含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用

第29卷第5期岩石力学与工程学报Vol.29No.52010年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay，2010收稿日期：2009–11–17；修回日期：2010–01–27基金项目：国家自然科学基金资助项目(50974141)；国家科技重大专项项目(2008ZX05034–002)；国家自然科学基金重点项目(50534080)作者简介：许江(1960–)，男，博士，1982年毕业于重庆大学采矿系矿山工程物理专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用许江1，彭守建1，尹光志1，陶云奇2，杨红伟1，王维忠1(1.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，重庆400044；2.河南省煤层气开发利用有限公司，河南郑州450016)摘要：介绍自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置，该装置主要由伺服加载系统、三轴压力室、水域恒温系统、孔压控制系统、数据测量系统以及辅助系统等6个部分组成，其最大轴压为100MPa、最大围压为10MPa、最高加热稳定温度为100℃，试件尺寸为50mm×100mm。该装置具有如下特点：(1)所进行的试验能反映地应力、瓦斯压力、温度等对含瓦斯煤渗透率的综合影响；(2)实现伺服液压控制加载功能，能进行多种形式的加载；(3)实现“面充气”，更加逼真地反映实际煤层瓦斯源的情况；(4)设计有导向装置，实现加压活塞杆和支撑轴的对位，避免在加压过程中产生晃动，使得试件受压均匀而稳定；(5)数据采集使用更加灵敏、精确度更高的各类传感器；(6)设计有大型水域恒温系统，并安装有水域循环水泵，加热过程更加均匀；(7)具有研究含瓦斯煤渗透性、变形特性等多种功能。采用该装置进行含瓦斯煤在不同围压、不同温度条件下的渗透试验，结果表明含瓦斯煤变形存在4个阶段，其抗压强度随着围压的增加而增大；含瓦斯煤渗流流量在应力–应变过程中存在阶段性变化且随着温度的升高呈现总体减小的趋势。该装置可用于含瓦斯煤热流固耦合渗流领域的研究，为进一步深层次揭示煤层瓦斯运移规律和研究煤层瓦斯抽采技术提供理论基础。关键词：采矿工程；含瓦斯煤；热流固耦合；渗流；伺服控制系统中图分类号：TD713文献标识码：A文章编号：1000–6915(2010)05–0907–08DEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFTRIAXIALSERVO-CONTROLLEDSEEPAGEEQUIPMENTFORTHERMO-FLUID-SOLIDCOUPLINGOFCOALCONTAININGMETHANEXUJiang1，PENGShoujian1，YINGuangzhi1，TAOYunqi2，YANGHongwei1，WANGWeizhong1(1.KeyLaboratoryforExploitationofSouthwesternResourcesandEnvironmentalDisasterControlEngineering，MinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China；2.HenanProvincialCoalSeamGasDevelopmentandUtilizationCo.，Ltd.，Zhengzhou，Henan450016，China)Abstract：Aself-developedtriaxialservo-controlledseepageequipmentforthermo-fluid-solidcouplingofcoalcontainingmethaneisintroduced.Itiscomposedofservo-controlledloadingsystem，triaxialcompressionchamber，waterbathwiththermostaticcontrolsystem，interstitialpressurecontrolsystem，datameasuringsystemandsupportingsystem.Themaximumaxialpressureis100MPa；andthemaximumconfiningpressureis10MPa.Theheatingtemperaturecanreachashighas100℃；andthedimensionsoftestedcylindersamplesare50mm×100mm.Therearesomeadvantagesoftheseepageequipment：(1)Testsperformedonthisequipmentcan•908•岩石力学与工程学报2010年showthecomprehensiveinfluenceofgeostress，gaspressureandtemperatureuponpermeabilityofcoalcontainingmethane.(2)Manykindsofloadformscanbecompletedonthisservo-controlledsystem.(3)Plane-chargingcanbecarriedoutforthecoalsample，whichreflectstheactualgassourcesituationofcoalbed.(4)Anorientationsystemisdesignedtoinsuretheaccuracyofthedataachievedinthetests.(5)Byusingthesensors，thedataaremoresensitiveandaccurate.(6)Alarge-scalewaterbathwiththermostat-controlledsystemisdesigned；andawatercirculatingpumpisalsoinstalled.(7)Itcanbeusedtostudypermeabilityanddeformationcharacteristicsofcoalcontainingmethane.Experimentsoncoalcontainingmethanewithdifferentconfiningpressuresanddifferenttemperaturesintheseepageequipmentdemonstratethatthedeformationofcoalcontainingmethanehasfourstages；andthecompressivestrengthincreaseswiththeincreaseofconfiningpressure.Moreover，theseepagedischargeisdifferentineachstageanddeclineswiththeincreasingoftemperatureingeneral.Theseepageequipmentcanbeusedtostudycertainscientificlawofthermo-fluid-solidcouplingseepageofcoalcontainingmethane，whichcanprovidefundamentalbasisforstudyinggasmovementinundergroundcoalseamandgassuctiontechnology.Keywords：miningengineering；coalcontainingmethane；thermo-fluid-solidcoupling；seepage；servo-controlledsystem1引言在矿井生产过程中，采掘工程破坏了原岩应力场的平衡和原始瓦斯压力的平衡，形成了采掘周围岩体的应力重新分布和瓦斯流动。在煤层瓦斯运移过程中，渗透率是反映煤层内瓦斯渗流难易程度的物性参数之一，同时，渗透率也是瓦斯渗流力学与工程的重要参数。因此，煤层瓦斯渗透率的测算方法研究是瓦斯渗流力学发展之关键技术，也是煤矿安全工作者研究煤与瓦斯突出等一系列矿山安全问题的关键入手点。为研究煤储层渗透特性，在20世纪70年代，就有国外学者研发了相关渗流试验设备进行了系列研究，并取得许多研究成果。W.J.Sommerton等[1]研究了应力对煤体渗透性的影响；C.R.McKee等[2]开展了应力与煤体孔隙度和渗透率之间关系的研究；S.Harpalani等[3，4]研究了应力对煤解吸渗流的影响规律；J.R.E.Enever和A.Henning[5]研究了煤体有效应力对渗透率的影响规律。在国内，林柏泉等[6，7]较早地利用自制的煤样瓦斯渗透试验装置研究了含瓦斯煤体在围压力不变的前提下，孔隙压力和渗透率以及孔隙压力和煤样变形间的关系；谭学术等[8～10]利用自制的渗流装置，先后对煤样在不同应力状态下、不同电场下、不同温度下及变形过程中的渗透率进行了研究；胡耀青等[11]研制了“煤岩渗透试验机”与“三轴应力渗透仪”，进行了三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律的试验研究；刘建军和刘先贵[12]利用自制试验设备以低渗透多孔介质为研究对象，通过试验得出孔隙度、渗透率随有效压力变化的曲线；唐巨鹏等[13]自制了三轴瓦斯渗透仪，试验研究得到了有效应力与煤层气解吸和渗流特性间的关系；隆清明等[14]自行研制“瓦斯渗透仪”，进行了孔隙气压对煤体渗透性影响的试验研究；彭永伟等[15]利用一种夹持装置，通过试验研究了不同尺度煤样在围压加、卸载条件下的渗透率变化。然而，各单位所设计开发的渗流试验装置，虽在一定程度上推进了渗流力学的研究及加深了煤层瓦斯运移机制的认识，但也存在以下不足：(1)所考虑的渗透率影响因素相对比较单一，未综合考虑应力、瓦斯压力、温度影响及变形等，不能完全模拟现场煤层瓦斯渗流受各因素综合作用的实际情况。(2)应力加载系统多为手动，加载过程不稳定。(3)充气系统多为点充气，未能实现实际煤层瓦斯源的情况。(4)试件变形等数据采集大都采用应变片，流量则采用排水法等，这些测试技术误差相对较大。(5)试件安装及设备装备过程不方便。为此，迫切需要研制出一套功能更趋完备的含瓦斯煤渗流试验装置，以便更深层次地探索各因素对瓦斯渗流的作用机制，为煤层气抽采等提供技术参考。西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室(重庆大学)在分析同类渗流试验装置的基础上研制了“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置”，本文较详细介绍该装置的功能，同时介绍该装置的组成及各部件的关键技术，进而介绍用该装置所进行的前期试验研究成果。第29卷第5期许江，等.含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用•909•2装置的主要功能与技术参数2.1主要功能含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置可进行不同温度条件下地应力和瓦斯压力共同作用时煤层瓦斯渗流规律及含瓦斯煤在渗流过程中的变形破坏特征方面的试验研究，以揭示煤层瓦斯运移机制，为研究煤与瓦斯突出力学演化机制及瓦斯抽采技术奠定理论基础。2.2主要技术参数(1)最大轴压：100MPa；(2)最大围压：10MPa；(3)最大瓦斯压力：2MPa；(4)最大轴向位移：60mm；(5)最大环向变形：6mm；(6)温度控制范围：室温～100℃；(7)试样尺寸：50mm×100mm；(8)力值测试精度：示值的±1%；(9)力值控制精度：示值的±0.5%(稳压精度)；(10)变形测试精度：示值的±1%；(11)水域温度控制误差：±0.1℃；(12)轴向加载控制方式：力控制、位移控制；(13)应力、变形、瓦斯压力、温度及流量等参数全自动采集；(14)该装置总体刚度大于10GN/m。3装置的组成及各部件的关键技术含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置主要由伺服加载系统、三轴压力