真三轴气固耦合煤体渗流试验系统的研制及应用

第37卷第7期岩土力学Vol.37No.72016年7月RockandSoilMechanicsJul.2016收稿日期：2015-10-27基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.51304128，No.51304237)；山东省自然科学基金(No.ZR2013EEQ015)；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(No.20133718120013)；山东科技大学杰出青年科技人才支持计划资助(No.2015JQJH105)；山东省重点研发计划项目资助（No.2015GSF120016）；山东科技大学研究生创新基金资助项目(YC150305)。ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51304128,51304237),theNaturalScienceFoundationofShandongProvince(ZR2013EEQ015),theSpecializedResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducation(20133718120013),theOutstandingYoungScientistsofShandongUniversityofScienceandTechnology(2015JQJH105),theKeyProgramofResearchandDevelopmentofShandongProvince(2015GSF120016)andtheShandongUniversityofScienceandTechnologyGraduateGstudentInnovationFund(YC150305).第一作者简介：李文鑫，男，1990年生，硕士研究生，主要从事煤矿通防灾害防治技术方面的研究工作。E-mail:[e-mail]通讯作者：王刚，男，1984年生，副教授，主要从事煤与瓦斯突出机制及瓦斯防治方面的研究工作。E-mail:[e-mail]：10.16285/j.rsm.2016.07.036真三轴气固耦合煤体渗流试验系统的研制及应用李文鑫1，王刚1,2，杜文州1，王鹏飞1，陈金华3，孙文斌1（1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛266590；2.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛266590；3.中煤科工集团重庆研究院瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037）摘要：为了更真实地模拟煤岩在掘进巷道迎头等环境下的应力状态，研究三向应力环境下煤岩的损伤变形及瓦斯渗流情况，自主研发了真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统。该装置主要由真三轴压力室、液压伺服系统、气体渗流系统和监测与控制系统组成，采用的试件尺寸为200mm×100mm×100mm，可施加的最大轴压(1)为70MPa、最大侧压（2）为35MPa、最大侧压（3）为10MPa、最大瓦斯压力为6MPa。该装置具有以下特点：(1)1、2采用刚性压头加载，3采用柔性加载，三向应力分别独立加载；(2)设计了刚柔性压头及传压滑杆，使得1与2方向压头在同时加载过程中互不干扰；(3)通过伺服液压系统控制加载功能，使得装置性能稳定，应力与位移加载精确，易于控制；(4)气体渗流系统采用蜂窝孔对试件进行面通气，确保试件进气端瓦斯压力均匀分布；(5)采用多种高精度传感器进行监测，实时记录煤体所受应力值、变形量及瓦斯渗流量。用两种不同应力路径下的渗流试验对该系统准确性和可靠性进行了验证，结果表明，该装置性能稳定可靠。该装置可用于揭示煤与瓦斯在三向应力条件下的耦合作用机制，为防治瓦斯灾害及研究瓦斯抽采提供了可靠的试验基础。关键词：采矿工程；气-固耦合；真三轴；三向应力；瓦斯渗流中图分类号：P618.11；O241文献标识码：A文章编号：1000－7598(2016)07－2109－10Developmentandapplicationofatruetriaxialgas-solidcouplingtestingsystemforcoalseepageLIWen-xin1，WANGGang1,2，DUWen-zhou1，WANGPeng-fei1，CHENJin-hua3，SUNWen-bin1（1.CollegeofMiningandSafetyEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266590,China;2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforMineDisasterPreventionandControl,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266590,China;3.NationalKeyLaboratoryofGasDisasterDetecting,PreventingandEmergencyControlling,ChongqingResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorporation,Chongqing400037,China）Abstract:Torealisticallysimulatestressstatesofcoalintunnelinglanewayfrontalandotherstressenvironments,atruetriaxialgas-solidcouplingtestingsystemisdevelopedtoexaminethedamagedeformationandgasseepageofcoalunderthree-dimensional(3D)stresscondition.Thedeviceiscomposedofatruetriaxialpressurechamber,servo-hydraulicsystem,gasseepagesystem,andmonitoringandcontrolsystem.Thesuitablesizeofaspecimenfortheequipmentis200mm×100mm×100mm.Themaximumpressuresoftheaxialcompression(1),theprincipallateraldirection(2),andthesecondarylateraldirection(3),andgasare70,35,10and6MPa,respectively.Thecharacteristicsofthedeviceareshownasfollows:theaxialpressure(1)andtheprincipallateralpressure(2)areloadedbyrigidheadloadingmethods,andthesecondarylateralpressure(3)isappliedbyflexibleloading.The3Dstressesareappliedindependently.Toensuretheheadsatσ1andthe2directionswithoutdisturbingbyeachotheratthesameloadingtime,therigid-flexibleheadandpressuretransmissionslideraredesigned.Theloadingcontrolfunctionsoftheservo-hydraulicsystemaremorelikelytobestableandreliable,andthestressanddisplacementloadingcanbecontrolledaccurately.Honeycombholesareusedforventilationofspecimensurfaceinthegasseepagesystemtoensuretheuniformdistributionofgaspressureattheinletofthespecimen.Avarietyofhigh-precisionsensorsareusedtomonitorandrecordthestress,thedeformationandthegas2110岩土力学2016年seepagedischargeofcoalinreal-time.Seepageexperimentsintwodifferentloadingpathsareperformedtoverifytheaccuracyandreliabilityoftheexperimentsystemwhichperformswell.Thedevicecanbeusedtorevealthecouplingmechanismofcoalandgasunder3Dstressconditions,andtoprovideareliableexperimentalbasisforpreventionandcontrolofgasdisasterandinvestigationsongasextraction.Keywords:miningengineering;gas-solidcoupling;truetriaxial;three-dimensionalstress;gasseepage1引言煤矿开采过程中，破坏了原有应力场的平衡状态，使得地应力的分布情况更加复杂，同时也打破了煤层中赋存瓦斯的平衡状态。而围岩应力重新分布的过程以及煤体中的瓦斯压力的变化会对煤体力学特性和渗透率造成一定的影响，进而可能会引发煤体突然破坏形成冲击地压，以及煤与瓦斯突出或延期突出等现象，给煤炭的安全开采造成灾害事故。因此，有必要研究地应力和瓦斯压力对煤体损伤变形及煤体中瓦斯的渗流特性的影响，进一步构建可以准确描述煤体变形破坏特性的气-固耦合作用机制，揭示瓦斯在煤体中的运移特性。为了研究煤体变形破坏及瓦斯渗透特性，国内外学者研发了相关试验设备并进行了系列研究。在国内，林柏泉等[1]、彭担任[2]通过自制的煤样瓦斯渗透试验装置研究了含瓦斯煤体中围压、孔隙压力以及渗透率与变形值间的关系。谭学术等[3]、程瑞端等[4]、王宏图等[5]利用自制的三轴渗透试验装置，研究了煤样在不同应力状态下、不同电场下的渗透率变化情况；胡耀青等[6]结合自制的煤岩渗透试验机与三轴应力渗透仪，进行了三维应力条件下煤体瓦斯渗透规律的试验研究；许江等[78]、陶云奇等[9]、王维忠等[10]利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置进行试验，试验结果反映了应力、瓦斯压力及温度等对渗透率的耦合作用。魏建平等[1112]、王登科等[13]通过研制的受载含瓦斯煤体渗流特性试验平台，分析了不同含水率、不同环境温度和不同有效应力条件下的煤体渗透特性。聂百胜等[14]研制了真三轴煤体瓦斯渗透率测试系统，得出了煤体渗透率和压力梯度之间的关系；唐巨鹏等[15]运用自制三轴瓦斯渗透仪，通过分析试验数据得到了有效应力与煤层气解吸及渗流特性间的关系；Liu等[16]进行了煤体在真三轴应力下的渗流试验研究，得出应力与煤体渗透率之间的关系；王刚等[17]通过瓦斯渗透仪对瓦斯压力变化过程中煤体渗透率特性变化进行了分析与试验研究。尹立明等[18]研制了岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统，能够揭示三维应力和渗透水压对煤岩渗透特性的影响。尹光志等[19]研制了多功能真三轴流-固耦合试验系统，得到了岩石水力压裂后的裂缝扩展规律与其所受主应力的关系。在国外Sommerton等[20]利用自制的三轴试验机研究了应力对煤体渗透率