一种振动卸荷条件下含瓦斯煤岩渗透规律试验研究方法与流程

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种振动卸荷条件下含瓦斯煤岩渗透规律试验研究方法。

背景技术：

深部煤炭资源地质环境复杂，煤层渗透性低，地应力、瓦斯压力巨大，在进行煤炭资源开采时容易造成瓦斯动力事故的发生。未经开采的原始煤岩在地应力、构造应力的作用下处于应力平衡状态，开采等工程扰动作用导致煤岩体所受荷载在时间与空间上发生变化，煤岩体内部应力重新分布，产生不可恢复的新生裂纹并持续扩展，最终形成贯通裂隙使整体失去完整性，在宏观上表现为变形、破坏、失稳等现象；开采扰动同时使煤岩体的渗透特性也随之发生变化，煤岩体渗透特性直接影响着瓦斯的运移和积累，导致局部区域瓦斯压力的变化，煤岩体强度也随之发生变化。以上过程呈现出煤岩体应力场-渗流场耦合作用特征。在考虑开采扰动对煤岩体渗透特性影响的研究中，多数假定煤岩体处于单轴或三轴的应力应变环境，以卸径向载荷为试验条件。蒋长宝等运用自制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置，进行了含瓦斯煤岩卸径向载荷瓦斯渗流试验，研究其卸径向载荷过程中的变形和瓦斯渗流特性。尹光志等利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”，进行不同初始径向载荷和不同瓦斯压力组合条件下，不同卸径向载荷速度对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究。黄启翔等应用mts815力学试验机，对典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿突出煤层原煤制备的型煤试件分别进行型位移控制与力控制卸径向载荷试验研究。孙光中等针对含瓦斯煤轴向载荷恒定卸径向载荷渗透性演化规律，以新登煤业原煤样为研究对象，利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴应力蠕变渗流试验装置，开展不同径向载荷下轴向应力恒定卸径向载荷渗流测试试验。

以上关于煤岩体渗透特性的研究中，并没有考虑动静荷载组合作用对煤岩体渗透特性的影响。而在真实的开采环境下，煤岩不仅受到内部静荷载的影响，还要受到如顶板断裂等动荷载的影响，以及爆破、采掘机采掘作业等工程扰动类动荷载的影响。采掘机等振动作业作用于煤体后，将增加煤岩体应力，改变煤岩体应力状态，主要是改变了煤体骨架的受力状态，原因是振动产生衰减的应力波能够加快瓦斯分子的无规则运动，并且对煤体骨架产生直接的挤压作用，进而产生了孔隙压缩应变、吸附膨胀应变、挤压应变。在现有的研究中，大多研究了动静组合加载下煤岩体宏观的力学特性，对于动静组合加载下含瓦斯煤岩渗透特性还鲜有研究。以上关于开采扰动对煤岩体渗透特性影响的研究中，也没有考虑开采方式的影响。事实上，在不同开采方式下，工作面前方煤岩体经历了从原岩应力、轴向应力升高而径向载荷递减到破坏卸荷的完整采动力学过程。不同的开采方式对应不同的应力路径，会产生不同的煤岩体应力分布和演化，进而影响裂隙网络的发育和渗透率的改变，单纯的卸径向载荷并不能模拟真实的开采环境。

在现有的研究当中，较少考虑开采方式、工程扰动对煤岩体渗透特性的影响。谢和平等通过分析放顶煤开采、无煤柱开采、保护层开采这三种不同开采方式下工作面支撑压力的分布规律，探索了真实开采条件下含瓦斯煤岩裂隙场、应力场、渗流场的特征差异。在试验方案设计中，利用轴向压力模拟支撑应力，径向载荷的变化模拟水平应力，通过施加不同比值轴向载荷与径向载荷的荷载来模拟三种不同的开采方式。以上研究虽然考虑了不同的开采方式对含瓦斯煤岩渗透特性的影响，但是并没有考虑到振动的影响，并且试验过程复杂。本文在已有研究成果的基础上，提出一种新的含瓦斯煤岩在不同开采方式下渗透试验方法，更能贴近工程实际情况，研究成果能够有效地指导煤与瓦斯共采。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种振动卸荷条件下含瓦斯煤岩渗透规律试验研究方法，可仿真模拟真实的开采情况，为科学分析含瓦斯煤岩渗透特性奠定基础。本发明的技术方案为：

一种振动卸荷条件下含瓦斯煤岩渗透规律试验研究方法，是通过包括三轴压力室、加载装置、数据测量采集装置和注气装置的试验装置实现，所述试验装置还包括扰动装置，所述扰动装置包括扰动杆，所述扰动杆连接激振器；所述研究方法包括以下步骤：

（1）加工煤岩试件，使其高径比为2:1；

（2）将应力应变传感器贴于煤岩试件表面并套上热缩管后放入三轴压力室；

（3）开启注气装置，在三轴压力室中充入瓦斯直至煤岩试件达到吸附平衡，以模拟煤岩试件真实的现场赋存情况；

（4）按设定参数对煤岩试件施加轴向荷载、径向荷载以及轴向扰动，直至试件破坏，监测该过程中的应力应变值和瓦斯流量值，获得不同振动卸荷条件下含瓦斯煤岩渗透规律。

上述方法中，所述扰动杆设置于所述加载装置的上压头中部。

一种振动卸荷条件下含瓦斯煤岩渗透规律试验研究方法，是通过包括三轴压力室、加载装置、数据测量采集装置和注气装置的试验装置实现，所述试验装置还包括扰动装置，所述扰动装置包括扰动杆，所述扰动杆连接激振器；所述研究方法包括以下步骤：

（1）加工煤岩试件，使其高径比为2:1；

（2）将应力应变传感器贴于煤岩试件表面并套上热缩管后放入三轴压力室；

（3）开启注气装置，在三轴压力室中充入瓦斯直至煤岩试件达到吸附平衡；

（4）按设定参数对煤岩试件施加轴向荷载、径向荷载以及轴向扰动；

（5）按照轴向荷载加载速率和径向荷载卸载速率之比为1.5:1对煤岩试件施加加卸载，以模拟煤岩试件的初始扰动阶段；

（6）根据保护层开采、放顶煤开采、无煤柱开采这三种开采方式的应力集中系数范围，分别设定所述三种开采方式的轴向荷载加载速率和径向载荷卸载速率之比，对试件施加加卸载直至试件破坏，监测该过程的应力应变值和瓦斯流量值，获得不同开采方式、不同振动卸荷条件下含瓦斯煤岩渗透规律。

上述方法中，所述扰动杆设置于所述加载装置的上压头中部。

本发明的有益效果在于：本发明可测试扰动荷载前后及其过程中含瓦斯煤岩的渗透规律，更加逼近真实的开采条件，并且使试验操作过程更加方便。此外，本发明还考虑了开采方式对含瓦斯煤岩渗透特性的影响，用轴向加载速率与径向卸载速率的比值来表征保护层开采、放顶煤开采、无煤柱开采这三种不同的开采方式，能够真实地反映不同开采路径下煤岩不同的应力分布以及渗透特性。

附图说明

图1为本发明实施例中采用的试验系统的结构示意图，其中，1-三轴压力室，2-加载装置主油缸，3-油泵，4-瓦斯气瓶，5-扰动杆，6-激振器，7-煤岩试件。

图2为本发明实施例1中组①的应力值/渗透率对应变值的双y-x曲线图。

图3为本发明实施例1中组②的应力值/渗透率对应变值的双y-x曲线图。

图4为本发明实施例1中组③的应力值/渗透率对应变值的双y-x曲线图。

图5为本发明实施例1中组④的应力值/渗透率对应变值的双y-x曲线图。

图6为本发明实施例2中组[1]的应力值/渗透率对应变值的双y-x曲线图。

图7为本发明实施例2中组[2]的应力值/渗透率对应变值的双y-x曲线图。

图8为本发明实施例2中组[3]的应力值/渗透率对应变值的双y-x曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

本发明提供了一种振动卸荷条件下含瓦斯煤岩渗透规律试验研究方法，是在如图1所示的试验装置上实现，所述试验装置包括三轴压力室1、加载装置、数据测量采集装置和注气装置，所述试验装置还包括扰动装置，所述扰动装置包括扰动杆5，所述扰动杆5位于加载装置的上压头中部，所述扰动杆5连接激振器6。轴向载荷和径向载荷由加载装置实施，轴向扰动由扰动装置实施，瓦斯气体由瓦斯气瓶提供，可人为设定不同的瓦斯供气压力，瓦斯流量由设置在瓦斯气体出口管路上的数字式电子气体流量计采集。数据测量采集装置的作用是利用传感器测量与采集试验数据；注气装置的作用是为试验提供瓦斯气体。所述研究方法包括以下步骤：

步骤1：加工煤岩试件，将从山西某矿业公司的煤矿现场取来的原始煤块用粉碎机粉碎，筛选出40-100目的煤粉，与纯净水混合均匀后置于200t的材料试验机上，施加100mpa的成型压力压制成φ50mm×100mm的标准型煤试件，将制作好的型煤试件于80℃烘24h，准备四组共20个煤岩试件，每组5个，组别为①、②、③、④；

步骤2：将应力应变传感器贴于煤岩试件表面并套上热缩管后放入三轴压力室；

步骤3：打开瓦斯气体开启阀门，在三轴压力室中充入瓦斯直至煤岩试件达到吸附平衡，以模拟煤岩试件真实的现场赋存情况；

步骤4：打开瓦斯气体出口阀门，待气体流量计示数稳定后，启动加载程序，以0.001mm/s的加载速率对试件施加轴向荷载以及径向载荷，与此同时开启扰动装置，按照①~④组的振动频率分别为0hz、10hz、20hz、40hz对试件加载轴向扰动，直至试件破坏，每组5个试件分别按照相同的试验条件试验1次，监测该过程中的应力应变值和瓦斯流量值（渗透量），将每组试验获得的5个试验数据去掉失败的试验数据后取平均值，将此平均值视为每组试验的结果数据，应力应变值可由数据测量采集装置直接获取，渗透率可由数据测量与采集装置测出的渗透量以及渗透率计算公式求出，以应变值为横坐标，以应力值、渗透率为纵坐标绘制双y-x曲线，如图2~5所示。由图2~5可知，在加载前期，即应力应变曲线斜率为定值的阶段，煤岩体内裂隙被压密并发生弹性变形，渗透率随时间的增加而减小；在加载中期，即应力应变曲线斜率逐渐减小阶段，煤岩内部初始裂隙继续被压密，渗透率持续减小，不过减小趋势放缓，在加载后期，即应力应变曲线斜率逐渐降低为零的阶段，煤岩内部新生裂纹形成贯通裂隙使整体失去完整性，渗透率持续增加。在加载末期，即应力随着应变的增加逐渐降低的阶段，渗透率增加趋势放缓，径向载荷的存在在一定程度上束缚着煤样的破坏，使煤样的渗透率趋近于一个恒定值。图2~5还显示，在应变值一定的情况下，在振动试验条件下的渗透率大于无振动条件下的渗透率，而且振动频率越高，渗透率越大。其原因是机械振动产生的机械波使气体分子做无规则运动加剧，吸附解吸过程更加剧烈，衰减振动产生的挤压力更是加快了煤岩体内部裂隙的发育，使渗透率演化速度加快。此试验结果说明工程扰动影响着煤岩渗透演化规律。

实施例2

本发明还提供了一种含瓦斯煤岩振动卸荷试验研究方法，也是采用如图1所示的试验装置，所述研究方法包括以下步骤：

步骤1：步骤1：加工煤岩试件，将从山西某矿业公司的煤矿现场取来的原始煤块用粉碎机粉碎，筛选出40-100目的煤粉，与纯净水混合均匀后置于200t的材料试验机上，施加100mpa的成型压力压制成φ50mm×100mm的标准型煤试件，将制作好的型煤试件于80℃烘24h，准备三组共15个煤岩试件，每组5个，组别为[1]、[2]、[3]，分别对应保护层、放顶煤和无煤柱三种开采方式；

步骤2：将应力应变传感器贴于煤岩试件表面并套上热缩管后放入三轴压力室；

步骤3：打开瓦斯气体开启阀门，在三轴压力室中充入瓦斯直至煤岩试件达到吸附平衡，以模拟煤岩试件真实的现场赋存情况；

步骤4：启动扰动装置，按照[1]~[3]组的振动频率均为20hz对试件加载轴向扰动；启动加载装置，以0.001mm/s的加载速率对试件施加轴向载荷与径向载荷直至达到20mpa，以模拟煤岩天然赋存条件下静水压力状态；

步骤5：启动加载装置，按照轴向载荷加载速率为0.0015mm/s，径向载荷卸载速率为0.0010mm/s对试件施加加卸载，直至轴向载荷达到24mpa，径向载荷达到18mpa，以模拟煤岩试件的初始扰动阶段；

步骤6：根据保护层、放顶煤和无煤柱开采方式的实测应力集中系数范围分别为1.4～2.4，1.7～2.7和2.2～3.5，分别设定三种开采方式的轴向载荷加载速率和径向载荷卸载速率之比为：保护层开采2.0（轴向载荷加载速率为0.0015mm/s，径向载荷卸载速率为0.00075mm/s）、放顶煤开采2.5（轴向载荷加载速率为0.0015mm/s，径向载荷卸载速率为0.0006mm/s）、无煤柱开采3.0（轴向载荷加载速率为0.0015mm/s，径向载荷卸载速率为0.0005mm/s），对试件施加加卸载直至试件破坏，每组5个试件分别按照相同的试验条件试验1次，监测该过程的应力应变值和瓦斯流量值，将每组试验获得的5个试验数据去掉失败的试验数据后取平均值，将此平均值视为每组试验的结果数据，应力应变值可由数据测量采集装置直接获取，渗透率可由数据测量与采集装置测出的渗透量以及渗透率计算公式求出，以应变值为横坐标，以应力值、渗透率为纵坐标绘制双y-x曲线如图6~8所示。由图6~8可知，渗透率变化规律与实施例1中的变化规律相同。在加载前期、加载中期，三组试验的试验条件相同，都经历了加载轴向载荷、径向载荷至固定值、以固定比率进行初始歇径向载荷，所以三组试验中的渗透率在加载前期、加载中期的变化规律相同。当试验进入模拟不同开采方式的增轴向载荷卸径向载荷阶段，在应变值一定的情况下，加卸载速率比越小，渗透率越大。此试验结果说明开采方式影响着煤岩的渗透演化规律。

本实施例的步骤6中，保护层开采方式对被保护层起到了采前卸压的效果，降低了被保护层瓦斯突出的风险，同一加载时间内煤岩体纵向支承压力较无煤柱开采、放顶煤开采方式要小，因此加卸载速率比值最小，根据实测的应力集中系数范围，将保护层开采方式下的加卸载速率比值定为2.0；放顶煤开采对顶板扰动范围较大，同一加载时间内，相对保护层开采，放顶煤开采引起的承载压力较大，根据实测的应力集中系数范围，将放顶煤开采方式下的加载速率比值定为2.5；在无煤柱开采方式下，由于缺少了煤柱对顶板的有效支撑，使其支撑压力增大，同一加载时间内无煤柱开采引起的煤岩体内纵向支承压力最大，根据实测的应力集中系数范围，将无煤柱开采方式下的加载速率比值定为3.0。

应当理解的是，对本领域普通技术人员而言，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应落入本发明要求的保护范围内。