田坤云，徐 星，张瑞林
（河南工程学院安全工程学院，河南郑州451191）
摘要：构造煤具有瓦斯含量高、渗透率低等特征，是瓦斯抽采和灾害预防的难点。在采用“二次成型”法制取原煤样试件的基础上使用自行设计的“三轴应力瓦斯渗透性模拟实验装置”通过“应力一渗透性”实验，针对构造煤原煤试件不同瓦斯压力条件下的应力加、卸载过程的瓦斯渗透规律进行了研究。实验结果表明：加载阶段，随着加载应力的增大渗透率降低，初期阶段降幅最为急剧，围压升到3 M Pa时，渗透率均下降近65%；卸载阶段渗透率随着应力的减小而增大，围压完全卸载后渗透率只恢复到初始值的25%；同样的应力条件下，煤基质收缩对构造煤的影响作用大于有效应力的增加，渗透率随着其内部瓦斯压力的降低而增大。实验结果可为构造煤“卸压增透”效果最佳化提供参考，进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。
关键词：构造煤；瓦斯渗透特性；二次成型；原煤样试件
中图分类号：X936doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 06. 003
0 引言
自上世纪70年代起，国内外学者对煤体三轴应力一渗透性规律开展了大量深入的研究工作。Somerton发现相同应力条件下高渗透性煤体的渗透率通常降低一个数量级，而低渗透性煤层则降低两个数量级；Lin-gard发现随着应力的增加煤样的瓦斯透气性显著降低；G．X．Wang认为煤体的渗透性与其力学特征及结果密切相关，煤的渗透性受地应力的影响较大；Steve20u建立了水平渗透率与垂直应力之间的关系。许江等探讨了煤样渗透率与地应力、温度等参数的关系及经验公式；孙培德成功地拟合出煤样渗透率随有效应力和空隙压力之间的关系；石必明等发现型煤加载过程中应力-渗透性符合指数函数规律，卸载过程符合幂函数；尹光志等建立了渗流速度一轴压的全过程方程。大量的研究工作表明煤体的瓦斯渗透性与其承载应力密切相关，揭示了瓦斯渗透率受煤体应力-应变场等多种因素制约的定性及定量变化规律。然而以往研究工作中，针对构造煤承压过程，特别是卸压过程瓦斯渗透性动态变化规律的报道不多，而这一特征是实现构造煤卸压增透的关键；且实验过程采取的煤样多为型煤煤样，但型煤与原煤在结构特征上差异较大，较难准确地反映构造煤承压过程瓦斯渗透性特征。为此，笔者在成功制取构造煤原煤样试件的基础上对其加、卸载过程的瓦斯渗透性进行了深入研究。
1 瓦斯渗透性模拟实验装置设计与改装
实验装置由煤样试件密封系统、应力加载系统、气体接入系统、流量采集系统、负压加载系统、数据自动采集分析系统五部分组成，如图1。试件密封系统主要对煤样试件进行固定密闭；应力加载系统控制煤样试件应力的加卸载；气体接人系统主要供给实验用CH4气体；流量采集系统对瓦斯流量进行采集并根据预定程序计算瓦斯渗透率；负压加载系统主要是给煤样试件加载预定的负压，本实验主要是抽出试件内部裂隙残留的水，从而保证流量采集不受水的影响；自动监测与数据采集分析系统则主要在实验过程中自动采集瓦斯参数。
各部分附件主要参数如下：
① 压：0~ 100 M Pa，精度0.1 M Pa；②围压：0~60M Pa，精度0.1 M Pa；③瓦斯压力：0~10 M Pa，精度0.1M Pa；④质量流量计：0~30 SCCM（标准毫升／分），精度±1. 5%F．S；⑤三轴应力夹持器，规格：Φ50 mm×100 mm。
2 构造煤原煤样制作的二次成型法
煤样试件可分为型煤及原煤，前者通过将煤体磨碎经过压缩而成；后者则是通过取芯直接钻取或用原煤机械加工而成。原生结构煤一般可直接钻取得到，但构造煤松软破碎，直接钻取或机械加工较难成型。因此，对构造煤的研究多采用型煤试件。但型煤与原煤试件在结构特征上差异较大，瓦斯渗流实验中，型煤只能研究大致的变化规律。为了更加精确地研究构造煤的瓦斯渗透规律，使用较能真实地反映煤体特征的原煤试件作为研究对象十分必要。
构造煤原煤试件的制取可采用“二次成型法”：煤矿井下采集形状规则、块度较大的煤块；地面预定规格试件的机械加工。
2.1 井下煤块的采集
用手锯在煤体上切割出一个近似规则的方体，然后用规格为200 mm×200 mm x 200 mm的铁皮方框罩住，煤块及方框之间的缝隙用聚氨酯充填胶接，将煤块方体底部用手锯截断并搬运至地面蜡封，如图2。
2.2构造煤机械加工成型
①在聚氨酯层钻孔，将钢丝锯条穿过钻孔并固定在锯弓上。沿聚氨酯层锯切一周，去除充填的聚氨酯。
②将煤块锯切成长方体(120 mm×120 mm×150mm)，最后磨平两端。
③去除长方体煤块四个楞角，使之成类圆柱形，将类圆柱形试件的凸棱进行打磨使之圆滑。加工两端都开口的不锈钢圆柱体模具（内径为50 mm、高100 mm，如图3），将试件放入模具内。使用硅酮酸性玻璃胶将其补充成Φ50 mm x100 mm标准煤样试件。
④待硅酮酸性玻璃胶凝固后，去掉磨具的顶及底盖，将试件推出磨具。用纱布打磨掉试件残留胶体，标准的原煤试件制作成功，如图4。
3应力加、卸载渗透特性模拟实验
3.1 实验煤样制取
所用煤样采自超化煤矿二，煤层，煤层埋藏深度较大，成煤过程中煤体受到严重的地质构造破坏，煤体松软破碎，为典型的构造煤。制作了两组原煤试件，编号分别为CH1、CH2。试件基本属性见表1。
3.2 实验方案设计
煤矿开采从力学角度而言是煤岩体历经加卸载过程，即在采动扰动下，采煤工作面前方煤岩体静水压力不断升高，随着采煤工作面的推进，相应位置煤岩体的应力不断解除。与此对应，本实验设计的应力加卸载途径为：一定的瓦斯压力条件下，对煤样试件的轴压、围压
等量加载10 M Pa后，保持加载轴压恒定的情况下卸围压，实验方案如表2。
流量计自动采集通过试件的瓦斯流量并自动计算渗透率，渗透率的计算依据如下式：
3.3 实验结果
不同瓦斯压力条件下两组煤样在加卸载条件下的渗透率如表3所示。
根据表3实验结果，两组煤样加卸载过程中渗透率演化与加载围压的关系曲线如图5所示。
4 实验结果分析
由图5可以看出：
1)同样的加载应力条件下，通入构造煤试件的瓦斯压力越大对应的渗透率反而越小，而这一特征与非构造煤相反。
煤体渗透率主要受两方面的影响：①瓦斯解析会成造煤体自身的体积收缩即煤基质收缩，煤基质收缩会造成煤样瓦斯渗透性增大。②瓦斯压力降低会导致煤体内有效应力增大，进而造成其渗透性降低。
围压一定，瓦斯压力减小时，煤基质收缩和有效应力降低同时影响煤样渗透率，且两因素的影响作用相反。若前者的影响作用大于后者，则煤样的渗透率增加，反之渗透率降低。对构造煤样试件而言渗透率出现增大现象，说明前者的影响占据主导地位。而对大部分的非构造煤而言，渗透率会随着内部瓦斯压力的增加而增大。
2)应力加载阶段，两试件渗透率变化曲线较为相似，据渗透率变幅可将加载过程分为三个阶段：加载初期(0～3 M Pa)、中期(3～7 M Pa)及后期(7~10 M Pa)。
加载初期渗透率降低幅度较为急剧，渗透率变化最大。此阶段，与应力未加载时相比，两试件的渗透率分别下降了65. 79%、64. 88%，下降幅度远远大于非构造煤；中期渗透率分别下降了82. 68%、83. 02%；后期渗透率的变化趋于平缓，应力加载至最大值10MPa时，与应力未加载时相比，渗透率分别下降了93. 53%及92. 99%，下降率也要比非构造煤大的多。
3)轴压恒定，围压卸载阶段，两构造煤试件的渗透率变化趋势也较为相似，整体上渗透率随着围压的减小而增大，卸载初期从10 M Pa至7 M Pa过程中，渗透率增幅不大，说明受压缩的构造煤试件内部裂隙在应力卸载后无法得以立即恢复。当围压小于7 M Pa时，试件的渗透率随着围压的卸除而急剧增加，试件内部受压缩的裂隙得到恢复或者产生了新的裂隙。
从两个构造煤样试件的渗透率演化特性可以看出，相应的围压条件下，加载过程的煤样渗透率均要比卸载过程大，这说明围压的卸载过程并非是加载过程的简单逆过程。这是因为在围压加载过程中煤样内部的裂隙发生了永久性损伤，这些损伤在围压卸载过程中并不能
完全恢复，当围压卸压至0 M Pa时，两试件的渗透率只恢复到初始值的25. 85%、24. 98%，比非构造煤要小的多，可以判断：应力加载过程中构造煤内部裂隙的损伤多为塑性破坏，有别于非构造煤内部裂隙的弹性破坏。
由于轴压的存在，同样的卸载量条件下，围压越小，试件的渗透率恢复的速度也就越快。井下生产过程中，随着采掘的进行，煤体会发生卸压变形，进而煤体的渗透率变大，内部的瓦斯具有了较好的解吸条件，从而使构造煤瓦斯涌出量增大甚至由于瓦斯的瞬间大量解吸
而导致突出发生，这充分解释了构造煤较非构造煤体更易于发生煤与瓦斯突出的原因。
5 结论
1)同样的应力（轴、围压）条件下，由于煤基质收缩对构造煤的影响作用大于有效应力增加，其渗透率随着试件内部瓦斯压力的降低呈增大趋势；而这与非构造煤的渗透特征相反，以往研究成果表明，非结构煤的渗透率随着其内部瓦斯压力的降低而降低。
2)应力加载过程中构造煤与非构造煤的渗透率均随加载应力增大而降低，加载初期变化最为急剧，后期趋于平缓，但是构造煤渗透率初期的降幅要比非构造煤大的多。
3)卸载过程中，构造煤与非构造煤的渗透率均随着加载应力的减小而增大，且增大速度比加载过程中的降低速度明显减缓，说明原生结构煤及构造煤在加载过程中其内部的裂隙均受到了不同程度的损伤，这使得卸载过程中难以恢复。但是当围压完全卸载后．构造煤的渗透率只恢复到初始值得25%，比非构造煤要小的多。据此可以判断：应力加载过程中构造煤内部裂隙的损伤多为塑性破坏，有别于非构造煤内部裂隙的弹性破坏。
