温度作用煤岩力学渗流特性演化规律试验研究

潘玉婷，赵耀江，郭胜亮，赵 亮，王 浩

(太原理工大学安全与应急管理学院，山西 太原 030024)

随着我国煤炭资源的逐年消耗，煤矿开采深度不断增加，地温也随之升高。不同地点地温梯度值不同，通常为1～3 ℃/100 m。多位学者研究表明，温度对煤层力学特性、瓦斯吸附及解吸、瓦斯渗流特性均有显著影响，而我国煤层大多属于低渗透性，井下煤层开采时煤与瓦斯突出事故的发生危险性大，并且影响煤层气的有效开采。因此研究煤岩体力学及渗透特性随温度变化的规律具有重要意义。

关于温度对煤体的作用，部分学者已经进行了一些研究。在温度对煤岩力学特性影响方面，尹光志等[1]以晋城无烟煤制成的型煤为研究对象，认为在恒定瓦斯压力与围压的条件下，温度升高，煤样三轴抗压强度降低，煤样弹性模量变大。在温度对含瓦斯煤渗流影响方面，梁冰等[2]、刘均荣等[3]在做温度对煤样渗透率影响试验时，将试件预热至预定值后冷却至室温下进行试验，均发现随着温度升高，渗透率随之增加，但这两个试验不足之处是无法测定实时在线加热温度对煤样的影响，故试验数据不足以证明温度对渗透率的影响。于永江等[4]以吉林华兴矿煤制成的成型煤样为研究对象，在三轴渗透仪上对型煤进行了不同围压、轴压、温度下渗透率试验，认为成型煤样随着温度升高，渗透率呈降低趋势。但试验为型煤，与实际工程应用的煤会有差异性。与前者相同，魏建平等[5]以型煤为研究对象，认为温度变化对渗透率的影响与煤岩破坏变形阶段有关。渗透率在压密阶段、弹性阶段、破坏阶段随着温度的升高分别增加、减小、增加。但试验温度只有40 ℃。孙光中等[6]认为在温度21～80 ℃范围内,温度变化对构造煤样的渗透率变化影响不显著。李志强等[7]以型煤为研究对象，得出在高有效应力下渗透率随温度的升高而减小，低有效应力下渗透率随温度的升高而升高的结论。张丹丹等[8]分析比较原煤和型煤两种煤样对温度的敏感性，发现原煤的渗透性敏感于型煤。李波波等[9]利用自主研究装置开展不同温度孔隙压力下煤岩渗透特性的试验研究,发现在考虑温度作用和不考虑温度作用对煤岩渗透率变化量的影响时，其考虑温度作用下煤岩吸附膨胀模型更合理。

上述试验中多数试验煤样是型煤，或者温度不是在线加热所进行的试验。对于实时在线温度下原煤煤样全破坏过程偏应力对煤岩力学及渗流特性研究较少。而且不同学者关于温度对煤岩渗透率影响的结论还未达成一致。因此，本文通过自主研制力热固耦合三轴渗流试验装置针对原煤煤样在实时较高温度下进行全破坏过程的力学及渗流特性试验研究。分析破坏过程中温度作用下应力-应变和渗透率的变化规律，以期更好地认识高温度煤层在煤岩开采时对煤岩瓦斯渗透特性的影响，为瓦斯防治工作及有效开采煤层气提供更多理论依据。

1 实验方法

1.1 煤样制备

煤样选自山西马兰煤矿，为焦煤。采集的尺寸至少为350 mm×350 mm×350 mm的大块无明显裂隙的煤样。利用DL5640数控砂线切割机床将原始大煤块切割成规格为直径×高=50 mm×100 mm的标准煤样，加工精度满足规程[10]所要求的，不端面利用砂纸打磨且不平行度小于0.05 mm。每个试验煤样无肉眼可见的裂隙，连续性较好，尽量消除煤样的离散性。

1.2 试验装置

试验设备为自主研制的WYS-800微机控制电液伺服三轴试验装置，其中最大轴向压力为800 kN,最大围压为15 MPa，最大气体压力为15 MPa，最高油域温度为100 ℃。本试验区别于其他试验，不是水域加热[11]，采用油域加热。加热油域箱(图1)主要由箱体、储气罐、电磁阀、电加热器、温度传感器、循环泵等组成,实现温度实时在线加热。

图1 加热油域箱

1.3 试验方案与步骤

本试验主要是不同温度下进行含瓦斯煤三轴压缩试验，因此制定了如下方案：①渗流气体采用纯甲烷气体，固定瓦斯压力为0.5 MPa；②试验围压固定为2 MPa；③油域温度分别控制为20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃；④控制方式为力控制，轴向加载速率为0.05 kNs，直至煤样破裂。

为了保证试验的基础条件相同及在不同温度下的试验数据分析对比可靠，该试验是在5种不同温度下分别进行三个煤样的试验，取得三个煤样平均值之后得到不同温度下试验结果。 且每组试验中固定瓦斯压力、围压值及相同加载条件。 步骤如下所述。

1) 煤样的安装。将煤样上下端面用砂纸打磨平整，确保与三轴室的上下压头紧密贴合。在放入三轴室之前用704硅橡胶将煤样周围涂抹均匀，确保套入热缩管后与其紧密贴合。

2) 抽真空。将套上热缩管的煤样放入三轴室，并上下紧好喉箍，安装环向引伸计及温度传感器。用螺丝固定好三轴室，打开出气阀，关闭进气阀，进行真空抽气。

3) 调节试验条件。将三轴室下降到恒温油域中，围压、轴压加载到预定值，通入瓦斯进行吸附平衡，测量气体流量，直至煤样破碎。

4) 每个温度下进行三个试验后，再调节温度进行后续试验。

2 试验结果与分析

2.1 实时温度作用下含瓦斯原煤变形特性分析

图2为实时温度条件下对含瓦斯原煤进行三轴压缩试验的全程偏应力-应变曲线。由图2(a)可知，该曲线大致分为压密阶段、弹性阶段、屈服阶段、破坏峰后阶段、残余变形阶段5个阶段，与文献[5]研究结果一致。

1) 轴向应变：如图2(a)所示，在温度20 ℃时，煤样的屈服阶段不明显，随着温度的升高，煤样轴向应变曲线的屈服阶段逐渐明显，并且较早达到屈服点；在实时温度作用下，煤样在20～40 ℃时抗压强度值大小变化不明显，分析认为可能是较低温度时热力固耦合作用的结果。但在50 ℃、60 ℃温度作用下三轴抗压强度比20～40 ℃下降明显，特别是温度为60 ℃时，煤样抗压强度减少3.27 MPa，下降幅度为23.3%；由图3可知，煤样的抗压强度随着温度的升高而呈现下降趋势，而峰值轴向应变随温度升高呈增大趋势(图2(a))。因此温度越高，轴向变形越明显。

2) 径向、体积应变：如图2(b)和图2(c)所示，两者曲线变化趋势基本一致，压密阶段不明显，在弹性阶段，偏应力-应变曲线大致呈线性关系，且随着温度的升高，线性增加趋势越缓慢，径向、体积应变增加越大。温度越高，抗压强度达到峰值时的径向、体积应变绝对值呈现增大趋势。表明煤样的抵抗变形能力随着温度的升高而变弱。

综上，煤样的抗压强度随着温度升高而呈现下降趋势。一方面是因为煤的吸附能力随着温度的升高而下降，故温度高的煤样中游离的瓦斯含量增加，削弱了围压的作用，而轴压不断加载时，使得孔裂隙增加并不断的发展、衍生，使得煤样的抵抗变形能力减小。另一方面是因为温度的升高使煤样内部产生热应力，改变了煤样内部基质，煤样内部颗粒受热体积膨胀而相互挤压，煤体结构遭到破坏，也使得煤样抵抗变形能力减小。

图2 含瓦斯原煤偏应力-应变曲线

图3 原煤抗压强度随温度变化曲线

如图3所示，数值拟合数学表达式为：y=-6.852 59×10-4exp(x/6.815 03)+15.299 69，由数学表达式可知煤样抗压强度与温度呈指数关系，拟合度为0.923 46。

2.2 含瓦斯煤渗透率随偏应力演化规律分析

由试验结果绘制出实时温度为20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃时，煤样偏应力-应变-渗透率关系曲线，如图4所示。

图4 实时温度下原煤偏应力-应变-渗透率曲线

从图4中可以看出，20～60 ℃温度下偏应力、渗透率随应变变化曲线规律大致相同。煤样在压密阶段，渗透率随着偏应力增大而减小，这是由于施加的偏应力使得原煤煤样原有的孔裂隙挤压闭合，使得瓦斯的通道变窄而形成一道阻碍瓦斯流动的障碍区，所以工作面开采时煤岩处于压密阶段，不利于煤层瓦斯的抽采；当采动偏应力处于弹性阶段时，渗透率也随着偏应力增大而减小，但下降速率比压密阶段较缓慢，这是由于原有孔裂隙被进一步压实，但是施加的力不足以使煤产生新的破坏，故原有瓦斯通道变窄幅度较压密阶段减小，故渗透率下降缓慢，此时同样不利于瓦斯抽采；当快要到屈服阶段，随着偏应力的增大，渗透率出现继续下降、与弹性阶段持平、较小增幅等现象。此阶段煤样只是产生微裂隙，孔隙度较小，瓦斯的流通通道并没有打开，瓦斯抽采时需要注意此阶段的变化；当煤样偏应力达到峰值时，即煤岩体失稳破坏阶段，渗透率突然增大。此阶段煤样的孔裂隙变化较大，原始裂隙扩展贯通和新生裂隙的发展，甚至出现宏观破裂都为瓦斯渗透形成了良好的通道。 峰值后应力骤然下降，渗透率猛增，煤样承载并没有完全消失，还有一定的残余应力。

综上，在受偏应力影响下，轴向应变增加，渗透率呈“V”字演化即先减小到最低点后迅速增大。偏应力-应变曲线呈倒“V”形式变化，两者曲线相反。因此当井下工作面采动时，会打破原本平衡的应力分布状态，出现应力集中现象。要注意应力处于不同阶段，进行合理的瓦斯抽采工作。对于高瓦斯、低透气的煤层开采，要注意开采速度的控制，做好支护和瓦斯抽采及检测工作，确保煤层开采工作安全科学有效。

2.3 含瓦斯煤渗透率随温度演化规律分析

由图4可知，渗透率与温度的关系和煤岩所受应力-应变阶段相关。在压密阶段，渗透率随着温度的升高而降低，弹性阶段较压密阶段降低幅度减小。在屈服阶段整体也呈下降趋势，但60 ℃煤样渗透率变化明显比其他温度快，这是由于高温度使得煤岩抗压强度变低，60 ℃煤样较早进入屈服阶段且停留时间较短，孔裂隙迅速扩大和发展，渗透率增高。直到在渗透率转折点之前(即偏应力到峰值左右时)，不同温度下在相同轴向应变时，都随着温度升高，渗透率呈下降趋势。综合分析其原因：①温度升高，煤颗粒受热发生膨胀，在偏应力未达到峰值前，导致煤体受热膨胀热应力小于偏应力，使得煤基质向内膨胀，煤体颗粒及孔裂隙结构骨架相互挤压，瓦斯通道减少，使得渗透率降低；②结合文献[4]和文献[5]，当瓦斯压力固定时，温度升高，瓦斯气体密度降低，质量不变下体积膨胀，气体分子的活性和内能增大，由于气体分子在煤样中是流动的，进而将内能转化为动能，即温度升高，瓦斯气体分子动能增加，动力黏滞系数增加进而煤的透气系数降低,不利于煤内瓦斯气体流动，渗透率降低；且从压密阶段到屈服阶段，温度越高，渗透率下降速度越缓慢，渗透率变化曲线越平缓。由于温度越高，煤样的塑性越强，引起煤样孔裂隙张开及颗粒、骨架膨胀，在同一轴向应变下，当热应力小于偏应力时，高温煤样内部可压缩空间较小，孔裂隙闭合速度较快。所以渗透率下降缓慢。但失稳破坏阶段，渗透率迅速升高，60 ℃依旧比其他温度下的渗透率升的快，由于温度升高内部孔裂隙迅速产生新的裂隙，瓦斯通道打开，渗透率增加。因此当采煤工作面进行到屈服失稳破坏阶段，高温煤层瓦斯迅速涌出，煤与瓦斯突出事故危险性增加。 要注意合理抽采瓦斯及工作面的采掘速度。

图5 含瓦斯煤渗透值随温度变化曲线

图5为含瓦斯煤初始渗透率与最小渗透率随温度变化曲线，大致呈线性反相关关系，表明随着温度的升高，煤样初始渗透率与最小渗透率呈下降趋势。温度越高，同温度下的初始渗透率与最小渗透率之间差值越小；这也表明温度越高，温度对煤样的渗透率影响程度越低。

由于煤炭资源是不可再生能源，随着能源需求不断增加，煤矿开采深度逐渐增大，地温也随之上升，瓦斯压力也在不断增加，由试验结果可知，温度越高，煤层渗透率越低。因此，瓦斯透气性差，导致瓦斯积聚，容易造成煤与瓦斯突出事故。由图4可知，当采动工作面进入屈服阶段，瓦斯渗透率增加，温度越高，煤的抗压强度越低，越早进入屈服阶段，大量瓦斯涌出，很容易造成煤与瓦斯突出事故。在采煤工作面工作时，需要注意煤层温度及采煤应力的发展阶段，合理抽采瓦斯量及瓦斯监测工作。

3 结 论

1) 含瓦斯煤三轴压缩条件下，温度越高其三轴抗压强度越低，两者呈反相关关系，峰值时轴向应变和径向、体积应变绝对值增大。表明随着温度升高，原煤的抵抗变形能力越小。

2) 煤样在受偏应力影响下，随着轴向应变的增加，渗透率先减小后增加呈现“V”字型演化，当发生相同轴向应变时，温度越高，渗透率越低。

3) 随着温度的升高，煤样初始渗透率与最小渗透率呈下降趋势。同一温度下的初始渗透率与最小渗透率之间差值越小。表明温度越高，温度对煤样的渗透率影响程度越低。