庄小威 ，唐 朝 ，武海涛

（1.山西潞安集团 余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046100；2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125105）

随着煤层开采深度不断增加，煤层瓦斯的渗透特性不仅与所处应力状态有关，而且还受煤岩体本身含水情况影响[1]。对于富水煤层、顶板淋水的高瓦斯煤层、需要注水降低冲击倾向性的煤层以及采用水力增透技术促抽瓦斯的煤层，煤层含水率必然较高，影响煤层瓦斯抽采效率。因此，探究煤岩水分和地应力综合影响下的瓦斯渗流特征对含水煤层瓦斯抽采有着重要的工程意义。

在煤岩渗透特性方面，国内外学者进行了大量实验研究。李波波等[2]针对煤岩渗透率的问题，采用降低孔隙压力、升高温度的方法进行实验室实验，得到不同孔隙压力下煤岩渗透率随温度先降低后升高的特点；潘一山等[3]通过电荷信号传输系统，证明了围压卸荷过程煤岩瓦斯渗流特性、电荷感应规律与煤岩的内部损伤演化过程密切相关；尹光志等[4]以型煤为研究对象，讨论了地应力对突出煤瓦斯渗透率的影响。此外，在应力-应变方面，曹树刚等[5]通过室内三轴压缩渗流试验，进行了型煤和原煤在全应力-应变过程中的渗透特性对比研究；尹光志等[6]研究了全应力-应变过程中煤岩的瓦斯渗透特性，指出煤岩内部孔隙裂隙结构的发育程度直接决定着煤岩内的瓦斯流动特性变化；黄启翔[7]以型煤为对象，研究了瓦斯压力对煤岩材料全应力-应变过程中瓦斯渗透特性的影响，在一定的瓦斯压力范围内，增加瓦斯压力可增大煤样的渗透率；秦庆词等[8]对岩石全应力-应变过程损伤特征进行研究，从理论上确定了岩石残余强度点应变约为峰值应变的4 倍，即当轴向应变大于等于4 倍的峰值应变时，岩石承载能力将趋于稳定。

目前，针对不同含水煤岩瓦斯渗透特性[9-11]、不同应力-应变状态煤岩瓦斯渗透特性[12-14]的研究成果丰富，但有关水分对煤岩的全应力-应变渗流特征影响研究成果较少。因此，为了探究水分对煤力学性质和渗流特征的影响，采用干燥煤样和饱水煤样开展了全应力-应变渗流实验，分析了2种含水状态煤样全应力-应变特征及渗透率演化规律；研究成果对含水煤层瓦斯抽采有一定的指导意义。

1 实验方案

1.1 实验煤样

1）煤样基础参数。实验煤样采自山西潞安集团余吾煤业有限责任公司3#煤层，实测煤样水分为1.13%，灰分6.61%，挥发分为12.59%。

2）煤样制备。实验煤样为原煤煤样，具体制作方法如下：利用HZ-15 钻孔取心机，将现场取来的原始煤块沿垂直层理方向钻取直径约为50 mm的煤心，然后用切割机将取出的煤心切割成φ50 mm×100 mm 的标准煤样，最后用端磨机和砂纸将煤样两端面打磨平整。

对制取的标准煤样进行不同含水条件处理：①将煤样1 置于烘干箱中，在105 ℃温度下烘干12 h 以上制成干燥煤样待用；②将煤样2 采用真空饱水装置将煤样制成饱水煤样待用。

1.2 实验设备

实验采用辽宁工程技术大学三轴渗流实验系统。实验系统主要由轴向应力加载系统、三轴压力室、伺服液压控制系统、气体监测系统及应变监测系统组成。轴向应力加载系统通过万能试验机对试样进行加载；三轴压力室内稳定的围压由伺服液压控制系统提供；气体压力和流量通过气体压力表和气体流量计获得；煤样应变通过应变监测系统实时获取。应变监测系统主要由反光镜面、图测橡胶、高精度摄像机以及图像分析软件构成，原理为光学图像监测，以图测橡胶膜上白色监测区域变化来推算煤样轴向变形量。三轴渗流装置及万能试验机如图1，试件轴向应变监测如图2。

图1 三轴渗流装置及万能试验机Fig.1 Three-axial seepage device and universal test machine

图2 试件轴向应变监测Fig.2 Coal sample axial strain monitoring

1.3 实验步骤

煤层瓦斯主要成分为CH4，通常还包括CO2、H2S、N2以及H2O[15]。实验采用在较低压力下与CH4吸附特性、渗流特性相似的CO2气体，来模拟水分对煤全应力-应变过程瓦斯渗流特征的影响。实验气体压力为1 MPa，实验温度为30 ℃。具体实验步骤如下：

1）试样准备。用游标卡尺测量煤样直径和高度，并迅速称量煤样质量。

2）安装试件。用专用橡胶膜包裹煤样后，再套上1 层图测橡胶膜；将包裹好的煤样安装到压杆与底座之间，并用箍筋箍紧上下两端，再按照顺序依次连接各气体管路及系统；最后密封腔体并检查装置气密性（后2 个煤样为镜像，监测试件背面的应变量）。

3）初始条件设定。将腔体内注满水后，用伺服液压控制系统向密封室中施加一定围压，将密封室中空气排空；设置实验温度为30 ℃，以0.5 MPa为梯度对煤样交替施加轴压和围压至5 MPa。

4）吸附平衡。达到实验温度后，持续通入1 MPa气压稳定的CO2气体，使煤样充分吸附24 h。

5）加载实验。煤样充分吸附CO2后打开出气阀，释放30 min 的气体，待出口端气体流量稳定后，开始加载轴向应力。轴向应力采用位移控制，加载速率0.1 mm/min，直至煤样完全破坏。

6）含水率测试。饱水煤样实验结束后，迅速取出进行称重，再将称重后的煤样放入烘干箱在105 ℃温度下烘干12 h 以上，直至1 h 内试件质量变化小于0.005 g，取出煤样再次迅速称重，烘干前后煤样质量差为水分质量，水分质量与烘干前煤样质量百分比即为煤样含水率，实测饱水煤样含水率为2.45%。

7）重复试验。更换试件为干燥煤样，重复以上步骤1）～步骤5）。

1.4 渗透率计算方法

依据达西定律可计算煤样的渗透率，具体计算公式为[9,16]：

式中：K为煤样实测渗透率，m2；Q0为气体流量，m3/s；p0为测量点的大气压力，MPa；μ为气体动力黏性，MPa∙s；L为试样长度，m；A为试样横截面积，m2；p1为进口的气体压力，MPa；p2为出口的气体压力，MPa。

2 实验结果

2.1 煤样全应力-应变特征

干燥煤样和饱水煤样全应力-应变曲线及阶段划分如图3。

图3 干燥煤样和饱水煤样全应力-应变曲线及阶段划分Fig.3 Total stress-strain curves and stage division of dry coal sample and saturated coal sample

从图3 可以看出，干燥煤样全应力-应变曲线具有非线性压密阶段、线弹性变形阶段、应变强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段5 个阶段[5,17]。在非线性压密阶段，由于是采用位移加载的方式，轴向应变逐渐增大，煤样初始缺陷逐渐闭合，孔隙率降低，煤样轴向应力随时间基本不变；在线弹性压密阶段，煤基质产生压缩变形，轴向应力和轴向应变呈线性关系；在应变强化阶段，轴向应力进一步加大使煤样内部发生了损伤，并产生越来越多的微裂纹[5]；在应力跌落阶段，煤样经历峰值应力破坏，其损伤由连续性损伤发展为局部性损伤[5]，轴向应力急剧下降；在应变软化阶段，由于裂隙进一步发育，轴向应力缓慢下降，轴向应变持续增大。

从图3 还可以看出，饱水煤样的全应力-应变曲线仅具有非线性压密阶段、线弹性变形阶段、应变强化阶段和应力跌落阶段4 个阶段，应变软化阶段消失。

煤样全应力-应变曲线可以很好地表现煤样从受力到破坏的全过程，煤样力学参数见表1。

表1 煤样力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal samples

由表1 可知：干燥煤样抗压强度为9.50 MPa，弹性模量为2.46 GPa，峰值应力为34.49 MPa，应力跌落后应力为25.54 MPa；饱水煤样抗压强度为8.65 MPa，弹 性 模 量 为2.25 GPa，峰 值 应 力 为34.42 MPa，应力跌落后应力为19.85 MPa。对比而言，饱水煤样弹性模量和峰值应力有所下降，其中，抗压强度下降了8.95%，弹性模量降低了8.54%，峰值应力降低了8.90%，这表明了水分对煤体力学性质的弱化作用[16]。

在应力跌落阶段，煤样处于应力极限平衡失稳的状态，煤样损伤发展为局部性损伤，应力在短时间内大幅度跌落。定义煤样应力跌落阶段下降的应力占峰值应力的百分比为应力跌落幅度。由表1 计算得出，干燥煤样和饱水煤样的应力跌落幅度分别为25.95%和36.82%。显然，饱水煤样应力跌落幅度更大，比干燥煤样应力跌落幅度大10.87%。这是由于水分对煤的软化作用使煤样塑性增强、力学强度降低[18-19]；同时，水分的存在会还使气体运移的通道堵塞，造成局部区域瓦斯压力上升，促进气体压力对煤体结构的损伤，表现出应力跌落幅度增大。

2.2 煤样渗透率与轴向应力关系

2 种煤样渗透率与轴向应力的关系如图4。

图4 2 种煤样渗透率与轴向应力的关系Fig.4 Relationship between permeability and axial stress of two types of coal samples

从图4 可以看出：

1）在峰值应力前，干燥煤样渗透率随轴向应力增大缓慢增大，渗透率从1.05×10-17m2增大到1.08×10-17m2，增长了2.86%。而饱水煤样在达到峰值应力前渗透率基本不变。

2）轴向应力达到峰值应力后，煤样发生破坏，干燥煤样轴向应力开始下降并逐渐趋于平稳，渗透率仍处于增大趋势；饱水煤样渗透率在峰值应力处急剧增大，从0.45×10-18m2增大到2.90×10-18m2，渗透率增加了5.44 倍。峰值应力后，由于煤样局部损伤严重，位移加载下的轴向应力急剧下降，直至煤样完全破坏。

2.3 煤样渗透率与轴向应变的关系

2 种煤样渗透率与轴向应变的关系如图5。

图5 2 种煤样渗透率与轴向应变的关系Fig.5 Relationship between permeability and axial strain of two types of coal samples

从图5 可以看出：

1）干燥煤样渗透率随轴向应变增大而增大，整体呈线性关系；干燥煤样随着轴向应变增大，渗透率增长缓慢，从初始渗透率1.05×10-17m2增大到1.20×10-17m2，渗透率增长了14.3%。

2）饱水煤样渗透率和轴向应变的关系有明显的阶段性，可分为稳定渗流和快速渗流2 个阶段。①稳定渗流阶段：当煤样轴向应变小于1.4%时，其渗透率基本保持为初始渗透0.45×10-18m2不变；②快速渗流阶段：当煤样轴向应变大于1.4%时，煤样达到峰值强度发生破坏，渗透率由0.45×10-18m2急剧增大至3.9×10-18m2，较初始渗透率增加了7.67 倍。

从图5 还可以发现，干燥煤样初始渗透率为1.05×10-17m2，饱水煤样初始渗透率为0.45×10-18m2，干燥煤样初始渗透率比饱水煤样初始渗透率更大，是饱水煤样的23.33 倍。在煤样达到峰值应力前，干燥煤样的渗透率始终比饱水煤样的渗透率大，水分的存在使煤样渗透率显著降低。这是因为水分子是极性分子，并且煤基质主要成分也是极性分子，故煤样表现出很强的亲水性。随煤样含水率的增加，水分优先吸附在煤基质表面导致气体吸附位减少并占据渗流通道[20]，故气体渗透率随含水率增大呈减小趋势。此外，水分具有湿润性，吸附性气体的黏滞阻力性会随着水分含量的不同而发生变化。吸附水分过程中煤样的吸附特性会发生改变，吸附特性从单层吸附变成多层吸附[21-22]，最终产生毛细凝聚作用，并占据瓦斯渗流的通道，降低了煤岩的有效孔隙率，最终导致煤岩渗透率随着含水率的增大而减小。

3 讨 论

综上所述，水分对煤力学性质和渗流特征都会产生较大影响。2 种煤样应力-应变各阶段的渗透率见表2。其中，线弹性压密阶段与应变强化阶段的分界点在斜率变化20%处，应变强化阶段与应力跌落阶段分界点在峰值应力处，应力跌落阶段与应变软化阶段分界点在最大斜率变化80%处。

表2 2 种煤样应力-应变各阶段的渗透率Table 2 Permeability at each stage of stress-strain for two coal samples

由表2 可知，煤样力学特性受水分影响，饱水煤样各阶段对应轴向应力比干燥煤样各阶段对应轴向应力低8.9%～20.4%，且应变软化阶段消失。对比各阶段轴向应变和渗透率可以发现，饱水煤样各阶段轴向应变比干燥煤样各阶段轴向应变低5.5%～29.4%；饱水煤样各阶段渗透率比干燥煤样各阶段渗透率低79.3%～95.2%。全应力-应变各个阶段饱水煤样渗透率都远低于干燥煤样，在应力跌落阶段末段饱水煤样渗透率仍低于干燥煤样79.3%。因此，水分的存在不仅使煤样力学性能降低，还会导致煤样初始渗透率及煤样全应力-应变过程渗透率降低。

对于高瓦斯低渗透煤层而言，现场通常采用开采保护层、水力压裂、水力割缝、水力冲孔、CO2相变预裂及高压空气爆破致裂等方式增强煤层透气性，以提高煤层瓦斯抽采效率。采用水力压裂、水力割缝及水力冲孔等水力化措施增强煤层透气性必然导致煤层含水率增大，通常处于饱水状态，这种情况下，水分的大量存在抑制瓦斯流动，实际降低了煤层增透效果。因此，需要及时对水力压裂、水力割缝及水力冲孔等水力化增透措施过程中产生的水进行疏排。此外，当煤层初始含水率较高时，无论是否采用水力化增透措施，加强煤层排水也有利于提高煤层透气性。

4 结 语

1）干燥煤样和饱水煤样具有不同的全应力-应变特征。干燥煤样全应力-应变曲线具有非线性压密阶段、线弹性变形阶段、应变强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段5 个阶段；而饱水煤样全应力-应变曲线仅具有4 个阶段，全应力-应变曲线中应变软化阶段消失。

2）水分对煤体力学特性有一定的弱化作用。饱水煤样与干燥煤样相比，抗压强度下降了8.95%，弹性模量降低了8.54%，峰值应力降低了8.90%，应力跌落幅度增大了10.87%。

3）干燥煤样渗透率随应变增大而增大，整体呈线性关系；饱水煤样渗透率和应变的关系有明显的阶段性，可分为稳定渗流阶段和快速渗流阶段。

4）为提高煤层增透效果，应加强疏排水力增透措施产生的水；当煤层初始含水率较高时，无论是否采用水力化增透措施，加强煤层排水也有利于提高煤层透气性。