将煤样放入渗透仪。(2)对煤样施加轴压和围压,检查装置气密性,通入纯瓦斯气体,充分吸附24h。(3)每次改变外界压力,试样吸附瓦斯30min后,释放瓦斯5min,待瓦斯流量稳定后,测量渗流速度。(4)同一围压下使用3个煤试样,为获得在不同轴压下瓦斯渗流规律,在不同三轴应力组合下重复以上试验步骤。突出煤全应力–应变试验是在MTS815型力学试验机上进行的,围压分别为1,2,3,4MPa,每组进行3个试样试验研究。3轴压和围压本试验可以模拟突出煤渗流速度与地应力关系,试验过程中变化的轴压和围压,模拟受采动影响下地应力的变化。根据前人研究成果,试样的瓦斯渗流速度与渗透率是正相关的,本试验通过测得突出煤试样的渗流速度–应力曲线可以反映出渗透特性。3.1渗流速度与轴压耦合由图2及表1看出,在同一围压情况下,渗流速度–轴压变化规律:试样主要产生压密变形,随孔隙性降低,渗流速度下降,直到弹性变形最大应力点,即对应着渗流速度最低点b;当轴压未达到峰值点c时,剪切变形导致试样内部产生剪张裂隙,裂隙之间有一定的联通性,渗流速度呈现较强的增强趋势,直到峰值达到最大值;加载到应力峰值后(点c~d),轴压下降,试样处于蠕变状态,此时剪切裂隙相互贯通并形成裂隙性渗流通道,表现为渗流速度比峰值处先下降,然后趋于稳定,其原因可能是蠕变过程中部分裂隙变窄或碎屑阻塞(见图3)。根据渗透试验所揭示的突出煤的渗流速度和轴压表现出明显的函数关系,并且在峰值前后渗流速度与轴向应力单值对应,可以分别对应力峰值前后的渗流速度与轴压关系进行分段耦合,可以降低耦合的难度。如果将σb视为导致突出煤试样裂隙性渗流的起始应力,则渗流速度与轴压关系为式中:Q为渗流速度(mL/s);σ1为轴压(MPa);a,b,c均为拟合系数。3.2峰后渗流速度与围压的关系试样分别在不同围压下达到峰值,图4给出了峰后渗流速度–围压关系。由图4可知:在入口瓦斯压力不变时,峰后渗流速度与围压关系为式中:σ3为围压(MPa)。式(2)反映了峰后随着围压的增大渗流速度降低的特性,当围压达到4MPa以后,渗流速度下降非常缓慢,几乎保持定值。这说明了突出煤峰后渗流速度受围压影响比较明显。由式(1),(2)可以推出峰后渗流速度与有效应力的关系:其中,4度–轴向应变曲线一般情况下,渗流速度和应力很难在煤矿现场取得,而测量应变即煤体变形则相对容易得多,因此有必要建立渗流速度与应变的关系,便于作为现场煤与瓦斯延期突出预测预报的参考指标。由于MTS815型力学试验机不能用于开展气体渗流试验,本试验通过MTS815型力学试验机实测不含瓦斯的轴压–轴向应变曲线,同图2渗流速度–轴压曲线对比,发现有很好的对应性,只是含瓦斯应力峰值相对不含瓦斯时略低,其原因可能是试验中的瓦斯压力较低,可以通过2条曲线得出渗流速度–轴向应变曲线(见图5)。渗流速度–轴向应变关系曲线反映出渗流速度随变形的变化表现有分段性。如图6所示,在同一围压下,瓦斯渗流速度–轴向应变曲线变化过程为:试样被压密实和弹性阶段,渗流速度是缓慢降低的,最低点b为弹塑性变形分界点,说明试样原生裂隙被压实,新的裂隙还没有产生;试样受压进入塑性变形到屈服阶段,其新的裂隙迅速增加,渗流速度加快,直到应力峰值点c,渗流速度达到最大值,在达到峰值前,渗流速度随变形增大,其变化幅度较大;达到峰值后,渗流速度表现出随变形呈下降的趋势,试样破坏后,渗流速度随变形的变化幅度较小,基本趋于稳定,反映了煤体在残余强度下的渗流速度。从图5,6可以看出,在不同围压下,渗流速度对应轴向应变的特征点a,b总是在固定的区间内,如εa∈(0,2),εb∈(2,4),而特征点c的轴力应变εc随围压增大而增加。瓦斯渗流速度的大小可以反映出瓦斯压力梯度的大小,而瓦斯压力梯度是引起煤与瓦斯突出的主要原因之一。从本试验可以得出:煤体变形处于εa~εb时,瓦斯渗流速度较小,则瓦斯压力梯度也较小,不会发生突出;煤体变形处于εb~εc时,瓦斯渗流速度增速较快,瓦斯压力梯度变大,而此时煤体强度较高,已经具备了突出的可能;煤体变形处于εc点后,瓦斯渗流速度趋于稳定,并且小于峰值,瓦斯压力梯度也比峰值小,而煤体强度为残余强度,处于蠕变状态强度较小,引发煤与瓦斯突出事故可能性较大。εc随围压增大而增加,说明地应力越大,煤体受采动影响后,发生突出的可能性越大。5煤体瓦斯黏度及渗流速度的数值调查在试验中可以测得相同围压、不同轴压下的渗流速度,突出煤试样瓦斯渗透率在压力峰值前视为服从达西定律,其计算公式为式中:K为渗透率(m2);µ为瓦斯黏度系数,室温20℃时瓦斯黏度系数为1.087×10-6Pa·s;L为煤样长度(mm);A为煤样横截面积(m2);1P为煤样入口瓦斯压力(MPa);2P为煤样出口瓦斯压力(MPa)。从图2可以看出,在某一围压下,当轴压达到峰值后,渗流速度就会突然增大,说明峰值后试样发生了破坏,产生了宏观裂隙,这时的渗流速度达到该围压下的最大值,之后试件产生蠕变,渗流速度稍有下降,然后保持在稳定的渗流速度。渗透率与渗流速度关系参照缪协兴等研究结果得出,即6煤试样渗流速度与围压的关系本文以室内试验为手段,通过三轴渗透仪模拟突出煤试样在不同地应力作用下煤层渗透率的变化规律,可以得出以下结论:(1)得到了在不同围压情况下,突出煤试样渗流速度–轴压的关系曲