流体注入条件下煤层的扩容特性试验研究_陈嘉祺.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 流体注入条件下煤层的扩容特性试验研究 陈嘉祺 1, 2， 张东明1, 2， 邓博知1, 2 （1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室， 重庆 400044； 2.重庆大学 资源与安全学院， 重庆 400044） 摘要为了更准确地认识流体注入导致煤体扩容的特征, 利用自主研发的煤岩热流固耦合试 验系统开展了不同应力路径下的三轴加卸载试验。结果表明 原煤破坏失稳时， 围压越大， 其破 坏时的体积应变越大， 扩容性质越差。利用原煤的剪胀因子进行定量分析后发现， 与恒定围压三 轴压缩的应力路径相比， 卸压和流体注入应力路径下原煤的扩容特性较好,但卸压和流体注入应 力路径不能完全等效， 原煤变形和扩容特性的存在差异， 说明 Biot 系数的取值可能会随着岩石 种类、 应力状态发生较大幅度的变化， 且流体进入煤岩后与煤体基质之间的毛细作用、 吸附作用 可能会造成原煤物理力学性质的变化。 关键词 煤层气； 加卸载； 流体注入； 扩容； 剪胀因子 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0001-06 Experimental Study on Coal Seam Dilatancy Characteristics Under Fluid Injection CHEN Jiaqi1,2, ZHANG Dongming1,2, DENG Bozhi1,2 （1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2.College of Resources and Safety Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China） Abstract In order to more accurately understand the characteristics of coal volume expansion caused by fluid injection， a self- developed thermo-hydro-mechanical （THM）coupled with triaxial servo-controlled seepage apparatus for gas-infiltrated coal and rock was applied to carry out triaxial loading and unloading tests under different stress paths. The results show that when the raw coal is destabilized, the larger the confining pressure, the larger the volume strain at the time of its failure, and the worse the dilatancy capacity. It was found by quantitative analysis of the dilatancy factor of raw coal, compared with the stress path of triaxial compression with constant confining pressure, the dilatancy characteristics of raw coal under stress relief and fluid injection stress paths are better. The pressure relief and fluid injection stress paths cannot be completely equivalent, and there are differences in the deation and dilatancy characteristics of the raw coal, this shows that the value of the Biot coefficient may vary greatly with the type of rock and stress state, and that capillary and adsorption between the fluid and the coal matrix after the fluid enters the coal rock may cause changes in the physical and mechanical properties of the raw coal. Key words coalbed methane; loading and unloading; fluid injection; dilatancy; dilatancy factor 煤层瓦斯是煤矿井下的第一杀手，抽采煤层瓦 斯是保证煤矿安全生产的重要措施，煤层的低渗透 性严重制约了煤层瓦斯的高效抽采，需要人为主动 的增加煤层的渗透性。近年来，流体注入刺激煤层 剪切扩容的增透措施越来越受到人们重视。这种技 术利用流体的注入改变煤层原始的应力状态，使煤 层产生剪切扩容，形成含有大量孔隙、裂隙的高渗 透区。该技术的效果与煤层的扩容特性密切相关， 因此，需要对流体注入导致煤体扩容的特征进行研 究。现阶段，对煤岩体变形及扩容特性的研究主要 集中在机械加卸载导致的煤岩体破坏。煤岩体的破 坏有可能是因为轴向应力增加，也可是围压卸载造 成[1]。 在煤矿开采过程， 很多情况下是在地下从事采 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.002 陈嘉祺， 张东明， 邓博知.流体注入条件下煤层的扩容特性试验研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 1-6， 13. CHEN Jiaqi, ZHANG Dongming, DENG Bozhi.Experimental Study on Coal Seam Dilatancy Characteristics Under Fluid Injection ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 1-6, 13. 移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51434003， 51874053） 试验 研究 1 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 掘，随着采煤工作面的移动，煤被不断地从井壁中 剥离，该过程改变了煤体的应力状态，即围压逐渐 降低[2-3]。 卸荷条件使煤不稳定破坏更容易发生[4]。 目 前，许多学者对煤岩体在卸荷条件下的特性进行了 一系列研究， 并取得了丰硕成果[5-10]。但这些研究都 是在不含流体的条件下进行的，而煤体作为一种多 孔介质，气体赋存于天然裂缝和孔隙中，孔隙气体 对岩石的力学行为具有很大的影响，因此，除了考 虑开挖荷载条件的影响外，孔隙流体压力是一个不 容忽视的重要关键因素。尹光志等[4]、 许江等[11]和吕 有厂等[12]考虑了煤层瓦斯， 对不同瓦斯压力条件下 的煤岩卸荷特性进行研究。然而， 在这些研究中， 仍 是通过改变围压进行卸载，并未将孔隙压力作为一 个诱导煤岩体破坏主要因素， 对于恒定轴压、 围压， 注入流体改变孔隙压力对煤岩体影响的研究却鲜有 报道。对煤层注采气运行过程中，煤层实际上处于 逐渐卸载及加卸载的应力环境，因此，对该过程中 煤岩体的力学特性进行研究十分必要。基于此， 以 原煤为研究对象， 开展了 3 种不同应力路径下的三 轴加卸载试验，得到了不同应力路径下原煤的应 力-应变关系和扩容特性，为流体注入刺激煤层剪 切扩容在煤矿现场的实施和运用提供了理论基础。 1试验与装置 试验使用重庆大学自主研发的煤岩热流固耦合 试验系统 （THM-2） 13-14]。系统规格 伺服液压控制系 统和轴向加载系统可分别提供 60 MPa 的最大稳定 围压及 1 000 kN 的轴向力。 位移监测系统可对于轴 向和径向位移的监测，最大轴向和径向位移分别为 60 mm 和 12 mm。孔隙气体压力控制系统旨在维持 稳定的气压。数据采集和存储系统可以自动捕获整 个试验过程中的应力，位移和渗透率数据。该装置 可用于在各种应力路径条件下，包括温度场，流体 和固体的耦合过程中，对流体渗透岩石力学性能和 渗透率演化规律的试验研究。由于其高可靠性和准 确性， 因此适合进行试验测试。 试验所用原煤取自四川省宜宾市珙县川煤集团 芙蓉公司白皎煤矿，煤质为无烟煤。煤样从工作面 煤壁上选取较完整大煤块，使用取心机沿煤块平行 层理方向钻取煤心，随后使用切割机、研磨机将煤 心加工成长度为 100 mm，直径为 50 mm 的圆柱体 煤样， 煤样两端不平行度小于 0.05 mm， 天然密度在 1.51～1.56 g /cm3之间。由于加工设备精度， 试件尺 寸与标准试件略有差异，但对试验结果影响有限。 根据试件端面显示， 煤样具有明显层状结构， 内部存 在有纵横交错的节理裂隙， 表明其裂隙比较发育。 设计了 3 种不同的应力路径，对比研究流体注 入引起煤岩体扩容的变形特征①应力路径 1 为恒 定围压、 恒定轴向位移速度的轴向压缩试验； ②应力 路径 2 为恒定偏应力的卸轴压、围压（减小平均应 力） 试验； ③应力路径 3 为恒定轴压、 围压， 增加孔 隙压力的流体注入试验。其中，应力路径 3 的变化 由流体注入引起有效应力变化实现，应力路径 2 的 变化由机械卸压直接实现。根据 3 种压力路径共进 行了 4 组三轴试验， 原煤加卸载试验方案见表 1， 其 中卸压和流体注入试验的起始卸压点和流体注入点 的轴向应力为 53.6 MPa。 1） 路径 1。以 0.05 MPa/s 的速率施加轴向应力 和围压至静水压力水平； 保持围压不变， 轴向应力切 换为位移控制模式， 以 0.1 mm/s 的速率加载至试样 完全破坏。 2） 路径 2。以 0.05 MPa/s 的速率施加轴向应力 和围压至静水压力水平；保持围压不变，继续以 0.05 MPa/s 的速率施加轴向应力到相同围压条件下 煤体破坏压力的 80；待轴向力稳定后，以 0.01 MPa/s 的速率同时卸载轴向压力和围压，直至试样 完全破坏。 3） 路径 3。以 0.05 MPa/s 的速率施加轴向应力 和围压至静水压力水平；保持围压不变，继续以 0.05 MPa/s 的速率施加轴向应力相同围压条件下煤 体破坏压力的 80； 待轴向力稳定后， 向试件中注 入 CO2， 并逐步提高流体压力， 直至试样完全破坏， 流体注入过程中的平均注入速率约为 0.01 MPa/s。 2试验结果 2.1不同应力路径下原煤的应力应变关系 在 4 组试验中，不同应力路径下煤样应力-应 变曲线如图 1。由图 1 可知， 在原煤失稳破坏前， 所 有试验都经历了弹性加载阶段和屈服变形阶段。在 表 1原煤加卸载试验方案 Table 1Raw coal loading and unloading experiment schemes 试验编号应力路径轴压/MPa围压/MPa流体压力/MPa 1 2 3 4 路径 1 路径 2 路径 3 55.3 70.9 53.6 53.6 5.0 7.5 7.5 7.5 - - - 3.5 2 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 1不同应力路径下煤样应力-应变曲线 Fig.1Stress-strain curves of coal samples under different stress paths 原煤失稳破坏后，应力均发生较大幅度的下降， 这 说明在 3 种应力路径下原煤均表现出应变软化。值 得关注的是应力路径 2、 路径 3 中虽然卸除了轴向压 力， 但是从图 1 （c） 和图 1 （d ） 可以看出， 原煤并没有 出现轴向应变随轴向应力逐渐减小的弹性应力应变 关系。这是由于在卸除轴压的同时，围压也在以相 等的速度降低，相应的原煤所受的较高的偏应力并 没有发生变化，但平均应力因为轴压和围压的降低 而减小，这使得原煤在应力的作用下依然向屈服、 不 稳定状态发展，这时原煤轴向的应力应变关系不再 表现为弹性， 而表现为塑性的剪切变形。因此， 在图 1 中原煤的轴向应变随轴向应力的减小而增加。 另外， 对比试验 1、 试验 2 （应力路径 1） 和试验 3、 试验 4 （应力路径 2、 路径 3） 可以看出， 在原煤失 稳破坏后的残余应力阶段， 试验 3、 试验 4 中的残余 应力明显小于试验 1、 试验 2， 这是由于残余应力与 原煤的破坏后的围压密切相关，而在原煤失稳破坏 之前， 应力路径 2、 路径 3 经历了较大幅度的卸压， 试验 3、试验 4 在原煤失稳破坏时的围压小于试验 1、 试验 2。 2.2不同应力路径原煤的扩容特性 虽然在不同应力路径下， 随着原煤的失稳破坏， 各试验中的轴向和径向应变均分别表现出急剧增加 和减小， 但各试验中原煤变形依然具有明显的差异。 为更好地分析原煤的变形特性，反映不同应力路径 下原煤的扩容特性，绘制了不同应力路径下煤样体 积-轴向应变曲线 （图 2） 。从图 2 可以看出， 各应力 路径下的三轴试验均经历了体积应变先增加后减小 的过程， 即压缩和扩容 2 个阶段， 但是不同应力路径 下原煤的扩容特性并不相同。对比全应力应变路 径，不同围压条件下原煤的变形特性可以看出， 随 着围压的增加， 原煤破坏时的体积应变明显增加， 这 3 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2不同应力路径下煤样体积-轴向应变曲线 Fig.2Volume-axial strain curves of coal samples under different stress paths 说明较高的围压会抑制原煤的扩容特性。对比相同 围压、不同应力路径条件下原煤的变形特性可以看 出，在原煤失稳破坏后，在恒定围压的三轴压缩试 验中体积应变依然是正值； 而在试验 3、 试验 4 中， 体积应变从 0.011 左右转变为负值，这说明 2 种卸 压的应力路径可以增加原煤的扩容特性。 为定量的分析不同应力路径下，原煤的扩容特 性， 对加载过程中原煤的剪胀因子进行了计算[15]， 剪 胀因子 β 表达式为 β-3■ △εv p /△ε1 p 3-△εv p /△ε1 p -3■ 1△ε3 p /△ε1 p 2-△ε3 p /△ε1 p （1） 式中 △εv p 为塑性体应变增量； △ε1 p 、 △ε3 p 分别 为塑性轴向应变和径向应变增量。 其中轴向和径向的塑性应变 ε1 p 、 ε3 p 采用总应变 减去弹性应变计算得到 ε1 p ε1- σ1′-2vσ3′ E - 1-2vσ3′ E （2） ε3 p ε3- 1- （） v σ3′-vσ1′ E - 1-2vσ3′ E （3） σ1′σ1-αp， σ3′σ3-αp（4） γ p ε1 p -ε3 p （5 ） 式中 ε1、 ε3分别为轴向和径向总应变； σ1′、 σ3′ 分别为有效轴向应力、 有效围压； E、 v 分别为杨氏弹 性模量、 泊松比； α 为有效应力系数； p 为孔隙压力； γ p 为塑性剪应变； σ1为轴压； σ3为围压。 在常规三轴试验中， E 和 v 是在不断变化的， 取 应力-应变曲线中的直线段计算得到各原煤试件的 弹性模量。 以静水压力条件为起点 （σ1′ σ3′） ， 计算 塑性应变的增量，不同应力路径下剪胀因子-塑性 剪应变曲线如图 3。 从式 （1） 可以看出， △ε3 p /△ε1 p 可以表示原煤试 样向剪胀或剪缩发展的趋势， 当△ε3 p /△ε1 p 不断减小 时 （压缩为正， 膨胀为负） ， β 同样呈现减小的趋势， 说明径向塑性应变快于轴向塑性应变的增加速度， 4 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 原煤向膨胀的趋势发展； 反之， 当△ε3 p /△ε1 p 不断增 加时， β 同样呈现增加的趋势， 说明轴向塑性应变快 于径向塑性应变的增加速度，原煤向压缩的趋势发 展。并且 Wong T 等[16]在研究中指出， β 的数值可以 反映在不同应力路径条件下岩石膨胀性的强弱。从 式 （1） 也可以发现， △ε3 p /△ε1 p 越小， β 越大， 原煤径 向塑性膨胀量大于轴向塑性压缩量，原煤的塑性变 形越表现出膨胀的特性。所以剪胀因子可以更好定 量的反映岩石在发生剪切破坏时的剪胀特性。 从图 3 可以看出， 在全应力应变的应力路径下， 除了加载过程中的波动 （图 3 （a） 黑色虚线圆圈内， 这是由于原煤在加载时进入屈服阶段后，变形不稳 定导致的） ，剪胀因子随剪应变的增加一直呈现出 单调递增的趋势。这说明随着塑性剪应变的增加， 塑性径向应变的增加速度大于塑性轴向应变，原煤 试件向膨胀的趋势发展。在卸压和流体注入应力路 径下，在进行卸压和流体注入之前（此阶段为固定 围压，加载轴压至目标值，即全应力应变应力路 径） ，剪胀因子同样呈现出随塑性剪应变增加的趋 势。但当开始卸压和流体注入后，剪胀因子呈现出 先下降的趋势，这说明此阶段塑性径向应变的增加 速度小于塑性轴向应变，原煤试件向压缩的趋势发 展。随着卸压和流体注入的持续进行，剪胀因子又 呈现出逐渐增加的趋势， 并且最终超过 0 点， 从负值 转化成为正值。图 3 中剪胀因子 β 的最大值分别为 0.012、 -0.035、 0.342、 0.259。这直接说明相较于全应 力应变， 在卸压以及流体注入应力路径下， 原煤的变 形特性表现出较强的扩容特性。 原煤在失稳破坏后会向侧向膨胀，并在内部形 成大量孔隙和裂隙，造成其他体积发生较大幅度的 增加，甚至超过原始煤样的体积。但当侧向受到应 力约束时，原煤破坏后向侧向的膨胀同样会受到抑 制， 随着围压的增加， 原煤侧向的膨胀量将会明显减 小， 直接降低了原煤的扩容特性。因此， 在全应力应 变路径 1 条件下， 围压越大， 原煤破坏时的扩容特性 图 3不同应力路径下剪胀因子-塑性剪应变曲线 Fig.3Dilatancy factor-plastic shear strain curves of coal samples under different stress paths 5 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 越差。 对于卸压应力路径 2， 在原煤受应力作用失稳 破坏的过程中，围压经历的卸载，破坏时所受实际 的围压值远小于初始的围压值，原煤向侧向膨胀受 到的约束依然较小，所以表现出较为优越的扩容特 性。 对于流体注入应力路径 3， 围压虽然没有经历卸 载，但是高压力流体的注入降低了原煤所受的有效 围压，同样减小了原煤的侧向约束，使其表现出较 为优越的扩容特性。在现场流体刺激煤层中，同样 由于高压流体的注入会降低煤层的有效围压，使原 煤屈服变形产生扩容，原煤内部的孔隙、裂隙大量 发育， 并在煤层中形成高渗透区。因此， 流体注入刺 激煤层扩容可能成为一种有效的煤层增透措施， 强 化煤层瓦斯抽采。 应力路径 2 （卸围压、 轴压） 和应力路径 3 （流体 注入） 对原煤变形特性的影响较为复杂。由于轴向 和径向应力都经历了卸压，两者都有可能引起原煤 的塑性压缩或膨胀，并且塑性应变与原煤处于的变 形阶段有关 （弹性阶段或屈服阶段） 。因此， 较难直 接从应力状态直接判断原煤试件的变形特性（压缩 或膨胀） 。但是通过剪胀因子随剪应变的变化趋势 （图 3 （c） 和图 3 （d） ） 可以明显的观察到， 在剪胀因 子增加前，即原煤塑性变形向膨胀趋势发展前， 其 塑性变形会经历一段向压缩趋势的发展。这可能是 由于轴向和径向应力卸除时，轴向和径向应变不均 膨胀导致的。 另外， 从应力-应变曲线 （图 1 ） 和体积- 轴向应变曲线 （图 2 ） 中很难直观的观察到在复杂的 应力路径下， 原煤变形的趋势。因此， 分析加载过程 中原煤剪胀因子的变化规律，对研究复杂应力路径 下原煤的变形特性具有重要的意义。 此外， 从图 1～图 3 可以看出， 即使卸压应力路 径 2 和流体注入应力路径 3 几乎完全一致，但是试 验 3 和试验 4 的变形及扩容特性依然存在较大程度 的差异。这可能是由于机械卸压和流体注入造成的 有效应力减小依然存在较大的差异。首先，在计算 有效应力时， Biot 系数的取值（在计算时取值为 1） 可能会随着岩石种类、应力状态发生较大幅度的变 化；其次，流体进入煤岩后与煤体基质之间的毛细 作用、吸附作用可能会造成原煤物理力学性质的变 化。因此，卸压应力路径 2 和流体注入应力路径 3 不能完全等效。但由于 2 种应力路径都经历了卸围 压的过程， 都表现出较好的扩容特性。 3结论 1） 原煤所受的围压对其破坏失稳时的扩容特性 有重要的影响。围压越大，原煤侧向膨胀所受的约 束越大， 其破坏时的体积应变越大， 扩容性质越差。 2） 利用剪胀因子能够定量分析出煤岩体的扩容 特征， 相较于恒定围压三轴压缩的应力路径， 卸压和 流体注入应力路径下原煤的变形特性表现出较强的 扩容性，这是由于原煤在破坏的过程中经历了卸围 压和减小有效围压的过程，在破坏时所受的有效围 压较小。流体注入条件下煤体较强的扩容特性， 有 助于使原煤内部的孔隙、 裂隙大量发育， 并在煤层中 形成高渗透区，使得流体注入刺激煤层扩容可能成 为一种有效的煤层增透措施， 强化煤层瓦斯抽采。 3） 从原煤变形和扩容特性的差异可以看出， 卸 压和流体注入应力路径不能完全等效。这是由于 Biot 系数的取值可能会随着岩石种类、应力状态发 生较大幅度的变化，并且流体进入煤岩后与煤体基 质之间的毛细作用、吸附作用可能会造成原煤物理 力学性质的变化。 参考文献 ［1］ 蔡美峰， 何满潮， 刘东燕.岩石力学与工程 ［M］ .北京 科学出版社， 2002. ［2］ 王凯， 郑吉玉， 朱奎胜.两种应力路径下无烟煤的变形 破坏特征及能量分析 ［J］ .岩土力学， 2015， 36 （S2） 267-274. ［3］ 李新元， 陈培华， 王吴一.极松软顶板工作面矿山压力 活动规律 ［J］ .矿山压力与顶板管理， 2004 （4） 4-7. ［4］ 尹光志， 蒋长宝， 王维忠， 等.不同卸围压速度对含瓦 斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究 ［J］ .岩石 力学与工程学报， 2011， 30 （1） 73-82. ［5］ 汪斌， 朱杰兵， 邬爱清， 等.锦屏大理岩加、 卸载应力路 径下力学性质试验研究 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2008， 27 （10） 2138-2145. ［6］ 张楚旋， 戴兵， 吴秋红.不同应力路径下岩石卸荷破坏 过程的变形特性与能量耗散分析 ［J］ .中国安全生产 科学技术， 2014， 10 （10） 35-40. ［7］ 苏承东， 高保彬， 南华， 等.不同应力路径下煤样变形 破坏过程声发射特征的试验研究 ［J］ .岩石力学与工 程学报， 2009， 28 （4） 757-766. ［8］ 王在泉， 张黎明， 孙辉， 等.不同卸荷速度条件下灰岩 力学特性的实验研究 ［J］ .岩土力学， 2011， 32 （4） 1045-1050. ［9］ 高春玉， 徐进， 何鹏， 等.大理岩加、 卸载力学特性的研 究 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2005， 24 （3） 456-460. ［10］ 张凯， 周辉， 潘鹏志， 等.不同卸荷速率下岩石强度特 性研究 ［J］ .岩土力学， 2010， 31 （7） 2072-2078. （下转第 13 页） 6 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 ［6］ 李阳， 张玉贵， 张浪， 等.基于压汞、 低温 N2吸附和 CO2 吸附的构造煤孔隙结构表征 ［J］ .煤炭学报， 2019， 44 （4） 1188-1196. ［7］ 高建良， 李沙沙， 杨明， 等.水分对无烟煤瓦斯吸附影 响的低场核磁试验研究 ［J］ .安全与环境学报， 2018， 18 （1） 151-155. ［8］ 赵兴龙， 汤达祯， 许浩， 等.煤变质作用对煤储层孔隙 系统发育的影响 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （9） 1506. ［9］ 陈跃， 汤达祯， 田霖， 等.煤变质程度对中低阶煤储层 孔裂隙发育的控制作用 ［J］ .天然气地球科学， 2017， 28 （4） 611-621. ［10］ 陈向军， 刘军， 王林， 等.不同变质程度煤的孔径分布 及其对吸附常数的影响 ［J］ .煤炭学报， 2013， 38 （2） 294-300. ［11］ NIEB S, LIU X F, YANG L L, et al. 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