三軸應(yīng)力狀態(tài)下導(dǎo)水系數(shù)的測定

三軸應(yīng)力狀態(tài)下導(dǎo)水系數(shù)的測定

1在人工煤中的滲流特性煤炭通道的導(dǎo)系數(shù)是一個綜合指標，用于衡量煤炭滲透性。多年來，國內(nèi)外許多學(xué)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(nèi)對小試樣進行滲透性測定。如Swell等（1978）研究了單向應(yīng)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(shù)測定實驗，得出了滲透系數(shù)與孔隙率成線性關(guān)系的結(jié)論；C.A.Morrow等(1986)對花崗巖的滲透系數(shù)進行了測定，得出結(jié)論為：式中K為滲透系數(shù)；A,B為常數(shù)；eP為圍壓；PP為孔隙水壓力；a為孔隙壓系數(shù)。(2)在現(xiàn)場進行大范圍原位巖體的滲流特性測定。如前蘇聯(lián)學(xué)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(shù)；A為實際值與理論值偏差系數(shù)。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(nèi)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(shù)規(guī)律減小，但三個滲透主值隨埋深衰減的速率不同的結(jié)論。文獻進行了三軸應(yīng)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(nèi)的研究或采用小試件，或采用成型煤樣；而現(xiàn)場測定又存在工程量大，人力、物力消耗多，且研究結(jié)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(dǎo)水系數(shù)實驗室測定工作，得到了較好的結(jié)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(dǎo)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(cè)壓動力系統(tǒng)和水壓動力系統(tǒng)等均配置相應(yīng)的穩(wěn)壓裝置，以消除3種壓力同時反映到煤體上產(chǎn)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(xiàn)軸壓、側(cè)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(shù)指標為：主機油缸最大加載能力2000kN，側(cè)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(dǎo)水系數(shù)的測定將現(xiàn)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(nèi)密封，將軸壓、側(cè)壓加到預(yù)定的初值，然后加水壓1～2MPa，浸濕煤樣3h以上，再進行導(dǎo)水系數(shù)的測定。在實驗前詳細制定軸壓、側(cè)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(cè)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(cè)壓下，調(diào)整水壓，用量杯量測每一時間段內(nèi)的滲出水量。在水壓較低或相對圍壓較高的情況下，煤體導(dǎo)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(jù)是Darcy定律，即式中T為導(dǎo)水系數(shù)；Q為時間段內(nèi)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(yīng)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(xué)指標見表2所示。5煤體導(dǎo)水系實驗結(jié)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(jù)達西定律計算其導(dǎo)水系數(shù)。由于煤質(zhì)的不均勻性，煤層樣品的導(dǎo)水系數(shù)離散度較大，故采用指數(shù)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(dǎo)水系數(shù)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(dǎo)水系數(shù)平均值。根據(jù)各煤層導(dǎo)水系數(shù)的測定結(jié)果，將煤體導(dǎo)水系數(shù)與體積應(yīng)力和孔隙水壓按指數(shù)規(guī)律擬合，即：式中ta,tb,ct均為擬合常數(shù)，其中ta為導(dǎo)水系數(shù)初值；tb為體積應(yīng)力系數(shù)；ct為孔隙水壓系數(shù)；T為導(dǎo)水系數(shù)（md）;P為平均孔隙水壓（MPa）；Θ為體積應(yīng)力，Θ=σ1+σ2+σ3。依此對各煤層樣品試驗數(shù)據(jù)擬合，將其結(jié)果列入表4。對于煤層注水來說，當(dāng)采深(軸壓)一定時，側(cè)壓也隨之確定，取煤體的側(cè)壓系數(shù)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(yīng)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(dǎo)水系數(shù)為：由式(7)可以求得各煤層在實際采深條件下的煤樣導(dǎo)水系數(shù)值。表4列出了實驗煤層在實際采深條件下的導(dǎo)水系數(shù)值。6煤體滲透性能的研究通過對試驗結(jié)果的詳細分析，可以得出如下初步結(jié)論：(1）煤體的導(dǎo)水系數(shù)T隨體積應(yīng)力Θ的增加呈負指數(shù)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(shù)規(guī)律增加，即隨注水壓力的增加而增大。(2）煤樣的導(dǎo)水系數(shù)T與導(dǎo)水系數(shù)初值ta成正比，而導(dǎo)水系數(shù)初值ta主要受煤層本身結(jié)構(gòu)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(zhì)程度煤比高變質(zhì)程度煤及低變質(zhì)程度煤的導(dǎo)水系數(shù)大，但它也受煤的賦存條件和結(jié)構(gòu)特征的影響。因此，應(yīng)在實驗的基礎(chǔ)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(dǎo)水系數(shù)值是一個能夠反映采深對滲透性影響的綜合參數(shù)，可作為煤體滲透特性分類的一個主要指標。7現(xiàn)場試驗驗證多年來，我們先后對許多煤礦的主采煤層的導(dǎo)水系數(shù)進行了實驗室測定，在此基礎(chǔ)上進行了各煤層注水可行性研究以及合理注水參數(shù)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