被保护煤层卸载煤体渗透率影响试验研究

仇海生 杨春丽

（1、煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳110016 2、煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113112）

1 概述

煤岩体渗透率是反应煤岩体瓦斯流动的重要物性参数，也是瓦斯渗流力学的基本参数。煤岩体瓦斯渗透率的研究是瓦斯渗流力学发展的关键技术。煤岩体渗透率随外部岩石应力的变化情况，国内外很多学者对煤体的变形规律、煤样渗透率与围压或空隙压力之间的变化关系、含瓦斯煤的力学性质以及含瓦斯煤的流变特性等进行了相关试验研究，并提出了很多煤岩体渗透率测试和试验的模型。众多的研究工作基于煤岩体加载破坏过程中渗透率的数值变化，而在防治煤与瓦斯突出的保护层开采过程时，被保护煤层的应力会产生卸载，在此过程当中被保护层煤体是在卸载过程中发生的内部损伤、结构破坏，由此应开展卸载方面的试验研究。煤岩体试块在应力加载和载荷卸除时呈现出不一样的力学变化和变现规律，由摩尔- 库伦(Mohr-Coulomb)强度理论，优选与突出煤层保护层开采过程时被保护煤层的煤岩体载荷卸载产生的相似的力学途径开展渗透率的测试试验，试块应力加载、卸除的模型如图1 所示。[1-2]

2 试验仪器及试验参数

煤体渗透率加载、卸载试验采用自主研制的三轴渗流系统（如图2 所示），渗流系统由力学加载模块和流体试验模块共同组成。力学加载模块由耐压80MPa 的压力容器、最大测量值5000kN（（精度≦±1%）的轴向压力加载系统（测定最大变形量达8mm；精度≦±1%）、压力源子系统、最大压力为60MPa 的径向加载系统（测定最大变形量达8mm；精度≦±1%FS）、加载温控子系统（温度控制精度±0.2℃）等系统构成。

图1 煤体应力加载卸载模型

三轴瓦斯渗流试验系统采用稳态法对煤体加载和卸荷渗透率进行试验，系统渗透率的控制方程由数学方程式（1）表示：

式中：k——渗透率，mD；

Q——气体流量，cm3/s；

μ——动力粘度，MPa.s；

L——煤体长度，cm；

A——煤体截面积，cm2；

P1、P2——煤体进口、出口压力，MPa；

P0——大气压，MPa。

图2 自制三轴瓦斯渗流试验系统

3 三轴瓦斯渗流试验方案

煤体渗透率试验采用三轴瓦斯渗流试验渗透率测试系统，试验按步骤流程如下：

3.1 现场采集煤样，根据试验系统制作型煤试块；

3.2 测量型煤试块长度L、直径D、体积V 和截面积A；

3.3 安入制成的型煤试样：将型煤试块四周包裹材质为聚四乙烯的薄膜，包裹好的型煤试块外包橡胶热收缩套，进一步安装压力变形传感器及辅助装置；

3.4 型煤试块抽真空：将型煤试块真空度降低到特定值；

3.5 吸附瓦斯气体压力平衡：对型煤试块充瓦斯气体2.0MPa，充分吸附48h 以保持吸附压力平衡；

3.6 采用三轴瓦斯渗流试样系统，对试样施以5.0MPa、7.0MPa、9.0MPa 的围岩压力，将型煤试块的压力加载到区服点，进行应力加载后的围岩压力逐步卸除下渗透率试验，试验过程中测定型煤试块的渗透率的变化规律。

4 保护煤层开采对被保护煤层渗透率的影响

渗透率试验采用图1 所示的加载、卸载模型进行渗透率试验，对试样数据记录进行整理、分析，得出了分别加载5.0MPa、7.0MPa、9.0MPa 的压力时，型煤试块卸荷应力路径下渗透率数值动态特征，试验结果分析如图3- 图5。

图4 围压7MPa 卸载力学路径下渗透性的变化

图5 围压5MPa 卸载力学路径下渗透性的变化

图3 围压9MPa 卸载力学路径下渗透性的变化

由试验结果的图3、图4、图5 可知，卸载前的加载过程，渗透率随加载应力变化特征与众学者的研究结果统一，型煤试块的渗透率随着应力加载逐渐降低。随着载荷的逐步卸除，类同于给型煤试块施加了轴向拉应力，型煤试块的裂隙空间开始扩大型煤试块的渗透率也逐渐升高。以施加围岩压力7MPa 时的型煤试块为例，初始型煤试块的渗透率为1.713mD；载荷卸载前的围压加载过程中，型煤试块的渗透率逐步减小；围岩压力不断的卸载过程中，渗透率分别为1.234mD、1.247mD、1.337mD、2.189mD。

卸载煤体的渗透率试验充分证明了保护煤层的开采为被保护层提供了应力卸除空间，被保护煤层的煤体内部出现煤体变形、内部损伤、结构破坏，增加了被保护煤层煤体的渗透率，是被保护层煤体能够实现卸压瓦斯抽采、防治煤与瓦斯突出的技术关键。

5 结论

保护煤层的开采为被保护层提供了应力卸除空间，被保护煤层的煤体内部出现煤体变形、内部损伤、结构破坏，增加了被保护煤层煤体的渗透率，为充分研究煤体围岩压力卸除后的影响特征，采用自制的瓦斯三轴渗流试验系统研究了近距离煤层群保护层开采对被保护层卸载煤体渗透率的影响。

5.1 型煤试块加载破坏和围压卸除破坏存在明显差异，卸载前的围岩压力加载过程，型煤试块的渗透率逐步降低。随着载荷的逐步卸除，类同于给型煤试块施加了轴向拉应力，型煤试块的裂隙空间开始扩大型煤试块的渗透率也逐渐升高。以施加围岩压力7MPa 时的型煤试块为例，初始型煤试块的渗透率为1.713mD；载荷卸载前的围压加载过程中，型煤试块的渗透率逐步减小；围岩压力不断的卸载过程中，渗透率分别为1.234mD、1.247mD、1.337mD、2.189mD。

5.2 卸载煤体的渗透率试验充分证明了保护煤层的开采为被保护层提供了应力卸除空间，被保护煤层的煤体内部出现煤体变形、内部损伤、结构破坏，增加了被保护煤层煤体的渗透率，是被保护层煤体能够实现卸压瓦斯抽采、防治煤与瓦斯突出的技术关键。