CN104374684A - 用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统及其应用，属于岩土工程领域。该系统包括气源罐、第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、真空泵、气体稳压增温控制装置、具有试件的MTS围压腔、第一压力计、第二压力计、第一流量计、第二流量计；所述气体稳压增温控制装置包括气体增压泵、气体加热控制器、第一气体加热器、第一气体加热器、高压储气反应釜、空气压缩机、压力表、第六阀门、第七阀门。本系统能够准确测试采动过程中卸荷煤岩体渗透率，适用于煤层开发。

Description

用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统及其应用

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统及其应用。

背景技术

随着浅部煤炭资源保有量的不断减少和经济发展对能源需求的不断增加，煤炭资源开采强度和深度与日俱增，灾害事故也不断发生。而煤层气作为影响地下煤矿安全和高效开采的主要风险之一，也正作为一种气体资源在美国、澳大利亚、中国等国家被广泛利用。煤矿开采的采动过程中，煤岩体的渗透率演化规律，对煤层气资源化利用及煤层整体稳定性和强度，煤层破坏进程和灾害事故的发生都有非常重要的影响。

许多学者针对渗透率这一表征煤岩体渗流特性的重要参数本身及其在煤岩体加载变形过程中的演化规律进行了各具特色的研究。试验研究表明，在恒定温度和应力条件下，因煤岩体吸附膨胀，吸附性气体(如CH₄，CO₂)在煤岩体中的渗透率明显低于非吸附性气体(Ar、N₂)；恒定温度条件下，围压对煤岩体渗透率有显著影响；煤岩体渗透率随孔隙压力的升高而下降。根据试验研究得到的观测结果，学者们在设定理想条件和假设煤体结构的基础上，提出了许多基于应力的煤岩渗透率模型用于分析预测煤层变形及渗透率演化规律。大量相关研究显示煤岩体渗流能力具有极强的应力相关性，因此在分析煤岩体的渗透率演化规律时，应该认真考虑煤岩体所处的真实采动应力环境的相关影响。

深部煤炭资源开采过程中，因井巷掘进及工作面推进，临空面附近应力场重分布，煤岩体常处于轴向加载，环向卸载的应力状态；现有关于煤岩体渗透率演化规律的研究多数通过常规三轴测试进行，而常规三轴测试仅能反应煤岩体材料层面的本征渗透率演化过程，不能反应煤岩体在真实采动过程中的渗透率演化规律。虽然有部分学者开展了卸荷应力状态的煤岩渗透率研究，但是仅仅对试验条件本身对渗透率的研究加以阐述，并没有与煤岩体开采所处的真实采动应力环境相匹配，因此为探究煤岩体在真实采动应力环境中的渗透率演化规律，需要对煤岩体在采动过程中卸荷条件下的渗透率演化规律展开研究。另外，煤岩体卸荷过程中，开采条件的差异会造成轴向荷载单位增量的差异；有关研究也表明轴向加载速率不同，卸荷煤岩体的力学特性、破坏特征及声发射时空演化规律都会有显著的差异。同时，现有技术中的系统无法很好的完成相关测试和数据的同步记录工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中并不存在测试采动过程中卸荷应力状态下的渗透率演化规律系统的不足，提供一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统及其应用。

本发明采用如下技术方案：

一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，包括气源罐、第一减压阀、第二减压阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、真空泵、气体稳压增温控制装置、具有试件的MTS围压腔、第一压力计、第二压力计、第一流量计、第二流量计；所述气体稳压增温控制装置包括气体增压泵、气体加热控制器、第一气体加热器、第一气体加热器、高压储气反应釜、空气压缩机、压力表、第六阀门、第七阀门；

其中，真空泵与第一阀门的一端相连，第一阀门的另一端通过第一减压阀和气源罐相连，同时真空泵通过第一阀门分别与第二阀门的一端及第三阀门的一端相连，第三阀门的另一端与第四阀门的一端及第七阀门的一端相连，第二阀门的另一端分别与气体增压泵的两端相连，第四阀门另一端通过管路依次与第二减压阀、第一流量计和MTS围压腔中试件的底部相连，MTS围压腔中试件的顶部通过管路依次与第二流量计和第五阀门相连，第一压力计设置于第一流量计和MTS围压腔之间的管路上，第二压力计设置于MTS围压腔和第二流量计之间的管路上；

第一气体加热器与第二气体加热器分别与气体加热控制器相连，第一气体加热器与第二气体加热器并联后的一端与气体增压泵的一端相连，且二者并联后的另一端依次与第六阀门、高压储气反应釜及压力表相连，同时高压储气反应釜通过管路与第七阀门的另一端相连，气体增压泵与空气压缩机相连。

所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其中，所述第一减压阀、第二减压阀为先导式减压阀。

所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其中，所述第一压力计、第二压力计为压阻式电子压力计。

所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其中，所述管路为金属细管。

上述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统在测试不同加载速率卸荷煤岩体渗透率中的应用。

所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统在测试不同加载速率卸荷煤岩体渗透率中的应用，其中，所述的系统施加的气体孔隙压力为0.1～20MPa，外部气源加温温度的范围为室温～70℃。

本发明的有益效果是：本系统易于实现，能够在MTS岩石力学测试系统准确控制煤岩体加载、记录应力和变形数据的基础上，实现外部气体稳压恒温渗流条件的施加，实现采动过程卸荷煤岩体渗透率的稳定准确测试，分析研究煤岩体在真实采动卸荷条件下的渗透率演化规律及轴向加载速率对煤岩体渗流特性的影响，也可以为其他气体渗流相关测试提供硬件支持。很好地完成相关测试和数据的同步记录工作，提高煤炭资源开采的安全性。本发明适用于煤层开发与挖掘。

附图说明

图1为本发明测试系统的结构示意图；

图2为采动卸荷试验应力路径图；

图3为峰值应力对应应变随第二阶段轴向加载速率变化趋势图；

图4为峰值应力及其对应围压随第二阶段轴向加载速率变化趋势图；

图5为峰值渗透率和初始渗透率随第二阶段轴向加载速率变化趋势图；

图6为时间与低轴向加载速率卸荷试件的轴向应力、应力比及渗透率关系图；

图7为时间与中轴向加载速率卸荷试件的轴向应力、应力比及渗透率关系图；

图8为时间与高轴向加载速率卸荷试件的轴向应力、应力比及渗透率关系图；

其中，1为气源罐，2-1为第一减压阀，2-2为第二减压阀，3-1为第一阀门，3-2为第二阀门，3-3为第三阀门，3-4为第四阀门，3-5为第五阀门，3-6为第六阀门，3-7为第七阀门，4为真空泵，5为气体稳压增温控制装置，6为MTS围压腔，6-1为试件，7-1为第一压力计，7-2为第二压力计，8-1为第一流量计，8-2为第二流量计，9为气体增压泵，10为气体加热控制器，11-1为第一气体加热器，11-2为第二气体加热器，12-高压储气反应釜，13为空气压缩机，14为压力表。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，

如图1所示，本发明是一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，包括气源罐1、第一减压阀2-1、第二减压阀2-2、第一阀门3-1、第二阀门3-2、第三阀门3-3、第四阀门3-4、第五阀门3-5、真空泵4、气体稳压增温控制装置5、具有试件6-1的MTS围压腔6、第一压力计7-1、第二压力计7-2、第一流量计8-1、第二流量计8-2；所述气体稳压增温控制装置5包括气体增压泵9、气体加热控制器10、第一气体加热器11-1、第二气体加热器11-2、高压储气反应釜12、空气压缩机13、压力表14、第六阀门3-6、第七阀门3-7；

其中，真空泵4与第一阀门31的一端相连，第一阀门3-1的另一端通过第一减压阀2-1和气源罐1相连，同时真空泵4通过第一阀门3-1分别与第二阀门3-2的一端及第三阀门3-3的一端相连，第三阀门3-3的另一端与第四阀门3-4的一端及第七阀门3-7的一端相连，第二阀门32的另一端分别与气体增压泵9的两端相连，第四阀门3-4另一端通过管路依次与第二减压阀22、第一流量计8-1和MTS围压腔6中试件6-1的底部相连，MTS围压腔6中试件6-1的顶部通过管路依次与第二流量计8-2和第五阀门3-5相连，第一压力计7-1设置于第一流量计8-1和MTS围压腔6之间的管路上，第二压力计7-2设置于MTS围压腔6和第二流量计8-2之间的管路上；

第一气体加热器11-1与第二气体加热器11-2分别与气体加热控制器10相连，第一气体加热器11-1与第二气体加热器11-2并联后的一端与气体增压泵9的一端相连，且二者并联后的另一端依次与第六阀门3-6、高压储气反应釜12及压力表14相连，同时高压储气反应釜12通过管路与第七阀门3-7的另一端相连，气体增压泵9与空气压缩机13相连。

本发明所述MTS围压腔由高刚度金属制成，系MTS815岩石力学测试系统的主要组成部分，用于对岩石或煤试件提供围压，即提供三轴加载环境，完成对采动卸荷煤岩体渗透率的测试工作。

为了提高稳压精度，即提高对阀芯控制的灵敏度，所述第一减压阀2-1及第二减压阀2-2采用先导式减压阀。

由于压阻式电子压力计的高准确度、高复现性和高可信度，因此本发明专利中的第一压力计7-1及第二压力计7-2为压阻式电子压力计。

基于成本及使用效果考虑，所述管路为金属细管。

用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率系统的应用，具体而言是利用测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统测试在不同加载速率卸荷煤岩体渗透率中的应用，在以下两个实施例中描述其具体应用。

实施例1

本例中的煤样取自四川芙蓉集团白皎矿，均为无烟煤。经XRD及XRF分析显示煤样主要由碳、方解石、高岭土三种矿物组成，其中碳占70.77％，方解石占5.39％，高岭土占5.78％。在实验室轴向加载应变率为10^-4的条件下，煤样平均单轴抗压强度为10.1MPa，25MPa围压条件下常规三轴测试平均强度为96.6MPa。参考ASTM标准(D4543-08)的相关规定(具体可参见Standard Practices for Preparing Rock Core Specimens and Determining Dimensionaland Shape Tolerances)，将试件加工为Φ50mm×H100mm的标准尺寸。

本次试验使用改进的MTS815 Flex test GT岩石力学测试系统进行相关测试和数据记录工作，该测试系统轴向最大压缩荷载为4600kN；三轴轴向引伸计量程-2.5～5.0mm，环向引伸计量程-2.5～8.0mm；围压0～140MPa。在原测试系统的基础上，自主设计组装了气体渗流装置，可施加气体孔隙压力范围为0.1～20MPa，外部气源加温温度为室温～70℃，所述室温也称为常温或者一般温度，一般定义为25摄氏度，有时会设为300K(约27℃)，以利于使用绝对温度的计算。测试系统如图1所示。

采矿过程中煤岩体普遍经历了从原岩应力，到轴向应力(σ₁-σ₃)升高而围压(σ₃)递减(卸载)，直到破坏的完整应力变化过程。为模拟真实的采动应力环境条件，探究不同轴向加载速率卸荷煤岩体力学特性、渗透率及其演化过程，针对上述应力变化过程，特拟定如图2所示试验方案，试验分为三个阶段：(1)静水压力阶段：以3MPa/min的加载速率施加静水围压至25MPa，即图2中OA段；(2)第一卸载阶段：岩样均由A点开始卸载，围压卸荷速率为1MPa/min，同时以2.25MPa/min的偏应力加载速率加载至B点(σ₁＝37.5MPa，σ₃＝15MPa)；(3)第二卸载阶段：岩样均由B点继续卸载，围压卸荷速率仍为1MPa/min，同时分别以4.75MPa/min(E)，3.5MPa/min(D)和2.25MPa/min(C)的偏应力加载速率分别加载至试件破坏，分别对应图2中BE段、BD段、BC段。测试达到峰值荷载后，为保证试验设备安全，不再降低围压，继续加载至试件出现残余强度后停止试验。

试验过程中，首先对安放完毕经过胶膜密封的试件及压头施加一个初始应力，固定在压力机上。在充油和施加围压之后，对整个管路抽真空约60min。施加围压后，在进气管路充入压力为2MPa的甲烷气体，并稳定气压120min后开始按照既定试验方案加载。加载全程使用高精度的第一流量计8-1及第二流量计8-2和第一压力计7-1及第二压力计7-2，对进出口流量和孔隙压力数据进行测试。假设瓦斯渗流通过试样是各向等温过程，且满足理想气体状态方程，则可以根据试验中测得的流量数据，利用可压缩气体水平线性稳定渗流达西公式计算不同时段试件渗透率，如下式：

$K=\frac{2q{p}_0\mathrm{\μL}}{A(p_1^2-p_2^2)}$

式中：K-渗透率，单位为m²；q-瓦斯流量，单位为m³/s；p₀-测量点的大气压力，取0.101325MPa；A-试件的横截面积，单位为m²；μ-瓦斯的动力粘度系数，20℃时取为1.087×10^-5Pa·s；L-试件的长度，单位为m；p₁，p₂-进气口的瓦斯压力和出气口的瓦斯压力，单位为MPa。

实施例2

本例中说明了加载速率对卸荷煤岩体力学特性及渗透率演化的影响。

试件基本信息、加载条件及主要测试结果如表1所示。瓦斯压力差(P_P)及围压卸载速率在测试全程保持恒定，分别保持为2MPa/min和1MPa/min，第一和第二阶段轴向加载速率按照设定试验方案进行。

根据表1所示数据，第二阶段轴向加载速率最高试件E-2-1的峰值强度为58.67MPa，峰值强度对应轴向应变为0.858％，分别是速率最低试件C-2-1对应测量值的1.27倍和2.00倍，试件D-2-1和D-2-2对应测量值则介于两者之间。各试件力学参数、初始和峰值渗透率随第二阶段轴向加载速率的变化趋势如图3～5所示，围压卸载速率恒定条件下，试件峰值强度及其对应轴向应变均随第二阶段轴向加载速率增大而呈线性增长趋势。卸压试验中，轴向加载速率较大的试件，其强度也较高，满足岩石类材料强度通常随测试加载速率的增加而升高的一般情况；另外由于高加载速率试件在较高轴向应力水平条件下的加载变形时间较长，其轴向变形也相应较大。

由表1数据可知，测试试件初始渗透率平均值约为4.83×10^-17m²，试件E-2-1初始渗透率略高于平均值，但其峰值渗透率最小仅为2.38×10^-16m²，渗透率较初始值增长4.04倍；试件C-2-1的峰值渗透率最大为4.62×10^-16m²，对应其初始渗透率的17.77倍，而试件D-2-2经过试验测试渗透率增加至其初始渗透率的7.04倍。由图5可以看出，经过试验测试的卸荷煤样，其渗透率会增加至其初始渗透率的4～18倍，且试件峰值渗透率及渗透率增量均随第二阶段轴向加载速率升高而下降。产生这一现象的原因是相同卸载条件下，低轴向加载速率试件的轴向应力在第二卸压阶段相比高速率试件更低，试件平均应力水平较低；高平均应力水平条件下的卸荷试件，其孔隙裂纹被压密闭合，而低轴向加载速率试件的孔隙裂纹扩展连通情况较好，渗透率量值及增量也更高。

由表1及图3～5所示，试件在设定加载条件下，其峰值强度对应围压没有明显表现出随轴向加载速率增大而线性增长的趋势，基本保持在7～10MPa量级范围内。试件破坏时对应围压水平较高，说明采动过程中卸荷煤岩体在较高围压条件下即发生破坏的可能性较高；然而煤岩体临近破坏前内部孔隙裂纹快速扩展连通，极易造成煤岩体局部劣化和瓦斯有效渗流通道的增多，进而可能导致采动过程中卸荷煤岩体渗透率和变形量激增，瓦斯大范围运移及煤与瓦斯突出事故的发生。

表1 测试条件及主要试验结果

得到渗透率演化规律的具体过程为：定义试件的应力比为试件轴向应力与对应时刻环向应力之比，即静水压力状态应力比量值为1。相同瓦斯压力条件下，不同轴向加载速率试件加载时间与试件轴向应力、应力比及渗透率的关系如图6～8所示。不同轴向加载速率试件的渗透率演化曲线形态基本一致，试件在第一卸载阶段，渗透率均线性缓慢升高；在两卸载阶段的过渡区段，试件渗透率没有出现突变或波动；在第二卸载阶段初期，应力比小于等于4时，试件渗透率基本延续第一阶段线性增长趋势；在第二卸载阶段中后期，即当应力比大于4时，试件渗透率均加速增长，呈指数变化规律，并于试件达到峰值强度前渗透率激增并达到最大值。峰后围压不再卸载，试件被加载至残余强度阶段，试件渗透率在短暂波动后基本保持稳定。试验设定的轴向加载速率量级对煤岩体渗透率全程演化趋势没有产生显著的影响，仅对采动过程卸荷煤岩体渗透率量级及渗透率增量有比较明显的影响。但卸荷煤岩渗透率演化规律明显区别于常规三轴测试结果，试验过程中渗透率全程始终增大而没有下降段，更加真实地再现了采动应力条件下煤岩体的渗透率演化全过程，对工程实践也更具参考价值。

相同温度及应力条件下，煤岩基质瓦斯渗透能力远不及煤岩孔隙裂纹，故煤岩体内部孔隙裂纹的分布对瓦斯在其内的流动具有决定性的影响。常规三轴试验测试过程中煤岩渗透率普遍先降后升(具体可参见Wang，S.，D.Elsworth，J.Liu.Permeability evolution duringprogressive deformation of intact coal and implications for instability inunderground coal seams[J].International Journal of Rock Mechanics and MiningSciences，2013，58：34-45)，源于初始加载时试件轴向被压缩，而环向有恒定围压限制，试件内部孔隙裂纹趋于压紧闭合，试件渗透率会有略有下降；随着加载的持续进行，煤岩试件扩容现象显现，试件内部孔隙裂纹发育发展，逐渐连通，渗透率回升而后迅速增大。然而在卸载条件下，围压从加载伊始即开始降低，试样径向膨胀，轴向裂纹扩展，会诱使其轴向渗透率增大；而试件轴向被压缩，横向和斜向裂纹被压密闭合，虽对试件轴向渗透能力有影响，但不及围压效应影响显著，故试件加载初期渗透率未减小并缓慢增大；随加载进程不断推进，试件损伤累计，孔隙裂纹不断产生、发展和汇聚，在达到峰值应力前，试件轴向渗透能力达到峰值；峰后试件迅速破碎，试件内部裂隙网络重组后，有效渗流途径突然减少，试件渗透率会发生突降，而后趋于稳定。

当试件轴向应力与环向应力之比超过4时，渗透率便开始快速增加，故本组试件渗透率快速增长起始点对应应力比约为4；类似的，可以通过模拟真实采动应力条件下煤岩试件渗透率演化规律，确定测试煤岩体渗透率快速增长起始点的对应应力状态有助于参考相关应力检测数据，预估煤层渗透率激增位置，进而选择采取相应措施，保证煤层瓦斯渗流稳定和煤炭资源开采安全进行。

为探索煤岩体在真实采动过程中渗透率演化规律及轴向加载速率的相关影响，本实施例设计并完成了对不同轴向加载速率条件下，采动过程卸荷煤岩体力学特性及渗透率演化规律的全过程测试。结果表明，由于卸荷条件的施加，煤岩渗透率演化规律明显区别于常规三轴测试结果，渗透率测试全程始终增大而没有下降段，采动过程卸荷煤岩体渗透率起初缓慢线性增大，当应力比超过4时，转变为呈指数关系快速增长；采动过程卸荷煤岩渗透率一般在峰值应力前达到最大值，约为其初始渗透率的4～18倍，且其峰值渗透率及渗透率增量随加载速率升高而减小，其峰值强度及该时刻对应轴向应变随加载速率升高而增大。总之，考虑真实卸荷条件的本次测试结果，更贴近于煤岩体在真实采动应力条件的渗透率演化规律；在分析煤岩体渗透率时，应当考虑煤岩体所经历的真实应力条件。

Claims (6)

1.一种用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其特征在于，包括气源罐(1)、第一减压阀(21)、第二减压阀(2-2)、第一阀门(3-1)、第二阀门(3-2)、第三阀门(3-3)、第四阀门(3-4)、第五阀门(3-5)、真空泵(4)、气体稳压增温控制装置(5)、具有试件(6-1)的MTS围压腔(6)、第一压力计(7-1)、第二压力计(7-2)、第一流量计(8-1)、第二流量计(8-2)；所述气体稳压增温控制装置(5)包括气体增压泵(9)、气体加热控制器(10)、第一气体加热器(11-1)、第二气体加热器(11-2)、高压储气反应釜(12)、空气压缩机(13)、压力表(14)、第六阀门(3-6)、第七阀门(3-7)；

其中，真空泵(4)与第一阀门(31)的一端相连，第一阀门(3-1)的另一端通过第一减压阀(2-1)和气源罐(1)相连，同时真空泵(4)通过第一阀门(3-1)分别与第二阀门(3-2)的一端及第三阀门(3-3)的一端相连，第三阀门(3-3)的另一端与第四阀门(3-4)的一端及第七阀门(3-7)的一端相连，第二阀门(3-2)的另一端分别与气体增压泵(9)的两端相连，第四阀门(3-4)另一端通过管路依次与第二减压阀(2-2)、第一流量计(8-1)和MTS围压腔(6)中试件(6-1)的底部相连，MTS围压腔(6)中试件(6-1)的顶部通过管路依次与第二流量计(8-2)和第五阀门(3-5)相连，第一压力计(7-1)设置于第一流量计(8-1)和MTS围压腔(6)之间的管路上，第二压力计(7-2)设置于MTS围压腔(6)和第二流量计(8-2)之间的管路上；

第一气体加热器(11-1)与第二气体加热器(11-2)分别与气体加热控制器(10)相连，第一气体加热器(11-1)与第二气体加热器(11-2)并联后的一端与气体增压泵(9)的一端相连，且二者并联后的另一端依次与第六阀门(3-6)、高压储气反应釜(12)及压力表(14)相连，同时高压储气反应釜(12)通过管路与第七阀门(3-7)的另一端相连，气体增压泵(9)与空气压缩机(13)相连。

2.根据权利要求1所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其特征在于，所述第一减压阀(2-1)、第二减压阀(2-2)为先导式减压阀。

3.根据权利要求1所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其特征在于，所述第一压力计(7-1)、第二压力计(7-2)为压阻式电子压力计。

4.根据权利要求1所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统，其特征在于，所述管路为金属细管。

5.权利要求1至4任意一项所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统在测试不同加载速率卸荷煤岩体渗透率中的应用。

6.根据权利要求5所述的用于测试采动过程卸荷煤岩体渗透率的系统在测试不同加载速率卸荷煤岩体渗透率中的应用，其特征在于，所述的系统施加的气体孔隙压力为0.1～20MPa，外部气源加温温度的范围为室温～70℃。