某高瓦斯矿煤岩渗透特性的实验研究

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1、某高瓦斯矿煤岩渗透特性的实验研究1)基金项目：国家自然科学基金（，）；陕西省教育厅专项科研基金(08JK366)2)作者简介：张天军（1971-），男，陕西西安人，副教授，主要从事力学与安全交叉学科的教学与科研工作。Tel:,E-mail:tianjun_zhang@126.com张天军*2)李树刚**陈占清***任树鑫**(西安科技大学理学院，西安)**(西安科技大学能源学院，西安)***(中国矿业大学理学院，徐州)摘要：从某高瓦斯矿采集煤样，通过扫描电镜对其微结构和孔隙裂隙特征进行了观测。利用

2、电液伺服岩石力学试验系统以数控瞬态渗透法进行了标准煤样全应力应变过程的电液伺服试验。根据实验结果计算出了煤样破坏过程中不同应变下的Darcy流渗透率、非Darcy流渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，给出了主应力差、煤样渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数与轴向应变关系曲线，研究表明：该矿煤样结构均一，具有壳状断面和放射性细纹，有时可见稀疏裂隙；在煤样破坏过程中，由于围压的作用，全应力应变过程中煤样的渗透率随着应变的增大而发生变化；非Darcy流β因子和加速度系数趋势相同。关键词：煤，全

3、应力应变，非Darcy流，渗透特性引言开采扰动下，矿山压力的变化引起煤岩体产生变形，煤层的渗透性随之产生变化。尽管煤样的渗透特性与煤层的渗透特性存在显著的差异，煤样的渗透试验仍是获取煤层渗透特性的重要手段[1-6]。孙明贵等对石灰岩标准试样由孔隙压力差单一时间序列提取了非Darcy流渗透特性参数(渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数)[1]。由于煤的承载能力较低，渗透试验中试样的密封比较困难，因此其渗透特性试验结果尚不多见。本文从铜川矿务局崔家沟矿开采工作面采集煤块，通过扫描电镜对其微结构和孔

4、隙裂隙特征进行了观测，并制作出4块标准试样进行全应力应变过程中的Darcy流和非Darcy流渗透特性研究。1煤样的微结构和孔隙裂隙特征煤岩体在成煤过程中，镜质组分中的植物组织被破坏分解，气体和液体排出时，形成0.1mm以下的微小气孔，另外，煤块中丝质体的胞腔有的未被充填，构成了以0.1-1mm为主的孔隙。由于地质构造和人为采动影响，煤层中形成了十分发育的节理、裂隙系统，在强烈的破坏作用下，有些煤层中的节理已经失去意义，成为粒状或土状的构造，其孔隙（多为大孔、中孔）特别发育。图1为崔家沟矿7号煤样1

5、000倍扫描电镜显微观测图，其中（a）为垂直层理方向扫描，（b）为沿层理方向扫描。对多组煤样的显微观察分析表明崔家沟矿7号煤（图1）结构均一，具有壳状断面和放射性细纹，有时可见稀疏裂隙。(a)(b)图1煤样中的微孔隙和微裂隙2煤样渗透试验及其结果2.1煤样的试验原理煤样瞬态渗透性试验在MTS815.02型岩石力学实验系统上进行，该系统具有孔隙水压（PoreWaterPressure）和水渗透（WaterPermeability）功能。渗透试验中将饱和含水的试样用聚四氟乙烯热缩塑料套（QB/T363

6、2-1999）致密牢固热封，保证流体介质不能从防护套和试件间隙渗漏，置于试验机三轴缸内进行加压试验，先施加一定的轴压p1，侧压p2及孔压p3（p3

7、1）式中为渗流液体的压缩系数；为渗流液体的动力黏度，为水箱的体积；为试样的横截面积；h为试样高度；为采样的终了时刻；为试样两端的孔隙压力差。煤样在渗流过程满足Forcheimer关系（2）式中V为渗流速度，x为压力梯度，r为渗流液体的质量密度，b为非Darcy流b因子，为加速度系数。对于按等间隔t采集的孔隙压差时间序列，可以算出压力梯度序列、渗流速度V及其变化率的时间序列分别为[1]：。（3）（4）(5）由式(2)构造泛函(6）由泛函的极值条件：（7）：（8）：(9）可以解出，和。2.2试验结果及

8、分析表1为试件规格、试验条件及测试结果，图2-图5为四个煤样的Darcy流渗透率、非Darcy流渗透率和主应力差随轴向应变的变化的关系曲线。图6和图9为四个煤样的非Darcy流β因子和加速度系数与轴向应变关系曲线。表1试件规格、试验条件及结果煤样编号试件尺寸d´h/mm´mm侧压MPa孔隙压力MPa渗透压差MPa峰值应力MPa峰值应变e/mm/mm渗透率变化/10-6DC149.2´100.4431.565.50.02490.21-129C249.5´92.1431.528.40.