模拟煤层开采岩石渗透性施验研究.pdf

2 0 0 7年第 2期 能 源 技 术 与 管 理 5 模拟煤层开采岩石渗透性试验研究 刘启蒙 。 ， 李文平 - ， 徐浚 ， 姜广路 ， 程伟 ， 赵舒斌 1 ． 中国矿业大学 资源 与地球科学学院， 江苏 徐州 2 1 0 0 8 ； 2 ． 铁道部第十八工程局 西南工程公司， 天津 3 0 0 2 2 2 ； 3 ． 兖州煤业集 团公 司 兴隆庄煤矿 ． 山东 兖州 2 7 2 1 0 2 4． 山东省地质科学研究院， 山东 济南 2 5 0 0 1 3 [ 摘要】 岩石渗透性试验通常都是在加载过程 中进行 ，本次试验利用美国 MTS公司 8 1 5 ． 0 2 型 电液伺服岩石力 学试验 系统 ， 采用瞬态渗透法， 模拟煤层开采过程 中的底板砂岩 渗透 系数变化情况． 揭示砂岩在加 、 卸载全应力一 应变过程中渗透性与应力状况之间 的规 律 。 [ 关键词] 煤层开采 ； 渗透 系数 ； 加 、 卸载全应力一 应变 [ 中图分类号]T D3 1 5 ． 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号] 1 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 0 7 0 2 0 0 5 3 1 概述 岩石是具有渗透性的， 岩块的渗透性， 是指在 水压力作用下 ， 水穿透空隙介质的能力。 渗透性的 定义是给定面积内液体在压力梯度驱动下流过孔 隙介质的度量， 是岩石本身所固有的性质， 渗透率 k可 以用达西定律来表示。 达西定律本身是岩石在天然状态下的渗透规 律 ，并没有反映出渗流与孔隙介质应力应变状态 的关系。 多年来 。 国内外许多学者和工程技术人员 致力于岩石和岩体渗透规律的研究 ，取得 了较丰 富的试验与理论研究成果和工程经验．对预防岩 体突水起到了重要的指导作用。 煤层的开采改变 了原有煤层顶底板岩体的应 力状态 。 同时也改变了原有岩层的渗透性 ， 从而形 成新的不均匀 、 各向异性的渗透系数场 。 由于不同 岩性 的顶底板岩层在应变过程 中渗透系数变化 很大。过去许多学者虽然对此都做过一些试验工 作 ] ， 但大都是研究 的岩石在加载过程 中的渗透 规律 。不太符合煤层顶底板在开采过程中渗透性 随应力 、 应变的变化规律。 因此有必要进一步探讨 岩石在卸载过程 中应力应变与渗透率 的关 系 ， 而 这种变化在井上 、 井下实际中很难观测 ， 因此笔者 拟在试验室进行模拟 。为研究岩体渗流特征提供 必要的试验基础和基本数据。 2 渗透试验原理 本次试验利用美国 M T S公司 8 1 5 ． 0 2型电液 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 4 0 5 7 2 1 6 0 伺服岩石力学试验系统 ， 采用瞬态渗透法， 模拟矿 井开采过程 中的岩石在全应力一 应变过程 中的渗 透系数的变化情况 。 该系统可以通过手动 、 模控和 数控方法进行操作 ； 在试验过程中， 其控制方式有 载荷控制 、 轴向位移控制 或 冲程控制 和环向位 移控制 或应变控制 三种方式 ； 试验可提供多种 数据及关系 曲线 ， 如 载荷 、 轴 向应力 、 轴 向应变 位移 、 环向应变 位移 、 体积应变 、 围压 、 孔隙水 压等。试验的基本原理简单示意图如图 1 所示。 p 1 ． 轴 向压力 ；p 2 ． 围压 ； p 3 ． 试件上端水压 ． p 4 ． 试件 F端水压； △ p ． 两端压差 △ P _ p ， 图 1 水渗透试验的基本原理示意图 试验前 。 先将试样用真空浸水装置含水饱和 ， 然后用聚四氯乙烯热缩塑料双层致密牢固热封岩 样周围，保证流体介质不能从 防护套和试件间隙 渗漏 。 然后置于伺服仪三轴缸内进行加压试验。 本 试验测定渗透率采用瞬态法 ， 其基本原理是 先施 加一定的轴压 P 。 、 侧 压P 及孔压 p ， p ， ， 然后 降低试件一端的孔压至P ，在试件两端形成渗透 压差 卸 印， 一 p ， 从而引起水体通过试件渗流 。 渗流 维普资讯 6 刘启蒙等模拟煤层开采岩石渗透性试验研究 2 0 0 7年第 2期 过程中， △ p不断减少 ， 其减少速率与试样种类 、 组 构 、 试件长度 、 渗流路程 、 截面尺寸 、 流体密度、 粘 度 、 应力状态和应力水平等 因素有关 。 根据试验过程中计算机 自动采集的数据 采 样时间精度为 1 s ， 可根据式 1 计算求得试样在 不同应力应变状态下的渗透率 k |i} 9 7 0 1 5 9 7 6 H l乒 n l l ／ 1 2 2 d。 A ， A 1 式中， k为试样渗透率 ， D a r c y ； H、 d分别为试样高 度和直径 ， c m； ， ， ， 2 为对应 1 ， 2时刻 的孑 L 压差 即 △ p ， M P a ； ， A 为对应的时间， s 。 由此 ， 根据采集到的数据 ， 绘制渗透率与应力 应变关系曲线 ，然后可得出各试样在不同应力应 变状态下的渗透规律。 3 试验过程 本次试验选取兖州矿业集团兴隆庄煤矿下组 煤首采区煤 1 7与奥灰之间的底板岩层 中具有代 表性的泥岩、 砂岩 粗砂岩、 中砂岩、 细砂岩和粉砂 岩 、 灰岩进行 了三轴应力状态下的十二组伺服渗 透实验 ， 其中七组在达到峰值应力后进行了卸载 ． 五组保持围压不变。 试验过程 首先将塑封好的试件 直径 4 ． 9 5 c m． 高 8 - 9 c m 放在下加载盘上 ， 用计算机控制加载 到 1 0 k N时 ， 降下围压仓 ， 注入加载液 ， 再通过计 算机程序向围压仓施加围压和孑 L 隙压力。试验机 可以通 过三个独立 的闭路系统精确控制轴向载 荷 、 围压和孑 L 隙压力 。在整个试验过程 中， 数据采 集和绘制 △ p t 时间 曲线 由计算机控制 自动完 成。 岩石的渗透率根据公式 1 计算。 根据所获得 的试验数据 ，可以计算出岩石在该试验载荷下的 渗透率 ，从而得到渗透率一应变曲线 |i} 一 口上的一 个试验点。 接下来， 将载荷第二个试验点依次增加 到第 N个点， 包括应力峰值点和峰后应力应变区 的试验点。 这样 ， 每个试样都可以得到全应力应变 过程 中的渗透率曲线。 试验参照现场的地应力水平确定围压级别 。 取围压 ， 4 MP a ， 试件两端渗透压差 1 ． 5 MP a 。本 次试验有选择地对孑 L 隙压力 3 ．0 MP a 和 3 ． 8 MP a 进行 了测试 。表 1 给出三轴压缩渗透试验的试件 描述 、 试验条件及试验参数。 当围压和渗透压力施加到设定值后 ，保持恒 定的围压和渗透压力 ．开始对岩石试件的轴向施 加载荷， 进行三轴压力的渗透试验。试验过程中。 每隔 3 0 s 测量一次应力 、 应变和渗透率。岩石渗 透试验从静水压力状态开始加载到结束 ，试件先 后经历了弹性变形 、 塑性变形 、 达到峰值强度后产 生破坏 ， 到完全进入残余强度阶段。 为了模拟 由于煤层开采引起 的围岩卸载过 程，本次试验成功运用 了载荷控制和位移控制 的 转换 ，即在接近应力峰值前由载荷控制转变为位 移控制。在应力一 应变曲线达到峰值以后 ， 保持试 件的轴向位移不变， 卸除围压。由此 ， 可获得不 同 应力应变情况下的渗透系数。 表 1 渗透试验条件及试验参数表 注 在卸载过程中 ， 围压依次为 8 、 6、 4 、 2 、 0 ． 5 M P a 4试验结果分析 试验结果揭示出岩石在三轴应力状态下的渗 透规律 ①渗透性与岩性的关系。岩性对于泥岩， 在达到岩石的峰值强度前，渗透率随载荷的增加 而逐渐增大 ； 对于中 、 细砂岩 ， 在达到岩石峰值强 度之前 ， 渗透率变化并不明显 ， 岩石渗透率峰值同 样也滞后于岩石强度峰值 ；灰岩试样在破坏前的 弹塑性变形乃至屈服阶段 ，渗透性较弱且随变形 的变化不明显 ， 岩样破坏至应变软化段 ， 渗透性急 维普资讯 2 0 0 7年第 2期 能 源 技 术 与 管 理 7 剧增强并达到渗透系数峰值 ．且塑性压密变形阶 段没有明显降低 ． 随变形扩展而逐步趋于稳定 渗 透系数与岩性存在一定关系．在同等围压和渗透 压力条件下 ．不同岩性岩石的最大渗透率依次排 列顺序是 灰岩 泥岩 粉砂岩 细砂岩 中砂岩 粗砂岩。 ②渗透性与应力 、 应变状态的关系。在不 同的应力、 应变状态下 ． 岩石的渗透系数或渗透率 不是常数 ． 而是与应力状态和应变历史有关 。 应力 状态是指有无围压 ， 即是单轴还是三轴 ． 以及有无 孑 L 压作用 。应变历史是指岩石处在全应力应变过 程中峰前 区的弹性段 、 弹塑性 应变强化 段 、 还是 峰后区的应变软化段以及塑性流动阶段 。各种岩 石渗透率峰值基本发生在岩石破坏后应变软化阶 段 ． 说明岩石的破坏并非与渗透极大值同步 ， 只有 岩石破坏后变形 的进一步发展 ，才会导致峰值渗 透的到来。 ③渗透性与岩石结构的关系。 对于不含 天然裂隙的岩样 ，在弹性变形阶段是沿着岩石颗 粒间开放孑 L 隙或天然存在的微裂隙；在峰前应变 硬化阶段 ．因应力增高而诱发产生的微裂隙逐渐 增多， 当应力达到峰值时 ， 部分微裂隙相互贯通 ， 但渗透率未必达到峰值 ．因为部分裂隙尚未完全 贯通 ， 或宏观裂隙的张开度并不是最大。 而在峰后 应变软化阶段 ．破裂岩块在沿着粗糙破断表面滑 动过程 中．微凸体的爬坡效应可使宏观裂隙的张 开度增加到极值 ，所以大多渗透峰值 出现在应变 软化阶段 。这时围压作用将导致宏观裂隙张开度 变小 ． 渗透率 自然会降低。在塑性流动阶段 ， 由于 部分微凸体在剪切滑移过程中被剪断或磨平 ， 岩 屑和磨砾在迁移过程中充填到裂隙中，使渗透率 也会下降[ 3 ] 。 5 结 语 通过三轴加卸载全应力应变渗透系数的试验 可以看出．岩石的渗透系数在复杂的应力应变中 的变化也是复杂 的．既与岩石 自身的性质和结构 有关 ．也与岩石所处的应力状况和应变历史紧密 联系．特别是渗透性极值普遍产生在岩石破坏后 的应力软化阶段 。 因此 ， 防止岩石破坏与控制岩石 破坏后应变软化阶段变形的进一步发展与预防岩 层突水是同等重要的。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ]彭苏萍 ，屈洪亮． 沉积岩石全应 力应变渗透性试验研 究[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 0 ， 2 5 ． [ 2 ]王金安 ， 彭苏萍 ， 孟召平． 岩石三轴全应力应变过程 中 的渗透规律 [ J ] ． 北京科技大学学报 ， 2 0 0 1 ， 6 ． [ 4 ] 缪协兴 ， 刘卫群 ， 陈占清． 采 动岩体渗流理论 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ]姜振泉 ， 季梁军． 岩石全应力一 应变 过程渗透性试验研 究 [ J ] ． 岩土工程学报 ， 2 0 0 1 ， 3 ． [ 作者简 介] 刘启蒙 1 9 7 2 一 ， 男 ， 博士研究生 ， 从事 水文地质工程 地质及矿井 防治水方面的研究 。[ 收稿 日期 2 0 0 7 - 0 1 - 1 0 ] Re s e ar C n 0n r 0C K re r m e a b l l l t V Exoe r i m e nt 1 一 l 1 1 ● ● ● J 一 - S i mu l a t i n g c o a l M i n i n g L I U Q i - m e n g ， L I We n - p i n g ， X U J u n ， J I A N G G u a n g - l u ， C HE N G We i ， Z HA O S h u - b i n 1 ． S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d E a c h S c i e n c e ， C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ， Ch i n a ； 2 ． S o u t h w e s t E n g i n e e r i n g c o mp a n y ， E i g h t e e n t h E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n o f MO R ， T i a n j i n g 3 0 0 2 2 2 ， C h i n a ； 3 ． Xi n g l o n g z h u a n g Mi n e ， Ya n z h o u Mi n i n g G r o u p C o mp a n y ， Ya n z h o u 2 7 2 1 0 2 ， C h i n a ； 4 ． S h a n g d o n g I n s t i t u t e a n d L a b o r a t o r y o f G e o l o g i c a l S c i e n c e s ， J i n a n 2 5 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ro c k P e r me a b i l i t y E x p e r i me n t i s c a r r y i n g o u t i n t h e c o u r s e o f L o a d i n g c o n d i t i o n u s u a l l y ．T h e p a p e r ，Us i ng Th e El e c t r o Hy d r a u l i c S e r v o Co n t r o l l e d me c ha ni c s r o c k Te s t i n g S y s t e m o f Ame r i c a n MT S C o r p o r a t i o n 8 1 5 ． 0 2 A d o p t i n g I n s t a n t a n e o u s p e r me a t i n g me t h o d ， S mu l a t t i n g t h e c o e f f i c i e n t o f ’p e r me a t i o n v a r i e t y o f s a n d s t o n e Un d e r t h e c o a l F l o o r i n t he p r o c e s s o f mi ni n g ，Op e n i n g Ou t Th e r e g u l a t i o n O f s a n d s t o n e i n p r o c e s s O f L o a d i n g An d u n l o a d i n g C o mp l e t e S t r e s s S t r a i n b e t we e n t h e P e r me a b i l i t y a n d S t r e s s c o n d i t i o n ． Ke y Wo r d s C o a l mi n i n g ； t h e c o e f f i c i e n t o f p e rm e a t i o n ； L o a d i n g An d u n l o a d i n g C o mp l e t e S t r e s s - 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