·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 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 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 di￾rections 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 di￾rections 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 ·