田坤云，徐  星，張瑞林

 （河南工程學院安全工程學院，河南鄭州451191）

摘要：構造煤具有瓦斯含量高、滲透率低等特征，是瓦斯抽采和災害預防的難點。在采用“二次成型”法制取原煤樣試件的基礎上使用自行設計的“三軸應力瓦斯滲透性模擬實驗裝置”通過“應力一滲透性”實驗，針對構造煤原煤試件不同瓦斯壓力條件下的應力加、卸載過程的瓦斯滲透規律進行了研究。實驗結果表明：加載階段，隨著加載應力的增大滲透率降低，初期階段降幅最為急劇，圍壓升到3 M Pa時，滲透率均下降近65%；卸載階段滲透率隨著應力的減小而增大，圍壓完全卸載后滲透率只恢復到初始值的25%；同樣的應力條件下，煤基質收縮對構造煤的影響作用大于有效應力的增加，滲透率隨著其內部瓦斯壓力的降低而增大。實驗結果可為構造煤“卸壓增透”效果最佳化提供參考，進一步完善低滲透率煤層的瓦斯抽采理論及方法體系。

關鍵詞：構造煤；瓦斯滲透特性；二次成型；原煤樣試件

中圖分類號：X936doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 06. 003

0  引言

 自上世紀70年代起，國內外學者對煤體三軸應力一滲透性規律開展了大量深入的研究工作。Somerton發現相同應力條件下高滲透性煤體的滲透率通常降低一個數量級，而低滲透性煤層則降低兩個數量級；Lin-gard發現隨著應力的增加煤樣的瓦斯透氣性顯著降低；G．X．Wang認為煤體的滲透性與其力學特征及結果密切相關，煤的滲透性受地應力的影響較大；Steve20u建立了水平滲透率與垂直應力之間的關系。許江等探討了煤樣滲透率與地應力、溫度等參數的關系及經驗公式；孫培德成功地擬合出煤樣滲透率隨有效應力和空隙壓力之間的關系；石必明等發現型煤加載過程中應力-滲透性符合指數函數規律，卸載過程符合冪函數；尹光志等建立了滲流速度一軸壓的全過程方程。大量的研究工作表明煤體的瓦斯滲透性與其承載應力密切相關，揭示了瓦斯滲透率受煤體應力-應變場等多種因素制約的定性及定量變化規律。然而以往研究工作中，針對構造煤承壓過程，特別是卸壓過程瓦斯滲透性動態變化規律的報道不多，而這一特征是實現構造煤卸壓增透的關鍵；且實驗過程采取的煤樣多為型煤煤樣，但型煤與原煤在結構特征上差異較大，較難準確地反映構造煤承壓過程瓦斯滲透性特征。為此，筆者在成功制取構造煤原煤樣試件的基礎上對其加、卸載過程的瓦斯滲透性進行了深入研究。

1  瓦斯滲透性模擬實驗裝置設計與改裝

 實驗裝置由煤樣試件密封系統、應力加載系統、氣體接入系統、流量采集系統、負壓加載系統、數據自動采集分析系統五部分組成，如圖1。試件密封系統主要對煤樣試件進行固定密閉；應力加載系統控制煤樣試件應力的加卸載；氣體接人系統主要供給實驗用CH4氣體；流量采集系統對瓦斯流量進行采集并根據預定程序計算瓦斯滲透率；負壓加載系統主要是給煤樣試件加載預定的負壓，本實驗主要是抽出試件內部裂隙殘留的水，從而保證流量采集不受水的影響；自動監測與數據采集分析系統則主要在實驗過程中自動采集瓦斯參數。

  各部分附件主要參數如下：

① 壓：0~ 100 M Pa，精度0.1 M Pa；②圍壓：0~60M Pa，精度0.1 M Pa；③瓦斯壓力：0~10 M Pa，精度0.1M Pa；④質量流量計：0~30 SCCM（標準毫升／分），精度±1. 5%F．S；⑤三軸應力夾持器，規格：Φ50 mm×100 mm。

2  構造煤原煤樣制作的二次成型法

 煤樣試件可分為型煤及原煤，前者通過將煤體磨碎經過壓縮而成；后者則是通過取芯直接鉆取或用原煤機械加工而成。原生結構煤一般可直接鉆取得到，但構造煤松軟破碎，直接鉆取或機械加工較難成型。因此，對構造煤的研究多采用型煤試件。但型煤與原煤試件在結構特征上差異較大，瓦斯滲流實驗中，型煤只能研究大致的變化規律。為了更加精確地研究構造煤的瓦斯滲透規律，使用較能真實地反映煤體特征的原煤試件作為研究對象十分必要。

 構造煤原煤試件的制取可采用“二次成型法”：煤礦井下采集形狀規則、塊度較大的煤塊；地面預定規格試件的機械加工。

2.1  井下煤塊的采集

 用手鋸在煤體上切割出一個近似規則的方體，然后用規格為200 mm×200 mm x 200 mm的鐵皮方框罩住，煤塊及方框之間的縫隙用聚氨酯充填膠接，將煤塊方體底部用手鋸截斷并搬運至地面蠟封，如圖2。

2.2構造煤機械加工成型

 ①在聚氨酯層鉆孔，將鋼絲鋸條穿過鉆孔并固定在鋸弓上。沿聚氨酯層鋸切一周，去除充填的聚氨酯。

 ②將煤塊鋸切成長方體(120 mm×120 mm×150mm)，最后磨平兩端。

 ③去除長方體煤塊四個楞角，使之成類圓柱形，將類圓柱形試件的凸棱進行打磨使之圓滑。加工兩端都開口的不銹鋼圓柱體模具（內徑為50 mm、高100 mm，如圖3），將試件放入模具內。使用硅酮酸性玻璃膠將其補充成Φ50 mm x100 mm標準煤樣試件。

 ④待硅酮酸性玻璃膠凝固后，去掉磨具的頂及底蓋，將試件推出磨具。用紗布打磨掉試件殘留膠體，標準的原煤試件制作成功，如圖4。

3應力加、卸載滲透特性模擬實驗

3.1  實驗煤樣制取

 所用煤樣采自超化煤礦二，煤層，煤層埋藏深度較大，成煤過程中煤體受到嚴重的地質構造破壞，煤體松軟破碎，為典型的構造煤。制作了兩組原煤試件，編號分別為CH1、CH2。試件基本屬性見表1。

3.2  實驗方案設計

 煤礦開采從力學角度而言是煤巖體歷經加卸載過程，即在采動擾動下，采煤工作面前方煤巖體靜水壓力不斷升高，隨著采煤工作面的推進，相應位置煤巖體的應力不斷解除。與此對應，本實驗設計的應力加卸載途徑為：一定的瓦斯壓力條件下，對煤樣試件的軸壓、圍壓

等量加載10 M Pa后，保持加載軸壓恒定的情況下卸圍壓，實驗方案如表2。

 流量計自動采集通過試件的瓦斯流量并自動計算滲透率，滲透率的計算依據如下式：

3.3  實驗結果

 不同瓦斯壓力條件下兩組煤樣在加卸載條件下的滲透率如表3所示。

 根據表3實驗結果，兩組煤樣加卸載過程中滲透率演化與加載圍壓的關系曲線如圖5所示。

4  實驗結果分析

 由圖5可以看出：

 1)同樣的加載應力條件下，通入構造煤試件的瓦斯壓力越大對應的滲透率反而越小，而這一特征與非構造煤相反。

 煤體滲透率主要受兩方面的影響：①瓦斯解析會成造煤體自身的體積收縮即煤基質收縮，煤基質收縮會造成煤樣瓦斯滲透性增大。②瓦斯壓力降低會導致煤體內有效應力增大，進而造成其滲透性降低。

 圍壓一定，瓦斯壓力減小時，煤基質收縮和有效應力降低同時影響煤樣滲透率，且兩因素的影響作用相反。若前者的影響作用大于后者，則煤樣的滲透率增加，反之滲透率降低。對構造煤樣試件而言滲透率出現增大現象，說明前者的影響占據主導地位。而對大部分的非構造煤而言，滲透率會隨著內部瓦斯壓力的增加而增大。

 2)應力加載階段，兩試件滲透率變化曲線較為相似，據滲透率變幅可將加載過程分為三個階段：加載初期(0～3 M Pa)、中期(3～7 M Pa)及后期(7~10 M Pa)。

 加載初期滲透率降低幅度較為急劇，滲透率變化最大。此階段，與應力未加載時相比，兩試件的滲透率分別下降了65. 79%、64. 88%，下降幅度遠遠大于非構造煤；中期滲透率分別下降了82. 68%、83. 02%；后期滲透率的變化趨于平緩，應力加載至最大值10MPa時，與應力未加載時相比，滲透率分別下降了93. 53%及92. 99%，下降率也要比非構造煤大的多。

 3)軸壓恒定，圍壓卸載階段，兩構造煤試件的滲透率變化趨勢也較為相似，整體上滲透率隨著圍壓的減小而增大，卸載初期從10 M Pa至7 M Pa過程中，滲透率增幅不大，說明受壓縮的構造煤試件內部裂隙在應力卸載后無法得以立即恢復。當圍壓小于7 M Pa時，試件的滲透率隨著圍壓的卸除而急劇增加，試件內部受壓縮的裂隙得到恢復或者產生了新的裂隙。

 從兩個構造煤樣試件的滲透率演化特性可以看出，相應的圍壓條件下，加載過程的煤樣滲透率均要比卸載過程大，這說明圍壓的卸載過程并非是加載過程的簡單逆過程。這是因為在圍壓加載過程中煤樣內部的裂隙發生了永久性損傷，這些損傷在圍壓卸載過程中并不能

完全恢復，當圍壓卸壓至0 M Pa時，兩試件的滲透率只恢復到初始值的25. 85%、24. 98%，比非構造煤要小的多，可以判斷：應力加載過程中構造煤內部裂隙的損傷多為塑性破壞，有別于非構造煤內部裂隙的彈性破壞。

 由于軸壓的存在，同樣的卸載量條件下，圍壓越小，試件的滲透率恢復的速度也就越快。井下生產過程中，隨著采掘的進行，煤體會發生卸壓變形，進而煤體的滲透率變大，內部的瓦斯具有了較好的解吸條件，從而使構造煤瓦斯涌出量增大甚至由于瓦斯的瞬間大量解吸

而導致突出發生，這充分解釋了構造煤較非構造煤體更易于發生煤與瓦斯突出的原因。

5  結論

 1)同樣的應力（軸、圍壓）條件下，由于煤基質收縮對構造煤的影響作用大于有效應力增加，其滲透率隨著試件內部瓦斯壓力的降低呈增大趨勢；而這與非構造煤的滲透特征相反，以往研究成果表明，非結構煤的滲透率隨著其內部瓦斯壓力的降低而降低。

 2)應力加載過程中構造煤與非構造煤的滲透率均隨加載應力增大而降低，加載初期變化最為急劇，后期趨于平緩，但是構造煤滲透率初期的降幅要比非構造煤大的多。

 3)卸載過程中，構造煤與非構造煤的滲透率均隨著加載應力的減小而增大，且增大速度比加載過程中的降低速度明顯減緩，說明原生結構煤及構造煤在加載過程中其內部的裂隙均受到了不同程度的損傷，這使得卸載過程中難以恢復。但是當圍壓完全卸載后．構造煤的滲透率只恢復到初始值得25%，比非構造煤要小的多。據此可以判斷：應力加載過程中構造煤內部裂隙的損傷多為塑性破壞，有別于非構造煤內部裂隙的彈性破壞。