富含瓦斯煤岩渗透规律的实验研究

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1、富含瓦斯煤岩渗透规律的实验研究收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）国家自然科学基金重点项目（），国家重大基础研究发展计划（2005CB）作者简介：张天军1许鸿杰1李树刚2陈占清3(1.西安科技大学理学院；2.西安科技大学能源学院，西安；3.中国矿业大学理学院，徐州)摘要：阐述了富含瓦斯煤岩力学介质属性、微结构模型、渗透特性及其孔裂隙和破碎块度的分形特征性，利用电液伺服岩石力学试验系统以数控瞬态渗透法进行了煤样全应力应变过程的电液伺服试验，研究了全应力应变过程中煤样渗透性的变化特征，给出了煤样渗透性与主应力差、

2、轴应变、体积应变关系曲线，并拟合出相应方程。依据实验研究结果指出了煤岩层理裂隙及所处应力应变状态对其渗透性的影响。关键词：富含瓦斯煤岩；全应力应变；渗透率-应变方程；煤的渗透性中图法分类号：TD712.51ExperimentResearchonthePermeabilityDisciplinarianofGas-richCoal-rocks(SH.G.Li1,T.J.Zhang2，Z.Q.Chen3，Y.SH.Li3)(1SchoolofEnergy,Xi'anUniversityofScienceandTec

3、hnology;Xi'an,China2Dept.ofBasicCourses,Xi'anUniversityofScience&Technology;Xi'an,China3SchoolofScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,China)Abstract:Themechanicalmediaproperties,micro-structuralmodel,permeability,andfractalcharacteristicsofporou

4、scracksandfragmentationofgas-richcoal-rocksarediscussed.Electro-hydraulicservotestsofcompletestress-strainprocessofcoalsamplesareconductedbyusingtheelectro-hydraulicservocontrolledrockmechanicstestingsystemandthenumericallycontrolledtransientpermeabilitymetho

5、d.Thevaryingcharacteristicsofcoalsamplepermeabilityarestudied.Therelationshipbetweenthepermeabilityandtheprincipalstressdifference,axialstrainandvolumetricstrainisestablished,andthecorrespondingequationsaregiven.Thetestsrevealtheeffectsofcoalrockcracksandthei

6、rstress-strainstatetothepermeability.Keywords:gas-richcoal-rocks;completestress-strain;permeability-strainequation;permeabilityofcoalsample1.引言富含瓦斯煤岩体是一种含有极其复杂和不规则孔隙和后生裂隙的非均质固流两相介质。煤岩体变形和强度以及流体在多孔隙裂隙煤岩体中的渗流规律是富含瓦斯煤岩开采过程中非常关心的问题。开采扰动下矿山压力的变化引起煤岩体产生变形，其渗透性质随之而变

7、，导致流体压力分布及运移形态发生变化，这种变化有时将成为煤层自燃、瓦斯突出、底板突水等事故的隐患。国内外许多学者通过大量试验对不同矿井的各种岩样应力与渗透率关系进行了广泛研究[1-8]。其中关于坚硬致密且相对均匀均质岩石的研究成果较为丰富，煤岩的层理、节理、孔隙、裂隙等缺陷复杂多变，组分千差万别，因此其强度更低，离散性更大。针对富含瓦斯煤岩力学介质属性和渗透规律的研究尚不多见。本文在前人研究的基础上，选取煤与瓦斯突出矿和富含瓦斯非突出矿的煤岩对其力学介质性态和全应力应变过程中的渗透特性进行对比研究。2.富含瓦斯煤

8、岩力学介质性态2.1含瓦斯煤岩非均质性对其力学性质的影响煤岩在力学性质上是典型的非均质体，其强度与煤岩中镜质体和丝质体含量有高度相关性，其含量越高，煤岩的单轴抗压强度越低。富含瓦斯煤岩对瓦斯有很强的吸附和解析作用，短时间内即可完成。由瓦斯引起的附加应力的存在，使煤岩的应力增加、强度降低，瓦斯使煤体在弹性变形阶段的弹性模量随瓦斯压力的增加而降低。瓦斯压力驱使瓦斯分子进入了煤