工程科学学报，第37卷，第8期：971975,2015年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.8:971-975,August 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.08.001:http://journals.ustb.edu.cn 低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究 康向涛2》，尹光志2)四，黄滚12》，李星》，尚德磊》，李文璞》 1)重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆4000302)重庆大学资源及环境科学学院，重庆400030 ☒通信作者，E-mail:gyin@cqu.cd.cm 摘要为研究低透气性煤层中瓦斯渗流的各向异性，以同一煤岩平行层理方向和垂直层理方向制取煤样，利用自主研制的 试验装置进行含瓦斯煤三轴伺服渗流试验.结果发现平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样.在峰值破坏前，平行层理 煤样随着轴压增加，渗透率在应力屈服点达到最小值，垂直层理煤样在弹性阶段初始时达到最小值；峰值破坏后，两个方向煤 样的渗透率均呈非线性增长， 关键词煤矿开采：瓦斯：渗流；各向异性；煤层 分类号TD712 Experiment research on gas seepage anisotropy in low-permeability coal KANG Xiang-tao,2,YIN Guang--hi.2回，HUANG Gun',,ⅡXimg》，SHANG De-dei,I Wen-pu》 1)State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamies and Control,Chongqing University,Chongqing 400030,China 2)College of Resources and Environmental Science,Chongqing University,Chongqing 400030,China Corresponding author,E-mail:E-mail:gzyin@equ.edu.cn ABSTRACT To study the anisotropy of gas seepage in coal seams with low permeability,coal samples were prepared respectively in the parallel bedding direction and the vertical stratification direction of the same coal rock.Tri-axial servo seepage tests on gas- contained coal were detected by using a self-developed apparatus.It is found that the permeability of coal samples in the parallel is far greater than that of coal samples in the vertical.With the increase of axial pressure,the permeability of coal samples in the parallel reaches its minimum at the yield point before the peak failure,while the permeability of coal samples in the vertical gets its minimum at the initial period of the elastic stage.The permeability of both the parallel and the vertical nonlinearly increases after the peak fail- ure KEY WORDS coal mining:gas:seepage;anisotropy;coal seams 煤层瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出的有效手段之向异性，瓦斯在煤层中主要沿平行层理方向流动.黄 ,☒，煤体的渗透特性是影响瓦斯抽采效果的关键 学满@针对煤样结构差异性，得出煤样的渗透系数平 因素.原煤形成过程中存在层状结构，属于非均 行层理方向比垂直层理方向约大于一个数量级.邓 匀、不连续和各向异性的多孔介质.同时，瓦斯在煤层 涛四、蒋长宝等四通过室内试验，研究了卸围压条件 中运动除了受煤体结构影响外，还会受地应力同、地 下煤岩体的渗透特性以及瓦斯运移特点.由于我国多 温回、地下水、采动作用等因素的影响，使得煤体 数煤田属于低透气性煤层圆，且煤与瓦斯突出是在煤 中瓦斯渗透特性与运移规律比较复杂。为此，一些学 矿采掘过程中发生的严重灾害，因此，针对低透气性原 者针对煤岩体的透气性及瓦斯运移规律开展了研究. 煤层状结构的特点，开展采动作用下原煤渗透性以及 刘延保等回认为煤样吸附瓦斯产生膨胀变形，引起各 瓦斯运移规律的研究很有必要. 收稿日期：2014-03-23 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2011CB201203):国家自然科学基金资助项目(51174241,51374256,51434003)
工程科学学报，第 37 卷，第 8 期: 971--975，2015 年 8 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 8: 971--975，August 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 08． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究 康向涛1，2) ，尹光志1，2) ，黄 滚1，2) ，李 星2) ，尚德磊2) ，李文璞2) 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 通信作者，E-mail: gzyin@ cqu． edu． cn 摘 要 为研究低透气性煤层中瓦斯渗流的各向异性，以同一煤岩平行层理方向和垂直层理方向制取煤样，利用自主研制的 试验装置进行含瓦斯煤三轴伺服渗流试验． 结果发现平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样． 在峰值破坏前，平行层理 煤样随着轴压增加，渗透率在应力屈服点达到最小值，垂直层理煤样在弹性阶段初始时达到最小值; 峰值破坏后，两个方向煤 样的渗透率均呈非线性增长． 关键词 煤矿开采; 瓦斯; 渗流; 各向异性; 煤层 分类号 TD712 Experiment research on gas seepage anisotropy in low-permeability coal KANG Xiang-tao1，2) ，YIN Guang-zhi1，2) ，HUANG Gun1，2) ，LI Xing2) ，SHANG De-lei2) ，LI Wen-pu2) 1) State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400030，China 2) College of Ｒesources and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400030，China Corresponding author，E-mail: E-mail: gzyin@ cqu． edu． cn ABSTＲACT To study the anisotropy of gas seepage in coal seams with low permeability，coal samples were prepared respectively in the parallel bedding direction and the vertical stratification direction of the same coal rock． Tri-axial servo seepage tests on gascontained coal were detected by using a self-developed apparatus． It is found that the permeability of coal samples in the parallel is far greater than that of coal samples in the vertical． With the increase of axial pressure，the permeability of coal samples in the parallel reaches its minimum at the yield point before the peak failure，while the permeability of coal samples in the vertical gets its minimum at the initial period of the elastic stage． The permeability of both the parallel and the vertical nonlinearly increases after the peak failure． KEY WOＲDS coal mining; gas; seepage; anisotropy; coal seams 收稿日期: 2014--03--23 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( 2011CB201203) ; 国家自然科学基金资助项目( 51174241，51374256，51434003) 煤层瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出的有效手段之 一［1--2］，煤体的渗透特性是影响瓦斯抽采效果的关键 因素［3--4］． 原煤形成过程中存在层状结构，属于非均 匀、不连续和各向异性的多孔介质． 同时，瓦斯在煤层 中运动除了受煤体结构影响外，还会受地应力［5］、地 温［6］、地下水［7--8］、采动作用等因素的影响，使得煤体 中瓦斯渗透特性与运移规律比较复杂． 为此，一些学 者针对煤岩体的透气性及瓦斯运移规律开展了研究． 刘延保等［9］认为煤样吸附瓦斯产生膨胀变形，引起各 向异性，瓦斯在煤层中主要沿平行层理方向流动． 黄 学满［10］针对煤样结构差异性，得出煤样的渗透系数平 行层理方向比垂直层理方向约大于一个数量级． 邓 涛［11］、蒋长宝等［12］通过室内试验，研究了卸围压条件 下煤岩体的渗透特性以及瓦斯运移特点． 由于我国多 数煤田属于低透气性煤层［13］，且煤与瓦斯突出是在煤 矿采掘过程中发生的严重灾害，因此，针对低透气性原 煤层状结构的特点，开展采动作用下原煤渗透性以及 瓦斯运移规律的研究很有必要．
·972· 工程科学学报，第37卷，第8期 环向引伸计： 1试验过程 (2)再将煤样放入三轴压力室内，然后往压力室 1.1煤样的制备 内加油排完空气，继续将围压和轴压施加到设定值； 试验煤样取自松藻煤电集团公司逢春煤矿M8煤 (3)打开气体阀门，往试件中充入气体，保持气体 层，为黑色半亮型无烟煤，呈层状结构，层理构造比较 压力2.5MPa,让煤样充分吸附24h; 明显.现场采取煤块后，室内利用手摇臂式取芯机，采 (4)施加轴压，直至煤样破坏： 用气体排屑法，在同一煤块上分别沿垂直层理方向和 (5)更换煤样，重复上述步骤. 平行层理方向钻取煤样试件，最后磨平两端，加工成 2 试验结果与分析 中50mm×100mm的标准试件.原煤及试件见图1. 2.1煤样各向异性力学特性分析 平行层理煤样和垂直层理煤样的应力一应变曲线 如图3和图4所示.e,、e2和￡，表示平行层理煤样的轴 向应变、横向应变和体积应变，15和e表示垂直层 理煤样的轴向应变、横向应变和体积应变 图1原煤及试件 60r 50 Fig.I Raw coal and specimens 40 1.2试验装置 30 试验设备采用重庆大学自行研制的含瓦斯煤热一 流一固耦合三轴伺服渗流试验装置，如图2，它能够 0 7 -6 54-3-2-101234 进行煤样的全应力一应变瓦斯渗流试验.该装置主要 轴向应变% 由伺服加载系统、孔压控制系统、三轴压力室、温控系 图3两个方向煤样的全应力一应变曲线 统、数据测试系统及辅助系统六个部分组成.其中，轴 Fig.3 Complete stress-strain curves under different directions of 向压头提供轴压，液压油泵提供围压：用引伸计测量试 coal samples 样的轴向和环向变形；瓦斯压力大小由高压瓦斯罐和 6.51一平行层理煤样横向-轴向应变 2 7-6.5 减压阀组合控制，渗透率由气体流量计测量计算：试验 -552 垂直层理煤样横向一轴向应变 -5.5 -4.53 平行层理煤样体积- -4.5 中所有测试数据均由计算机自动采集记录 -3.5 轴向应变 -35 -2.5 4一垂直层理煤样体积 ▣-1.5 轴向应变 -2.5 -1.5 -0.5 -0.5 0.5 0.5 1.5 0.51.01.52.02.53.03.5 轴向应变% 图4两个方向煤样横向应变一轴向应变以及体积应变一轴向应 变试验曲线 Fig.4 Curves of traverse vs.axial strains and volumetric vs.axial strain under different directions of coal samples 从图3和图4可以看出：(1)平行层理煤样的抗压 图2含瓦斯煤热一流-固耦合三轴伺服渗流试验装置 强度和弹性模量均小于垂直层理煤样，平行层理煤样 Fig.2 Triaxial stress thermal-hydro-mechanical coal containing a gas 的抗压强度为48.27MPa,弹性模量为2.249GPa,而垂 permeameter 直层理煤样的抗压强度为56.82MPa,弹性模量为 1.3试验步骤 2.990GPa.垂直层理煤样的抗压强度是平行层理煤样 本次瓦斯渗流试验采用纯度为99.99%的甲烷气 的1.18倍，弹性模量为平行层理煤样的1.33倍.(2) 体，试验中气体压力为2.50MPa,试样围压为6.0MPa. 两个方向煤样的轴向应变、横向应变和体积应变的变 按照0.lmm'min位移速度加轴向荷载，试验数据记 化规律均不同.平行层理煤样的轴向应变大于垂直层 录频次为1次·s‘,试验在常温下进行.具体试验步骤 理煤样，但其横向应变和体积应变则小于垂直层理煤 如下： 样.(3)煤样峰值后的变形破坏曲线也有一些差异 (1)将煤样放在轴向压头下，用热缩管密封，安装 平行层理煤样在峰值应力后其应力一应变曲线变化比
工程科学学报，第 37 卷，第 8 期 1 试验过程 1. 1 煤样的制备 试验煤样取自松藻煤电集团公司逢春煤矿 M8 煤 层，为黑色半亮型无烟煤，呈层状结构，层理构造比较 明显． 现场采取煤块后，室内利用手摇臂式取芯机，采 用气体排屑法，在同一煤块上分别沿垂直层理方向和 平行层理方向钻取煤样试件，最后磨平两端，加工成 50 mm × 100 mm 的标准试件． 原煤及试件见图 1． 图 1 原煤及试件 Fig． 1 Ｒaw coal and specimens 1. 2 试验装置 试验设备采用重庆大学自行研制的含瓦斯煤热-- 流--固耦合三轴伺服渗流试验装置［14］，如图 2，它能够 进行煤样的全应力--应变瓦斯渗流试验． 该装置主要 由伺服加载系统、孔压控制系统、三轴压力室、温控系 统、数据测试系统及辅助系统六个部分组成． 其中，轴 向压头提供轴压，液压油泵提供围压; 用引伸计测量试 样的轴向和环向变形; 瓦斯压力大小由高压瓦斯罐和 减压阀组合控制，渗透率由气体流量计测量计算; 试验 中所有测试数据均由计算机自动采集记录． 图 2 含瓦斯煤热--流--固耦合三轴伺服渗流试验装置 Fig． 2 Triaxial stress thermal-hydro-mechanical coal containing a gas permeameter 1. 3 试验步骤 本次瓦斯渗流试验采用纯度为 99. 99% 的甲烷气 体，试验中气体压力为 2. 50 MPa，试样围压为 6. 0 MPa． 按照 0. 1 mm·min － 1位移速度加轴向荷载，试验数据记 录频次为 1 次·s － 1，试验在常温下进行． 具体试验步骤 如下: ( 1) 将煤样放在轴向压头下，用热缩管密封，安装 环向引伸计; ( 2) 再将煤样放入三轴压力室内，然后往压力室 内加油排完空气，继续将围压和轴压施加到设定值; ( 3) 打开气体阀门，往试件中充入气体，保持气体 压力 2. 5 MPa，让煤样充分吸附 24 h; ( 4) 施加轴压，直至煤样破坏; ( 5) 更换煤样，重复上述步骤． 2 试验结果与分析 2. 1 煤样各向异性力学特性分析 平行层理煤样和垂直层理煤样的应力--应变曲线 如图 3 和图 4 所示． ε1、ε2和 εv表示平行层理煤样的轴 向应变、横向应变和体积应变，ε' 1、ε' 2和 ε' v表示垂直层 理煤样的轴向应变、横向应变和体积应变． 图 3 两个方向煤样的全应力--应变曲线 Fig． 3 Complete stress--strain curves under different directions of coal samples 图 4 两个方向煤样横向应变--轴向应变以及体积应变--轴向应 变试验曲线 Fig． 4 Curves of traverse vs. axial strains and volumetric vs. axial strain under different directions of coal samples 从图3 和图4 可以看出: ( 1) 平行层理煤样的抗压 强度和弹性模量均小于垂直层理煤样，平行层理煤样 的抗压强度为 48. 27 MPa，弹性模量为 2. 249 GPa，而垂 直层理 煤 样 的 抗 压 强 度 为 56. 82 MPa，弹 性 模 量 为 2. 990 GPa． 垂直层理煤样的抗压强度是平行层理煤样 的 1. 18 倍，弹性模量为平行层理煤样的 1. 33 倍． ( 2) 两个方向煤样的轴向应变、横向应变和体积应变的变 化规律均不同． 平行层理煤样的轴向应变大于垂直层 理煤样，但其横向应变和体积应变则小于垂直层理煤 样． ( 3) 煤样峰值后的变形破坏曲线也有一些差异． 平行层理煤样在峰值应力后其应力--应变曲线变化比 · 279 ·
康向涛等：低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究 973 较平缓，垂直层理煤样峰值后应力一应变曲线降低幅 1.087×105Pas;L为试样长度，cm;A为试样横截面 度较大，表明垂直层理煤样的脆性要大于平行层理 面积，cm2:Po为大气压，Pap为瓦斯进口端气压，Pa 煤样。 从加载开始至煤样破坏，两个方向煤样的应力应 2.2从加载到破坏全过程煤样渗透率变化规律 变曲线可分为四个发展阶段7-⑧，即孔隙裂隙压密阶 通常认为试验煤样内的瓦斯流动符合达西定 段（第I阶段）、线弹性阶段（第Ⅱ阶段）、屈服变形到 律5.，其渗透率计算公式为a 峰值强度阶段（第Ⅲ阶段）和应变软化阶段（第Ⅳ阶 2qpuL 段)，见图5所示.煤岩原始的孔隙裂隙，是瓦斯赋存 k=A(p-Po) (1) 与渗流的主要通道，由试验数据得到平行层理煤样初 式中：k为渗透率，mD:q为标准状况下的瓦斯渗流流 始渗透率为0.0148mD,垂直层理煤样初始渗透率为 量，mL·s:μ为瓦斯气体动力黏度，通常取值为 0.0002mD. 50r 60 轴向应力-轴向应变 (间70.12 (b) 70.012 轴向应力-轴向应变 40 0.10 50 0.010 30 0.08 40 0.008 1006年 30 0.006 20 渗透率-轴向应变 0.04 20 渗透率- 0.004 10 轴向应变 0.02 10 0.002 0 0 0.5 1.0 2023038 0.5 1.0 15 2.0 25 轴向应变/% 轴向应变/% 图5两个方向煤样轴向应力一轴向应变与渗透率一轴向应变曲线.()平行层理煤样：(b)垂直层理煤样 Fig.5 Axial stress-strain and permeability-axial strain curves:(a)parallel bedding:(b)vertical bedding 两个方向煤样全应力一应变曲线与渗透率一应变 次较小的下降，而后又开始上升直到峰值应力.与 一 曲线之间的对应关系见图5所示.第I阶段孔隙裂隙 之对应的是在第一次应力下降后其渗透率迅速增加， 压密阶段.随着轴向应力增加，平行层理煤样的初始 在第二次应力下降后渗透率则出现缓慢下降，到峰值 孔隙裂隙逐渐闭合，孔隙率减小，渗透率随之下降，比 时下降到最低值.分析原因：第一次应力下降，是煤样 初始渗透率减小了7.43%：而垂直层理煤样分布在层 内部发生了一定的破坏，产生了新裂隙，使渗透率突然 理内和节理间的孔隙、裂隙压密闭合，基本堵塞了瓦斯 增加：第二次应力下降是对第一次破坏的层理裂隙的 的渗流通道，导致渗透率迅速减小了90.9% 压密，造成了裂隙相对闭合，使渗透率出现下降趋势， 第Ⅱ阶段线弹性变形阶段，两个方向煤样曲线都 但层理已经破坏，瓦斯渗流通道还是增加的，所以煤样 呈线性变化，内部结构处于弹性变形阶段.平行层理 渗透率增加了37.5%. 煤样的孔隙裂隙进一步压密闭合，其渗透率减少了 第Ⅳ阶段应变软化阶段.平行层理煤样应力平缓 70.07%:而垂直层理煤样，初始时层理面间的孔隙裂 下降后趋于稳定，垂直层理煤样应力陡然下降后渐趋 隙在压力作用下进一步闭合，瓦斯渗流通道几乎消失， 稳定.两个方向煤样经历峰值破坏后，失去了原来的 导致渗透率达到最小值0.0001mD,此后其渗透率逐 承载能力，应力迅速下降，宏观裂纹扩展，渗透率都出 步增加，原因为煤样层理间结构面凹凸不平及内部结 现一个陡升变化，平行层理煤样渗透率增加了 构的非均一性，导致层理面受非均布荷载，分布在层理 314.49%,垂直层理煤样增加了466.67%. 面内的孔隙裂隙在非均布压力下张开，为瓦斯渗流提 由以上分析可以看出，两个方向煤样的层理结构 供了有效通道，其渗透率也随轴压增加逐步上升，从而 决定了瓦斯渗透率的差别，平行层理煤样的渗透率远 造成此阶段渗透率出现先减小后增加的趋势，而不同 大于垂直层理煤样. 于平行层理煤样渗透率的变化规律，最后渗透率急剧 2.3轴向应力对煤样渗透率的影响 增加了500%. 三维应力条件下（围压σ2=σ），两个方向煤样渗 第Ⅲ阶段屈服变形到峰值强度阶段，两个方向煤 透率与轴向应力σ，的关系曲线见图6所示.在轴向应 样都处于塑性屈服变形阶段.平行层理煤样随着应力 力小于屈服应力时，平行层理煤样渗透率随着轴压增 增加，屈服变形加剧，在应力屈服点时，渗透率达到最 加呈递减关系，轴压达到屈服应力时渗透率最小，比初 小值0.0041mD.此后新的裂隙渐渐产生，应力到达峰 始渗透率减小了72.3%：当轴向应力超过屈服应力直 值时，宏观裂纹形成，煤样渗透率迅速增加了 至煤样破坏，平行层理煤样渗透率与轴压呈负线性关 376.19%.垂直层理煤样在屈服变形时，轴向应力先 系.垂直层理煤样在加载初始阶段，渗透率与轴压呈 经历一次突然下降，然后又开始上升，在峰值前又经历 线性正相关，在轴压达到屈服应力时渗透率为
康向涛等: 低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究 较平缓，垂直层理煤样峰值后应力--应变曲线降低幅 度较大，表明垂直层理煤样的脆性要大于平行层理 煤样． 2. 2 从加载到破坏全过程煤样渗透率变化规律 通常认为试验煤样内的瓦 斯 流 动 符 合 达 西 定 律［5，15］，其渗透率计算公式为［16］ k = 2qpμL A( p 2 － p 2 0 ) ． ( 1) 式中: k 为渗透率，mD; q 为标准状况下的瓦斯渗流流 量，mL·s － 1 ; μ 为 瓦 斯 气 体 动 力 黏 度，通 常 取 值 为 1. 087 × 10 － 5 Pa·s; L 为试样长度，cm; A 为试样横截面 面积，cm2 ; p0为大气压，Pa; p 为瓦斯进口端气压，Pa． 从加载开始至煤样破坏，两个方向煤样的应力--应 变曲线可分为四个发展阶段［17 － 18］，即孔隙裂隙压密阶 段( 第Ⅰ阶段) 、线弹性阶段( 第Ⅱ阶段) 、屈服变形到 峰值强度阶段( 第Ⅲ阶段) 和应变软化阶段( 第Ⅳ阶 段) ，见图 5 所示． 煤岩原始的孔隙裂隙，是瓦斯赋存 与渗流的主要通道，由试验数据得到平行层理煤样初 始渗透率为 0. 0148 mD，垂直层理煤样初始渗透率为 0. 0002 mD． 图 5 两个方向煤样轴向应力--轴向应变与渗透率--轴向应变曲线 . ( a) 平行层理煤样; ( b) 垂直层理煤样 Fig． 5 Axial stress--strain and permeability--axial strain curves: ( a) parallel bedding; ( b) vertical bedding 两个方向煤样全应力--应变曲线与渗透率--应变 曲线之间的对应关系见图 5 所示． 第 I 阶段孔隙裂隙 压密阶段． 随着轴向应力增加，平行层理煤样的初始 孔隙裂隙逐渐闭合，孔隙率减小，渗透率随之下降，比 初始渗透率减小了 7. 43% ; 而垂直层理煤样分布在层 理内和节理间的孔隙、裂隙压密闭合，基本堵塞了瓦斯 的渗流通道，导致渗透率迅速减小了 90. 9% ． 第Ⅱ阶段线弹性变形阶段，两个方向煤样曲线都 呈线性变化，内部结构处于弹性变形阶段． 平行层理 煤样的孔隙裂隙进一步压密闭合，其渗透率减少了 70. 07% ; 而垂直层理煤样，初始时层理面间的孔隙裂 隙在压力作用下进一步闭合，瓦斯渗流通道几乎消失， 导致渗透率达到最小值 0. 0001 mD，此后其渗透率逐 步增加，原因为煤样层理间结构面凹凸不平及内部结 构的非均一性，导致层理面受非均布荷载，分布在层理 面内的孔隙裂隙在非均布压力下张开，为瓦斯渗流提 供了有效通道，其渗透率也随轴压增加逐步上升，从而 造成此阶段渗透率出现先减小后增加的趋势，而不同 于平行层理煤样渗透率的变化规律，最后渗透率急剧 增加了 500% ． 第Ⅲ阶段屈服变形到峰值强度阶段，两个方向煤 样都处于塑性屈服变形阶段． 平行层理煤样随着应力 增加，屈服变形加剧，在应力屈服点时，渗透率达到最 小值 0. 0041 mD． 此后新的裂隙渐渐产生，应力到达峰 值 时，宏 观 裂 纹 形 成，煤 样 渗 透 率 迅 速 增 加 了 376. 19% ． 垂直层理煤样在屈服变形时，轴向应力先 经历一次突然下降，然后又开始上升，在峰值前又经历 一次较小的下降，而后又开始上升直到峰值应力． 与 之对应的是在第一次应力下降后其渗透率迅速增加， 在第二次应力下降后渗透率则出现缓慢下降，到峰值 时下降到最低值． 分析原因: 第一次应力下降，是煤样 内部发生了一定的破坏，产生了新裂隙，使渗透率突然 增加; 第二次应力下降是对第一次破坏的层理裂隙的 压密，造成了裂隙相对闭合，使渗透率出现下降趋势， 但层理已经破坏，瓦斯渗流通道还是增加的，所以煤样 渗透率增加了 37. 5% ． 第Ⅳ阶段应变软化阶段． 平行层理煤样应力平缓 下降后趋于稳定，垂直层理煤样应力陡然下降后渐趋 稳定． 两个方向煤样经历峰值破坏后，失去了原来的 承载能力，应力迅速下降，宏观裂纹扩展，渗透率都出 现 一 个 陡 升 变 化，平行层理煤样渗透率增加了 314. 49% ，垂直层理煤样增加了 466. 67% ． 由以上分析可以看出，两个方向煤样的层理结构 决定了瓦斯渗透率的差别，平行层理煤样的渗透率远 大于垂直层理煤样． 2. 3 轴向应力对煤样渗透率的影响 三维应力条件下( 围压 σ2 = σ3 ) ，两个方向煤样渗 透率与轴向应力 σ1的关系曲线见图 6 所示． 在轴向应 力小于屈服应力时，平行层理煤样渗透率随着轴压增 加呈递减关系，轴压达到屈服应力时渗透率最小，比初 始渗透率减小了 72. 3% ; 当轴向应力超过屈服应力直 至煤样破坏，平行层理煤样渗透率与轴压呈负线性关 系． 垂直层理煤样在加载初始阶段，渗透率与轴压呈 线 性 正 相 关，在轴压达到屈服应力时渗透率为 · 379 ·
·974· 工程科学学报，第37卷，第8期 0.0011mD,比初始渗透率增加了450%.轴压超过屈 孔隙裂隙，外观通常表现为层理结构、节理割理等弱面 服应力，直至煤样破坏，两个方向煤样渗透率的变化趋 发育.在瓦斯的渗流过程中，孔隙、裂隙、弱面等是瓦斯 势相近，均呈非线性增长.原因是轴向应力超过屈服 流通的主要通道，在节理割理弱面发育的煤层中，随着 应力造成煤样破坏，产生了很多裂纹、裂隙等，使得原 采动的影响，煤体中弱面发育形成裂缝，是瓦斯渗流的 有的层理结构对渗透率影响的效应减弱，甚至消失 新通道.平行层理煤样纵向节理发育，抗压强度低，轴 0.12 70.012 向变形大，而横向变形小，在轴压下裂缝扩展，破裂面呈 0.10 粉碎状.垂直层理煤样横向呈层理结构，在轴压下各层 平行层理方向 0.008 理之间呈一种梁板结构，破坏形态为层理的断裂破坏， 0.06 0.006 参差状断口.断裂缝的扩展造成横向变形大，轴向变形 0.04 垂直层理方向 0.004 0.02 0.002 小，同时断裂缝的出现增大了煤岩破断后的瓦斯流动 0 因此，瓦斯沿层理方向的渗透率相对较大.两个方向煤 10 20 30 40 50 轴向应力/MP 样破坏后形态也有着本质区别，如图9所示 图6 两个方向煤样渗透率一轴向应力曲线 Fig.6 Curves of permeability with axial pressure for different direc- tions of coal samples 2.4煤样变形特征对渗透率的影响 两个方向煤样渗透率与横向应变、体积应变关系 曲线见图7和图8所示.平行层理煤样在屈服点之 前，渗透率随横向应变、体积应变的增加而下降，在屈 服点之后渗透率则快速增加.垂直层理煤样渗透率在 图9平行层理煤样和垂直层理煤样的破坏后形态 弹性变形初始时经短暂的下降后随横向应变和体积应 Fig.9 Failure modes of horizontal bedding and vertical stratification 变的增加而持续增加 coal samples 0.12 0.0129 垂直层理煤样随着轴向应力的持续增加，各层理的 010 平行层理方向 0.010享 非均质性表现出来，造成层理上的弱面发育，微裂纹出 0.08 0008 现，非均布应力的增加使层理产生破断，为瓦斯的渗流 0.06 0.006旦 0.04 垂直层理方向 提供了更大的通道.垂直层理煤样的瓦斯渗流，主要是 0.02 0.002 通过孔隙裂隙和层理内断裂面及层理间弱面缝隙流通， 0 0.5 -1.5 -2.5-3.5-4.5 -5.5 所以瓦斯渗流通道曲折，渗透率较小，但变化量较大，一 横向应变% 旦裂缝面形成新的渗流通道，渗透率急剧增加：而平行 图7两个方向煤样渗透率一横向应变曲线 层理煤样的渗透率主要在孔隙裂隙和层理间的缝隙流 Fig.7 Curves of permeability with transverse strain for different di- 动，瓦斯流通途径较大，渗透率变化稳定.由此，可以基 rections of coal samples 本判别：在煤层屈服变形前，瓦斯主要沿层理方向流动， 012 10.012 屈服变形后，瓦斯沿垂直层理方向流动增大 0.010 3.2煤层瓦斯抽采钻孔布置分析 0.08 平行层理方向 0.008 含瓦斯煤岩地质体具有复杂的非均匀性，在采动的 0.06 垂直层理方向 0.006 影响下，煤岩经历了初始压密阶段、线弹性阶段、屈服变 0.04 0.004 0.02 形到峰值强度阶段及应变软化阶段.因此，在采动影响 0 5 2.5 -1.5 -05 0.5 出 的煤层中，有的地方处于弹性变形区，有的处于屈服变 体积应变烧 形区，有的则处于破坏区等.由于裂隙扩展程度不同， 图8 两个方向煤样渗透率一体积应变曲线 渗透率变化各异.处于弹性变形区的煤岩孔隙裂隙压 Fig.8 Curves of permeability with volumetric strain for different di- 密，裂缝未形成，瓦斯主要沿层理方向运移，渗透率较 rections of coal samples 低.处于屈服变形区和应变软化区的煤层，煤岩裂隙增 加，甚至形成裂缝，则瓦斯沿垂直层理方向的渗透率急 3讨论 剧增加.因此，研究不同区域的渗透率变化规律及瓦斯 3.1煤样瓦斯渗流各向异性分析 渗流各向异性的变化趋势，对瓦斯抽采有效范围的制定 煤层是一种沉积的有机岩，内部存在着大量的原生 和瓦斯抽采参数的优化具有一定意义
工程科学学报，第 37 卷，第 8 期 0. 0011 mD，比初始渗透率增加了 450% ． 轴压超过屈 服应力，直至煤样破坏，两个方向煤样渗透率的变化趋 势相近，均呈非线性增长． 原因是轴向应力超过屈服 应力造成煤样破坏，产生了很多裂纹、裂隙等，使得原 有的层理结构对渗透率影响的效应减弱，甚至消失． 图 6 两个方向煤样渗透率--轴向应力曲线 Fig． 6 Curves of permeability with axial pressure for different directions of coal samples 2. 4 煤样变形特征对渗透率的影响 两个方向煤样渗透率与横向应变、体积应变关系 曲线见图 7 和图 8 所示． 平行层理煤样在屈服点之 前，渗透率随横向应变、体积应变的增加而下降，在屈 服点之后渗透率则快速增加． 垂直层理煤样渗透率在 弹性变形初始时经短暂的下降后随横向应变和体积应 变的增加而持续增加． 图 7 两个方向煤样渗透率--横向应变曲线 Fig． 7 Curves of permeability with transverse strain for different directions of coal samples 图 8 两个方向煤样渗透率--体积应变曲线 Fig． 8 Curves of permeability with volumetric strain for different directions of coal samples 3 讨论 3. 1 煤样瓦斯渗流各向异性分析 煤层是一种沉积的有机岩，内部存在着大量的原生 孔隙裂隙，外观通常表现为层理结构、节理割理等弱面 发育． 在瓦斯的渗流过程中，孔隙、裂隙、弱面等是瓦斯 流通的主要通道，在节理割理弱面发育的煤层中，随着 采动的影响，煤体中弱面发育形成裂缝，是瓦斯渗流的 新通道． 平行层理煤样纵向节理发育，抗压强度低，轴 向变形大，而横向变形小，在轴压下裂缝扩展，破裂面呈 粉碎状． 垂直层理煤样横向呈层理结构，在轴压下各层 理之间呈一种梁板结构，破坏形态为层理的断裂破坏， 参差状断口． 断裂缝的扩展造成横向变形大，轴向变形 小，同时断裂缝的出现增大了煤岩破断后的瓦斯流动． 因此，瓦斯沿层理方向的渗透率相对较大． 两个方向煤 样破坏后形态也有着本质区别，如图 9 所示． 图 9 平行层理煤样和垂直层理煤样的破坏后形态 Fig． 9 Failure modes of horizontal bedding and vertical stratification coal samples 垂直层理煤样随着轴向应力的持续增加，各层理的 非均质性表现出来，造成层理上的弱面发育，微裂纹出 现，非均布应力的增加使层理产生破断，为瓦斯的渗流 提供了更大的通道． 垂直层理煤样的瓦斯渗流，主要是 通过孔隙裂隙和层理内断裂面及层理间弱面缝隙流通， 所以瓦斯渗流通道曲折，渗透率较小，但变化量较大，一 旦裂缝面形成新的渗流通道，渗透率急剧增加; 而平行 层理煤样的渗透率主要在孔隙裂隙和层理间的缝隙流 动，瓦斯流通途径较大，渗透率变化稳定． 由此，可以基 本判别: 在煤层屈服变形前，瓦斯主要沿层理方向流动， 屈服变形后，瓦斯沿垂直层理方向流动增大． 3. 2 煤层瓦斯抽采钻孔布置分析 含瓦斯煤岩地质体具有复杂的非均匀性，在采动的 影响下，煤岩经历了初始压密阶段、线弹性阶段、屈服变 形到峰值强度阶段及应变软化阶段． 因此，在采动影响 的煤层中，有的地方处于弹性变形区，有的处于屈服变 形区，有的则处于破坏区等． 由于裂隙扩展程度不同， 渗透率变化各异． 处于弹性变形区的煤岩孔隙裂隙压 密，裂缝未形成，瓦斯主要沿层理方向运移，渗透率较 低． 处于屈服变形区和应变软化区的煤层，煤岩裂隙增 加，甚至形成裂缝，则瓦斯沿垂直层理方向的渗透率急 剧增加． 因此，研究不同区域的渗透率变化规律及瓦斯 渗流各向异性的变化趋势，对瓦斯抽采有效范围的制定 和瓦斯抽采参数的优化具有一定意义． · 479 ·
康向涛等：低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究 ·975 stress fields.Transp Porous Media,2012,94(1):87 4结论 [9]Liu Y B,Cao S G,Li Y,et al.Experimental study of swelling (1)两个方向煤样的全应力一应变曲线可分为孔 deformation effect of coal induced by gas adsorption.Chin I Rock Mech Eng,2010,29(12):2484 隙裂隙压密阶段、线弹性阶段、屈服变形到峰值强度阶 (刘延保，曹树刚，李勇，等.煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的 段以及应变软化阶段四个阶段.平行层理煤样渗透率 试验研究.岩石力学与工程学报，2010,29(12)：2484) 在屈服点前呈线性减少，垂直层理煤样渗透率则基本 [10]Huang X M.Experimental study on influence of structural anisot- 呈线性增加，屈服点后两个方向煤样的渗透率均呈非 ropy of coal upon gas permeability.Min Saf Environ Prot,2012. 线性增长 39(2):1 (2)平行层理煤样抗压强度低，轴向应变大，横向 (黄学满.煤结构异性对瓦斯渗透特性影响的实验研究.矿 业安全与环保，2012,39(2)：1) 应变小，破裂面呈粉碎状：垂直层理煤样抗压强度高， 01] DengT.Experiment of Coal Containing Gas under the Condition 轴向应变小，横向应变大，破坏面呈参差状断口 of Unloading Confining Pressure Research on Relief Scope of Upper (3)两个方向煤样的瓦斯渗流试验，对瓦斯在煤层 Protectire Seam Mining [Dissertation].Chongqing:Chongqing 中的渗流方向性和瓦斯抽采参数的优化具有一定意义. University,2012 (邓涛.含瓦斯煤岩卸围压实验及上解放层解放范围的研究 参考文献 [学位论文].重庆：重庆大学，2012) 1]Yao W,Jin LZ,Zhang J.Numerical simulation of gas drainage [12]Jiang C B,Yin GZ,Huang Q X,et al.Experiment of deforma- with high position boreholes in goaf.IUnir Sci Technol Beijing, tion property and gas permeation of containing gas coal under 2010,32(12):1521 confining pressure unloading process.China Coal Soc,2011, (姚伟，金龙哲，张君.采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模 36(5):802 拟.北京科技大学学报，2010,32(12)：1521) (蒋长宝，尹光志，黄启翔，等.含瓦斯煤岩卸围压变形特征 2]Ding H C.Jiang ZA,Han Y L.Numerical simulation and appli- 及瓦斯渗流试验.煤炭学报，2011,36(5)：802) cation of boreholes along coal seam for methane drainage.J Unir 03] Wu H J.The Theory and Technology Study on Pressure Relief and Sci Technol Beijing,008,30(11):1205 Permeability Enhancements of the Coal Seam with High Concen- (丁厚成，蒋仲安，韩云龙.顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与 tration of Gas and Low Permeability [Dissertation].Xuzhou: 应用.北京科技大学学报，2008,30(11)：1205) China University of Mining&Technology,2009 B]Ma Z G,Miao XX,Chen Z Q,et al.Experimental study of per- (吴海进.高瓦斯低透气性煤层卸压增透理论与技术研究 meability of broken coal.Rock Soil Mech,2009,30(4):985 [学位论文].徐州：中国矿业大学，2009) (马占国，缪协兴，陈占清，等.破碎煤体渗透特性的试验研 04] Xu J,Peng S J,Yin G Z,et al.Development and application of 究.岩土力学，2009,30(4)：985) triaxial servo-ontrolled seepage equipment for thermofluid-solid 4]Guo D Y,Li P F,Shan Z Y,et al.Drilling parameters of deep- coupling of coal containing methane.Chin Rock Mech Eng, hole cumulative blasting to improve coal seam permeability in gas 2010,29(5):907 drainage.J Univ Sci Technol Beijing,2013,35(1):16 (许江，彭守建，尹光志，等.含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服 (郭德勇，吕鹏飞，单智勇，等.瓦斯抽放煤层增透深孔聚能 渗流装置的研制及应用.岩石力学与工程学报，2010,29 爆破钻孔参数.北京科技大学学报，2013,35(1)：16) (5):907) Yin GZ,Huang Q X,Zhang D M,et al.Test study of gas seep- 05] Wang D K,Wei J P,Yin G Z.Investigation on change rule of age characteristics of gas-bearing coal specimen during process of permeability of coal containing gas under complex stress paths deformation and failure in geostress field.ChinRock Mech Eng, Chin J Rock Mech Eng,2012,31(2):303 2010,29(2):336 (王登科，魏建平，尹光志.复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变 (尹光志，黄启翔，张东明，等.地应力场中含瓦斯煤岩变形 化规律研究.岩石力学与工程学报，2012,31(2)：303) 破坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究.岩石力学与工程学 [16 Scheidegger A E.The physics of flow through porous media.Soil 报，2010,29(2)：336) Sci,1958,86(6):355 6]Xu J.Zhang DD,Peng S J,et al.Experimental research on in- [17]Yin GZ,Jiang C B.Li X Q,et al.An experimental study of gas fluence of temperature on mechanical properties of coal containing permeabilities of outburst and nonoutburst coals under complete methane.Chin J Rock Mech Eng,2011,30(Suppl 1):2730 stress-strain process.Rock Soil Mech,2011,32(6):1613 (许江，张丹丹，彭守建，等温度对含瓦斯煤力学性质影响的试 (尹光志，蒋长宝，李晓泉，等.突出煤和非突出煤全应力一 验研究.岩石力学与工程学报，2011,30（增刊1）：2730) 应变瓦斯渗流试验研究.岩土力学，2011,32(6)：1613) Ma FY,Wang YQ,Wang L,et al.Influence of moisture content [18]Cao S G,Li Y,Guo P,et al.Comparative research on permea- in coal rock on permeability.Lithol Reserv,2013,25(3):97 bility characteristics in complete stressstrain process of bri- (马飞英，王永清，王林，等.煤岩中水分含量对渗透率的影 quettes and coal samples.Chin J Rock Mech Eng,2010.29 响.岩性油气藏，2013,25(3)：97) (5):899 [8]Yin G Z,Jiang C B,Xu J,et al.An experimental study on the (曹树刚，李勇，郭平，等.型煤与原煤全应力一应变过程渗流特 effects of water content on coalbed gas permeability in ground 性对比研究.岩石力学与工程学报，2010,29(5)：899)
康向涛等: 低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究 4 结论 ( 1) 两个方向煤样的全应力--应变曲线可分为孔 隙裂隙压密阶段、线弹性阶段、屈服变形到峰值强度阶 段以及应变软化阶段四个阶段． 平行层理煤样渗透率 在屈服点前呈线性减少，垂直层理煤样渗透率则基本 呈线性增加，屈服点后两个方向煤样的渗透率均呈非 线性增长． ( 2) 平行层理煤样抗压强度低，轴向应变大，横向 应变小，破裂面呈粉碎状; 垂直层理煤样抗压强度高， 轴向应变小，横向应变大，破坏面呈参差状断口． ( 3) 两个方向煤样的瓦斯渗流试验，对瓦斯在煤层 中的渗流方向性和瓦斯抽采参数的优化具有一定意义． 参 考 文 献 ［1］ Yao W，Jin L Z，Zhang J． Numerical simulation of gas drainage with high position boreholes in goaf． J Univ Sci Technol Beijing， 2010，32( 12) : 1521 ( 姚伟，金龙哲，张君． 采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模 拟． 北京科技大学学报，2010，32( 12) : 1521) ［2］ Ding H C，Jiang Z A，Han Y L． Numerical simulation and application of boreholes along coal seam for methane drainage． J Univ Sci Technol Beijing，2008，30( 11) : 1205 ( 丁厚成，蒋仲安，韩云龙． 顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与 应用． 北京科技大学学报，2008，30( 11) : 1205) ［3］ Ma Z G，Miao X X，Chen Z Q，et al． Experimental study of permeability of broken coal． Ｒock Soil Mech，2009，30( 4) : 985 ( 马占国，缪协兴，陈占清，等． 破碎煤体渗透特性的试验研 究． 岩土力学，2009，30( 4) : 985) ［4］ Guo D Y，Lü P F，Shan Z Y，et al． Drilling parameters of deephole cumulative blasting to improve coal seam permeability in gas drainage． J Univ Sci Technol Beijing，2013，35( 1) : 16 ( 郭德勇，吕鹏飞，单智勇，等． 瓦斯抽放煤层增透深孔聚能 爆破钻孔参数． 北京科技大学学报，2013，35( 1) : 16) ［5］ Yin G Z，Huang Q X，Zhang D M，et al． Test study of gas seepage characteristics of gas-bearing coal specimen during process of deformation and failure in geostress field． Chin J Ｒock Mech Eng， 2010，29( 2) : 336 ( 尹光志，黄启翔，张东明，等． 地应力场中含瓦斯煤岩变形 破坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究． 岩石力学与工程学 报，2010，29( 2) : 336) ［6］ Xu J，Zhang D D，Peng S J，et al． Experimental research on influence of temperature on mechanical properties of coal containing methane． Chin J Ｒock Mech Eng，2011，30( Suppl 1) : 2730 ( 许江，张丹丹，彭守建，等． 温度对含瓦斯煤力学性质影响的试 验研究． 岩石力学与工程学报，2011，30( 增刊1) : 2730) ［7］ Ma F Y，Wang Y Q，Wang L，et al． Influence of moisture content in coal rock on permeability． Lithol Ｒeserv，2013，25( 3) : 97 ( 马飞英，王永清，王林，等． 煤岩中水分含量对渗透率的影 响． 岩性油气藏，2013，25( 3) : 97) ［8］ Yin G Z，Jiang C B，Xu J，et al． An experimental study on the effects of water content on coalbed gas permeability in ground stress fields． Transp Porous Media，2012，94( 1) : 87 ［9］ Liu Y B，Cao S G，Li Y，et al． Experimental study of swelling deformation effect of coal induced by gas adsorption． Chin J Ｒock Mech Eng，2010，29( 12) : 2484 ( 刘延保，曹树刚，李勇，等． 煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的 试验研究． 岩石力学与工程学报，2010，29( 12) : 2484) ［10］ Huang X M． Experimental study on influence of structural anisotropy of coal upon gas permeability． Min Saf Environ Prot，2012， 39( 2) : 1 ( 黄学满． 煤结构异性对瓦斯渗透特性影响的实验研究． 矿 业安全与环保，2012，39( 2) : 1) ［11］ Deng T． Experiment of Coal Containing Gas under the Condition of Unloading Confining Pressure Ｒesearch on Ｒelief Scope of Upper Protective Seam Mining ［Dissertation］． Chongqing: Chongqing University，2012 ( 邓涛． 含瓦斯煤岩卸围压实验及上解放层解放范围的研究 ［学位论文］． 重庆: 重庆大学，2012) ［12］ Jiang C B，Yin G Z，Huang Q X，et al． Experiment of deformation property and gas permeation of containing-gas coal under confining pressure unloading process． J China Coal Soc，2011， 36( 5) : 802 ( 蒋长宝，尹光志，黄启翔，等． 含瓦斯煤岩卸围压变形特征 及瓦斯渗流试验． 煤炭学报，2011，36( 5) : 802) ［13］ Wu H J． The Theory and Technology Study on Pressure Ｒelief and Permeability Enhancements of the Coal Seam with High Concentration of Gas and Low Permeability ［Dissertation］． Xuzhou: China University of Mining ＆ Technology，2009 ( 吴海进． 高瓦斯低透气性煤层卸压增透理论与技术研究 ［学位论文］． 徐州: 中国矿业大学，2009) ［14］ Xu J，Peng S J，Yin G Z，et al． Development and application of triaxial servo-controlled seepage equipment for thermofluid--solid coupling of coal containing methane． Chin J Ｒock Mech Eng， 2010，29( 5) : 907 ( 许江，彭守建，尹光志，等． 含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服 渗流装置的研制及应用． 岩石力学与工程学报，2010，29 ( 5) : 907) ［15］ Wang D K，Wei J P，Yin G Z． Investigation on change rule of permeability of coal containing gas under complex stress paths． Chin J Ｒock Mech Eng，2012，31( 2) : 303 ( 王登科，魏建平，尹光志． 复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变 化规律研究． 岩石力学与工程学报，2012，31( 2) : 303) ［16］ Scheidegger A E． The physics of flow through porous media． Soil Sci，1958，86( 6) : 355 ［17］ Yin G Z，Jiang C B，Li X Q，et al． An experimental study of gas permeabilities of outburst and nonoutburst coals under complete stress--strain process． Ｒock Soil Mech，2011，32( 6) : 1613 ( 尹光志，蒋长宝，李晓泉，等． 突出煤和非突出煤全应力-- 应变瓦斯渗流试验研究． 岩土力学，2011，32( 6) : 1613) ［18］ Cao S G，Li Y，Guo P，et al． Comparative research on permeability characteristics in complete stress--strain process of briquettes and coal samples． Chin J Ｒock Mech Eng，2010，29 ( 5) : 899 ( 曹树刚，李勇，郭平，等． 型煤与原煤全应力--应变过程渗流特 性对比研究． 岩石力学与工程学报，2010，29( 5) : 899) · 579 ·
