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 ·