突出煤非突出煤渗流试验研究

第32卷第6期岩土力学Vol.32No.62011年6月RockandSoilMechanicsJun.2011收稿日期：2009-08-24基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（No.2011CB201203）；国家自然科学基金项目资助（No.50874124）；中央高校基本科研业务费资助项目（No.CDJXS11240004）；重庆大学“211工程”三期创新人才培养计划建设项目资助（No.S-10220）。第一作者简介：尹光志，男，1962年生，博士，教授、博士生导师，主要从事采矿工程与安全工程方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]文章编号：1000－7598(2011)06－1613－07突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究尹光志1,2,3，蒋长宝1,2,3，李晓泉1,2,3，王维忠1,2,3，蔡波1,2,3（1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030；2.重庆大学资源及环境科学学院，重庆400030；3.重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆400030）摘要：以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象，设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案，利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统，对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明，在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变形和瓦斯流量变化规律基本一致，即两种型煤在应力-应变全过程中瓦斯流量与煤样损伤变形的进程密切相关；瓦斯流量随着煤样的体积压缩而变小，且在煤样体积被压缩至最小时瓦斯流量降为最低值，煤样开始扩容后瓦斯流量转为增大；瓦斯流量随围压的增大而减小，且围压越大，瓦斯流量随应变变化的幅度越小。煤性对煤层瓦斯渗透性有明显影响，其渗透性可作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。关键词：岩石力学；采矿工程；渗流；全应力-应变；型煤；瓦斯中图分类号：O357.3文献标识码：AAnexperimentalstudyofgaspermeabilitiesofoutburstandnonoutburstcoalsundercompletestress-strainprocessYINGuang-zhi1,2,3,JIANGChang-bao1,2,3,LIXiao-quan1,2,3,WANGWei-zhong1,2,3,CAIBo1,2,3（1.StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China;2.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China;3.StateandLocalJointEngineeringLaboratoryofMethaneDrainageinComplexcoalGasSeam,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China）Abstract:Focusingonoutburstcoalandnonoutburstcoal,thepermeabilityexperimentsontheoutburstcoalandnonoutburstcoalbriquettesduringthecompletestress-strainprocessweredesignedusing“CoalContainingGasTHMCouplingSystem”;tostudytheirpermeablepropertiesinthecompletestress-strainprocess.Theresultsshowthat:duringthecompletestress-strainprocess,thedeformationofoutburst/nonoutburstcoalshowedsimilartrendswithgasvolumeflowvelocity,whichmeans,inthecompletestress-strainprocessesofbothkindsofcoals,gasvolumeflowvelocityistightlyrelatedwiththedamagedeformationprocessofcoal.Thegasvolumeflowvelocitydecreasedwiththecompressingofcoalvolume,decreasedtothelowestvaluewhenthecoalvolumewascompressedtotheminimum;andthenwhencoalvolumebegantoexpand,gasflowvelocityturnstoincrease.Thegasvolumeflowvelocitydecreasedwiththeincreasingofconfiningpressure;andthehighertheconfiningpressurewas,thesmallerthechangingrateofgasvolumeflowvelocitytostrainwas.Thepropertiesofcoalshowanevidenteffectongaspermeation;sothepermeabilitycouldbetreatedasasignificantcriterionforthejudgementofcoal-gasoutburstcriticality.Keywords:rockmechanics;miningengineering;seepage;completestress-strainprocess;briquette;gas1引言煤与瓦斯突出是煤矿井下的一种严重动力灾害[1]。研究表明，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯及煤岩等因素相互作用所体现出来的物理力学性质综合作用的结果[2–4]。深入研究含瓦斯煤岩的力学性质及瓦斯在煤层中的流动机制对研究煤与瓦斯突出、瓦斯抽放和瓦斯排放具有一定意义[5]。国内外学者[1,6–13]从煤矿开采中煤层参数变化、激发和发生条件、力学作用机制、矿区地应力场、模拟试验、应力仿真、黏滑机制、气体能源作用和电磁辐射方面对煤与瓦斯突出进行了研究。矿井是否发生煤与瓦斯突出与该矿井煤的力学性质和瓦斯在煤层中的流动情况密切相关，本研究1614岩土力学2011年确立以突出煤和非突出煤的力学性质和瓦斯渗流规律对比研究思路，为进一步研究煤与瓦斯突出机制提供量化依据。采矿工程中，随着采煤工作面的推进，工作面煤层所受的应力和瓦斯流动是随着该处地质构造和煤层赋存条件的变化而变化的，因此，研究煤的应力-应变全过程的瓦斯渗流规律显得很有必要。本文以重庆天府矿业有限责任公司典型的煤与瓦斯突出矿井三汇一矿K1煤层的突出煤和重庆永荣矿业有限公司低瓦斯矿井青峰镇油房沟煤矿的二连子煤层的非突出煤制备的型煤试件为研究对象，利用自行研制的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置，用瓦斯作为渗流物质，实现突出煤和非突出煤型煤应力-应变全过程的瓦斯渗流试验。2试验条件2.1试验型煤的制备试验煤样严格按照煤和岩石物理力学性质测定方法[14]制作，将所取突出煤块和非突出煤块分别粉碎制作，选取粒径大小为40～60目的煤粉颗粒，然后将这些煤粉与少量纯净水混合均匀后置于成型模具中，最后在2000kN刚性试验机上以100MPa的压力压制成φ50mm×100mm的标准煤样，端面不平行度不超过0.05mm。2.2试验装置煤样应力-应变全过程的渗流试验采用自行研制的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统进行，如图1所示。该试验装置可以模拟研究在不同地应力场（围压和轴压）、不同瓦斯压力和不同地温场作用下的煤样气体渗流试验。该装置主要由加载系统、应变测量系统、瓦斯气体供给系统、流量计和计算机及控制程序组成，其中，加载系统由轴向加载和三轴压力室组成，应变测量系统由轴向引伸计和环向引伸计组成，瓦斯气体供给系统由高压瓦斯罐和减压阀组成。在试验过程中，煤样所受的轴向压力由轴向压头提供，围压的施加则利用液压油泵通过三轴压力室来实现，并通过各自传感器测量；煤样的轴向变形和环向变形分别由轴向引伸计和环向引伸计测量；瓦斯压力大小由高压瓦斯罐和减压阀组合控制；瓦斯流量通过瓦斯流量计测量；所有数据都由计算机及控制程序自动采集记录。2.3试验方案本次渗透试验采用气体纯浓度为99.99%的甲烷，控制瓦斯压力ip小于围压(2σ=3σ)，否则会使热缩管密封失效而使试验失败，用轴向压头位移（0.1mm/min）连续施加轴向压力。两种型煤试件参数和试验条件见表1。渗流试验全过程由计算机及控制程序控制，包括数据采集记录，试验数据记录频率是1次/秒。根据试验数据，可以获得应力-应变全过程和瓦斯渗流关系曲线。(a)试验系统示意图1-轴向引伸计；2-轴向压头活塞进油口；3-轴向压头活塞排油口；4-轴向应力传感器；5-万向压头；6-镂空钢垫；7-试件上部压头；8-三轴压力室排气管；9-三轴压力室应力传感器；10-三轴压力室；11-试件进气管；12-试件出气管；13-流量计；14-高压瓦斯罐；15-减压阀；16-气压表；17-活动操作台；18-水浴箱；19温度传感器；20；油缸和液压泵；21-计算机；22-操作台；23-三轴压力室进(排)油口(b)三轴压力室及内部结构1-试件进气管；2-试件上部压头；3-密封圈；4-透气孔；5-试件；6-热缩管；7-环向引伸计；8-环向引伸计接头；9试件下部压头；10-试件出气管；11-三轴压力室进(排)油口；12三轴压力室排气口；13-三轴压力室壁；14-三轴压力室图1含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流实验系统示意图Fig.1CoalcontaininggasTHMcouplingsystem具体试验步骤为：试验前，先用标准金属试件对系统的气密性进行检测，用热缩管密封煤样后安装环向引伸计，将煤样放入三轴压力室,关闭试件出气管阀门。将轴向的万向压头接触煤样，加油排空三轴压力室内空气，对煤样进行真空处理，用VP―1型真空泵抽去煤样内的空气，使煤样内气压降至50Pa以下后，再将围压3σ和轴压1σ施加到设定值(2σ=3σ)。开启高压瓦斯罐和减压阀的阀门，将瓦斯压力ip加到0.5MPa或者1.0MPa，并保持瓦斯压力不变，让煤样充分吸附24h。打开试件出气管阀门，待瓦斯流量稳定后，用位移控制连续施第6期尹光志等：突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究1615加轴压进行全应力-应变瓦斯渗流试验。改变围压和改变瓦斯压力，重复上述步骤，进行新的全应力-应变瓦斯渗流试验。表1试验参数Table1Testparameters煤样尺寸/mm煤样编号直径φ高度ρ/(g/cm3)2σ=3σ/MPaip/MPaTC–150.1100.11.29320.5TC–250.1100.11.29340.5TC–350.1100.31.29360.5FT–150.1100.11.20920.5FT–250.1100.21.20940.5FT–350.1100.11.20960.5TC–450.1100.21.29321.0TC–550.1100.21.29341.0TC–650.1100.11.29361.0FT–450.1100.21.20921.0FT–550.199.71.20941.0FT–650.1100.11.20961.0注：ip为瓦斯压力；ρ为密度。3试验结果及分析3.1突出煤和非突出煤的力学特性对比分析根据试验结果，瓦斯压力pi=0.5MPa（图2、3）或者1.0MPa（图4、5）时，突出煤和非突出煤煤样的应力-应变关系如图2～5所示，图中1ε为轴向应变；3ε为横向应变(2ε=3ε)，εv为体积应变；1σ