热-力耦合作用下煤岩体渗流特性研究

易 欣，任 瑶，肖 旸，陈安明，张 琳

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.兖州煤业股份有限公司，山东 邹城 237500）

随着开采深度的增加，煤层赋存温度和应力升高，两者耦合作用下煤岩体结构和力学特性弱化。热力损伤变形促进煤岩体孔隙和裂隙的扩展和延伸，渗透性增大，空气渗流增加，煤体破碎易导致煤自燃[1-2]。目前，国内外学者从温度和应力角度分别研究了对煤渗透率的影响。Liu、苏承东等[3-4]对全应力-应变过程中煤岩体的抗压强度、变形机制及渗透特性进行研究；CHU，高宏波等[5-6]发现渗透性试验中煤岩渗透率与加载围压有关；ZHAO[7]发现煤层渗透率随着埋深增加呈减小趋势；孟超平、LU 等[8-9]试验发现煤样在残余阶段渗透性随应力增大而减小；ZHU 发现热效应使煤岩内部结构会产生微观改变[10]；梁冰等[11]基于热弹性理论研究发现岩石渗透率和温度呈线性关系；TENG、YIN 等[12-13]发现热膨胀效应使煤基质孔裂隙空间随温度升高而减小；文献［14－15］证实热效应对煤渗透率的影响，随煤岩裂隙闭合程度和埋深的增加而降低；LI 等[16]发现煤岩体随温度升高整体具有压缩效应。煤岩体渗透性能受应力和温度共同影响，而两者耦合作用下煤渗透率特性研究鲜见报道。因此，采用MTS815 测试系统测试了不同围压和温度的煤岩应力应变和渗透性，以期进一步认识热-力耦合作用下煤岩体渗透率变化规律。

1 试验方法

1.1 煤样制备

煤样选自顾北煤矿6#工作面，由于采样地点煤岩体破碎程度较高，无法进行块煤取芯制作试样，需采用成型煤样进行渗透性测试。型煤制备时通常选用粒度约为90 目的煤样用于渗透率、孔隙度与应力变化规律的研究[17-19]。筛选介于80～100 目原煤粉末，添加水、石膏、水泥搅拌。装入模具后再通过30 MPa 高频冲击压压制成型，制成6 组型煤煤柱，并在100 ℃烘干后密封保存。

1.2 试验设备及测试方法

试验采用美国明尼苏达Smit 公司产MTS815 岩石力学伺服系统进行围压加载及数据采集工作。试验加载方式及速率依据《煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》中规定，即三轴试验时应力控制时以1 MPa/min 循环加载至煤样破坏，测试围压分别为1.0、2.0、4.0 MPa。

渗流试验时轴向加载速率为0.001 5 mm/s，围压分别为1.0、2.0、4.0 MPa，并升温至50 ℃和100℃以研究温度对煤岩渗透率的影响。静水压力对于热加载具有一定的影响[20]，因此，采用水为渗流介质，水压设置为0.5、1.5、3.5 MPa。

2 试验结果及分析

2.1 煤样应力-应变特性分析

煤样应力-应变及渗透性测试结果见表1，应力-应变曲线如图1。

图1 煤样三轴应力应变曲线Fig.1 Triaxial stress-strain curves of briquette

表1 煤样全应力应变主要特性参数Table 1 Main characteristic parameters of total stress and strain of coal samples

图中：σ1为轴压；σ3为围压；σ1-σ3为偏应力。煤样三轴破坏过程具有压密、弹性、塑性、峰后破坏及残余等5 个特征形变阶段[20]。由于型煤制作时经30 MPa 高频冲击压压制较为致密，经水软化的饱和煤样所受渗透压与轴向静水压互相抵消，因此煤样压密阶段并不显著。

在峰前阶段，煤样应力－应变关系近似呈线性关系；达到峰值应力进入峰后段，应力下降至较低值（残余强度）。随着围压提高，煤样峰值应力及残余强度增大，塑性特征渐显现。

50 ℃时煤样变形破坏具有强度低、变形大的特征。随围压增加，煤样峰值偏应力由1.4 MPa 上升至3.6 MPa，轴向应变和环向应变均超过2%，达到峰值后，试样表现出较高剩余强度。100 ℃时随围压增加，煤样峰值偏应力增加至4.9 MPa；在围压4 MPa和水压1.5 MPa 下，温度升高产生的热效应使煤样发生热膨胀[21]，内部颗粒之间相互摩擦挤压，煤样结构遭到破坏，因此煤样抵抗变形能力下降；随着应力的增加，煤样应变增长的速率加快，煤样轴向变形接近5%，表现出应变软化特征和较强的延展性。

总体来看，在同温条件下，随着围压增加，煤样峰值偏应力有不同程度的增加，其抗压强度均得到了提升；同围压条件下，随着温度增加，煤样轴向、环向、体积应变增长速率加快，其塑性得到提升。

2.2 热-力耦合作用下的煤样渗透性特性

热-力耦合作用下饱和型煤渗透性如图2。

由图2 可以看出，煤样的应力-应变曲线与渗透率曲线变化趋势一致。以图2（c）为例，分别从5 个特征阶段分析煤样渗透率变化趋势：①初始密压阶段（OA 段）：煤样原生裂隙通道压密闭合，渗透率从6.60×10-12m2下降至2.30×10-12m2；②线弹性变形阶段（AB 段）：煤样渗透率呈缓慢增加趋势，渗透率从2.30×10-12m2增加到9.18×10-12m2；③峰值强度阶段（BC 段）：到达非线性变阶段后，煤样内部裂隙持续扩展、贯通伴随着宏观缝隙的出现，渗透率从9.18×10-12m2增长到2.40×10-11m2；④应变软化阶段（CD段）：煤样到达破坏阶段后，破裂面上出现错动，原有裂隙和新生裂隙进一步扩展贯通，煤样渗透率达到峰值；⑤残余阶段（DE 段）：峰值应力点后，煤样内部孔裂隙闭合量较大，可压缩渗流空间减小，渗透率从2.60×10-11m2下降到1.34×10-11m2。

图2 全应力应变过程中煤样渗透性Fig.2 Permeability during complete stress-strain process

不同围压条件时煤样渗透率如图3。

结合表1 及图3 可知：100 ℃温度的煤样渗透率从围压1 MPa 时的（0.20～0.69）×10-11m2达到4 MPa 时的（0.55 ～3.51）×10-11m2，表明煤样渗透率随围压增大而上升；压实阶段同围压条件下，在温度作用下，煤基质内部发生热膨胀[22]而引起内部裂隙闭合，因此，煤岩在较低温度（50 ℃）时的渗透性强于较高温度（100 ℃）；随加载进行，当煤样内部热膨胀作用力超过煤基质之间的拉应力屈服强度时，煤岩体内部裂隙张开，并伴有新裂隙发育使得煤样渗透率相应增加。

图3 不同温度下煤样轴向应变-渗透率曲线Fig.3 Axial strain-permeability curves of coal samples

煤样在不同阶段渗透率变化图如图4。

由图4 和表1 可知：热-力耦合作用下的渗透率-应变曲线呈倒“V’型变化规律，即随着轴向应变的增加，渗透率先增加后减小；同一轴向应变下，温度越高，渗透率越高；加载后期煤样渗透率变化趋势越平缓。表明随着煤样内部宏观裂缝数量和渗流通道体积的增加，煤体在温度、应力耦合作用的渗透率总体是增加的。随着渗透率增加，煤样内部裂隙进一步扩展、贯通形成裂隙网络甚至形成较大裂缝。这些裂隙网络为空气流通提供了通道，促进了煤氧的复合反应，从而加剧了井下煤自燃风险。

图4 煤样在不同阶段渗透率变化图Fig.4 Change graph of coal permeability at special characteristic stages

3 结 论

1）煤样随着围压增加，抗压强度和延展性增强。同围压条件下，煤样环向应变、体积应变随温度的升高而减小，抗形变能力越小。

2）在三轴渗流试验中，100 ℃下，煤样在1 MPa和4 MPa 围压下的峰值渗透率分别为0.69×10-11m2和3.51×10-11m2，渗透率随着围压增加明显增大，100 ℃下煤渗透率总是高于50 ℃，温度对煤样裂纹扩展、衍化以及新裂纹有促进作用。

3）煤岩内部新生裂隙随温度及应力增加进一步扩展、贯通形成更为复杂的裂隙网络，空气渗流通道扩展，氧气在煤层裂隙网络中的渗流作用加强，从而加剧了井下煤自燃风险。