三軸應力狀態(tài)下導水系數的測定

三軸應力狀態(tài)下導水系數的測定

1在人工煤中的滲流特性煤炭通道的導系數是一個綜合指標，用于衡量煤炭滲透性。多年來，國內外許多學者在測定煤巖體的滲透性能方面做了大量的工作。研究工作主要從兩個方面進行，(1)在實驗室內對小試樣進行滲透性測定。如Swell等（1978）研究了單向應力作用下煤和油母頁巖的徑向滲透性；J.B.Walsh(1981)研究了圍壓和孔隙壓對裂縫滲透性影響的理論問題；日本的藤村尚等(1979)進行了無圍壓狀態(tài)下花崗巖的滲透系數測定實驗，得出了滲透系數與孔隙率成線性關系的結論；C.A.Morrow等(1986)對花崗巖的滲透系數進行了測定，得出結論為：式中K為滲透系數；A,B為常數；eP為圍壓；PP為孔隙水壓力；a為孔隙壓系數。(2)在現場進行大范圍原位巖體的滲流特性測定。如前蘇聯(lián)學者馬克西莫夫(MakcmobM.N)，瑞典安達斯·卡爾遜和湯米·阿爾遜(AndersCarlss0n&TommyOlsson)等，通過對不同巖石的分段壓水試驗及物性試驗，測出了不同深度或不同圍壓下裂隙巖體的滲透性，用以研究裂隙巖石滲透性隨埋深或圍壓的變化。他們曾分別提出如下巖石滲透率隨埋深或圍壓的變化規(guī)律：式中K為深度S或圍壓P時的滲透率；K0為某一參考深度或某一參考圍壓時的滲透率；0P為參考圍壓；a為滲透率隨埋深或圍壓的變化系數；A為實際值與理論值偏差系數。文獻在山東金嶺鐵礦露天坑幫不同深度上，對中奧陶紀灰?guī)r內發(fā)育的裂隙進行了統(tǒng)計測量，并進行了滲透張量計算，得出了隨埋深增加，各滲透主值均按負指數規(guī)律減小，但三個滲透主值隨埋深衰減的速率不同的結論。文獻進行了三軸應力作用下φ50mm×95mm成型煤樣瓦斯?jié)B透率變化規(guī)律的實驗研究。分析上述研究可知，在實驗室內的研究或采用小試件，或采用成型煤樣；而現場測定又存在工程量大，人力、物力消耗多，且研究結果對于普遍推廣的意義不大。本次實驗研究，對我國18個煤礦主采煤層大煤樣進行了導水系數實驗室測定工作，得到了較好的結果，該研究對煤層注水、瓦斯抽放和煤層氣開發(fā)等工程實踐具有一定的指導意義。2煤體抗壓強度測試系統(tǒng)組成實驗裝置由主機、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)等4大部分組成，見圖1所示。主機由上、下壓板，立柱，壓頭和軸向油缸等組成。動力系統(tǒng)由電動油泵，三個4通閥，油管，孔隙水壓油缸、氮氣瓶和充氣工具等組成。其中，軸壓動力系統(tǒng)，側壓動力系統(tǒng)和水壓動力系統(tǒng)等均配置相應的穩(wěn)壓裝置，以消除3種壓力同時反映到煤體上產生的相互影響；控制系統(tǒng)由組合閥(單向閥、安全閥)、截止閥、蓄能器等部件組成，由此組成3套獨立的系統(tǒng)，實現軸壓、側壓及孔隙水壓的單獨控制；測試系統(tǒng)由磁性表座、千分表、百分表、量杯、試管和壓力表等組成。該實驗裝置的主要技術指標為：主機油缸最大加載能力2000kN，側向壓力20MPa，孔隙水壓力15MPa，油泵工作壓強63MPa，煤樣尺寸為100mm×100mm×200mm。3煤體導水系數的測定將現場采集來的煤樣在大型煤巖加工機上切割成100mm×l00mm×200mm的試件，修磨到所要求的精度后，置入三軸滲透儀室內密封，將軸壓、側壓加到預定的初值，然后加水壓1～2MPa，浸濕煤樣3h以上，再進行導水系數的測定。在實驗前詳細制定軸壓、側壓和注水壓力的匹配方案，見表1所示。表中符號○為所有試樣都做，×為只有部分試樣做。在實驗過程中，每級軸壓、側壓和水壓均用蓄能器穩(wěn)壓，以防壓力波動。在每級軸壓與側壓下，調整水壓，用量杯量測每一時間段內的滲出水量。在水壓較低或相對圍壓較高的情況下，煤體導水性很低，測量的時間段相對加長；反之，相對縮短。實驗測定與計算的理論依據是Darcy定律，即式中T為導水系數；Q為時間段內滲出水量；L為水流過的距離；A為試件的橫斷面積；?P為壓力水頭。4實驗煤樣在煤巖三軸應力滲透測試儀上，對18個主采煤層的煤樣進行了滲透性的實驗研究，實驗煤層的物理力學指標見表2所示。5煤體導水系實驗結果將表2所列煤層樣品按照表1的實驗方案進行實驗，根據達西定律計算其導水系數。由于煤質的不均勻性，煤層樣品的導水系數離散度較大，故采用指數意義下的平均值作為其在不同軸壓、不同圍壓及不同水壓下的導水系數平均值。表3示出王莊煤礦3#煤層在不同軸壓、不同圍壓及不同水壓下的導水系數平均值。根據各煤層導水系數的測定結果，將煤體導水系數與體積應力和孔隙水壓按指數規(guī)律擬合，即：式中ta,tb,ct均為擬合常數，其中ta為導水系數初值；tb為體積應力系數；ct為孔隙水壓系數；T為導水系數（md）;P為平均孔隙水壓（MPa）；Θ為體積應力，Θ=σ1+σ2+σ3。依此對各煤層樣品試驗數據擬合，將其結果列入表4。對于煤層注水來說，當采深(軸壓)一定時，側壓也隨之確定，取煤體的側壓系數λ=5.0，則σ2=σ3=.05σ1；考慮到注水實驗時的最高水壓不超過最小主應力這一事實(否則就成了水力壓裂)，選擇Pmax=σ2=.05σ1，則實際采深H條件下的煤樣導水系數為：由式(7)可以求得各煤層在實際采深條件下的煤樣導水系數值。表4列出了實驗煤層在實際采深條件下的導水系數值。6煤體滲透性能的研究通過對試驗結果的詳細分析，可以得出如下初步結論：(1）煤體的導水系數T隨體積應力Θ的增加呈負指數規(guī)律衰減，即隨煤層埋藏深度的增加而減?。浑S孔隙水壓力P的增加呈正指數規(guī)律增加，即隨注水壓力的增加而增大。(2）煤樣的導水系數T與導水系數初值ta成正比，而導水系數初值ta主要受煤層本身結構的影響，如孔隙率η，潤濕性θ，裂隙量D和N1m等共同決定。(3）在統(tǒng)計意義上，中變質程度煤比高變質程度煤及低變質程度煤的導水系數大，但它也受煤的賦存條件和結構特征的影響。因此，應在實驗的基礎上來評價煤體的滲透性能。(4）由式（7）計算出的實際采深條件下的煤體導水系數值是一個能夠反映采深對滲透性影響的綜合參數，可作為煤體滲透特性分類的一個主要指標。7現場試驗驗證多年來，我們先后對許多煤礦的主采煤層的導水系數進行了實驗室測定，在此基礎上進行了各煤層注水可行性研究以及合理注水參數的確定。為忻州窯礦11#層8305工作面沖擊地壓危險區(qū)進行了煤層動壓注水，有效地防止了沖擊地壓的發(fā)生。為王莊煤礦3#煤層提供了高壓注水方案，解決了中硬煤層軟化和降低粉塵濃度等問題，使綜采放頂煤采煤