原煤力学及渗流特性的层理效应研究

第17卷第4期2021年4月
中国安全生产科学技术
Journal of Safety Sciencc and Technolovy
Voe.17No.4
Apr.2021
doi：10.11731/j.issn.1673-193x.2021.04.004
原煤力学及渗流特性的层理效应研究
王浩，赵耀江，潘玉婷，赵亮，王江涛
（太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原030000）
摘要：为研究层理对原煤力学及渗流特性的影响，通过实验对比分析平行层理煤样和垂直层理煤样在相同瓦斯压力、不同围压下的三轴压裂力学及渗流特性，同时采集压裂过程的声发射数据并进行分析。

结果表明：随着围压增大，平行层理煤样的峰值轴向应力平均增幅为34.5%，远小于垂直层理煤样的平均增幅161.21%；围压为1#3#5MPa时,垂直层理煤样的压裂时间分别是平行层理煤样的0.68#0.19#2.72倍#层理方向对力学特性的影响随着围压增加呈先减小后增大的趋势；围压相同时#平行层理煤样的声发射幅值随时间增加而增大#垂直层理煤样的声发射幅值随时间增加表现出正弦波变化趋势，且平行层理煤样在压裂过程中的声发射高幅值事件比垂直层理煤样的多；平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样的渗透率#且围压越大#初始渗透率越低#说明平行层理方向的孔隙度大于垂直层理方向的孔隙度$
关键词：平行层理;垂直层理;力学渗流特性;声发射特征
中图分类号：X936；TD712文献标志码:A文章编号：1673-193X（2021）-04-0024-06
Study onbeddeng e fectof mechanecs and seepage characterestecs of raw coal
WANG Hao#ZHAO Yaoiiang#PAN Yuting#ZHAO Liang#WANG Jiangtao (School of Safety and Emeraency Management Engineering#Taiyuan University oZ TechncVovy#Taiyuan Shanxi030000#China)
Abstract:In order i study the influencc of bedding on the mechanics and seepaae characteristics of raw caal,the triaxial f eactu eing mechanics and seepage cha eacte eistics of pa ea e e ebedding and ee etica ebedding coa esamp ees unde ethe same gas pressure and dm^'ewnt canfining pressures were campared and analyzed through the experiments,and the accustic emission (AE)data in the fracturing process were ccllected at the same time.The results showed that with the increase of canfining pressure#the xvewxe increase of peak axial stress in parallet bedding caal samples was34.5%#far less than the xvewxe in-ceeaseof161.21%in eeeticaebeddingcoaesampees.Thefeactueingtimeofeeeticaebeddingcoaesampeeswas0.68#0.19and 2.72timesthatofpaea e e ebeddingcoaesampees#eespectieeey#and the inf euence of bedding di eection on the mechanica ep eop-eetiesdeceeased fiestand then inceeased with the inc eease of confining p ee s u ee.Unde ethe same confining p eessu ee#the AE amplitude of parallet bedding caal samples increased with the increase of time,while that of verticel bedding caal samples peesented thechangeteend ofsinewaeewith theinceeaseoftime#and theeeweeemoeeAEhigh-amp itude e eents du eing the feactueingpeoce s ofpaea e-beddingcoa-samp esthan that of eeetica-bedding coa-samp es.The pe emeabi ity of pa ea e­bedding coa-samp eswasmuch higheethan thatofeeetica-beddingcoa-samp es#and the highe ethe confining p ee s u ee#the owe ethe initia-pe emeabi ity#which indicated thatthepoeosityin thepaea e-bedding di eection wasgeeateethan thatin the ee etica-bedding di eection.The eefo ee#the best di eection of bo eeho e was the ee etica-bedding di eection when ext eacting gas in the unde eg eound coa-mines.
Key words:paranet bedding；verticel bedding；mechanicel seepaae characteristics；accustic emission(AE)characteristic
0引言
研究煤岩的力学特性及渗流规律对煤矿井下的安全生产具有重要意义，国内外的学者从不同角度对煤体的力学渗流规律进行大量研究：孙培德等［1-2*研究含瓦斯煤在变形过程中的渗透率变化规律；魏建平等）3*研究渗透率对围压的敏感性；薄冬梅等［4］分析裂隙构造、有机组分、煤岩类型及变质程度、有效应力等对煤层渗透性的影响；徐超等［5］研究不同加卸载速度对试件渗透时效性的影响；魏建平等"*就含水率对煤样渗透性的影响
收稿日期：2020-11-05
作者简介：王浩，硕士研究生，主要研究方向为煤层的力学及渗流特性
第4期中国安全生产科学技术・25・
进行实验及分析；Wang等［7*研究注液氮后煤样孔隙度和渗透化规律；国［8*就件力学特性实验及；Peer等［9*研究渗透性随温度变化的规律;康向涛等［10*研究不同瓦斯压力和不同围压作用下渗透性的变化规律；付裕［11*、莫龙等［12*使用CT扫描的手段研究孔裂隙:样破坏过程的影响；Jasinge等［13*和Wang等［14*研究有效应力对渗透率的影响；Aim等［15*研究加载速率对砂力学特性$研究已经
条件下的力学渗透特性，但煤中大量的孔裂隙,导致理方向上的力学渗透特性E ，因此本文针理方向力学渗流特性及程的声发射特征研究，以期为
和防治煤与瓦斯突出提供一定的理论依据$
1试样制备与实验方案
1.试样制备
本文实验所用煤样取自山西省阳泉市新景矿15#煤层，采样时选取层理明显的大块煤样。

在实验室中根据《和石物理力学性质测定方法第7:抗强度测定及软化系数计算方法》(GB/T23561.7—2009)的规定,使用砂线切割机分别沿垂直层理方向和平行层理方向切割原煤，加工成"50mm X100mm的标准试件，使用砂纸打磨试件两端，保证其不平行度小于0.05mm$将制备的试件放到恒温干燥箱中，在70M环境下干燥12h后密封保存$其中层理方向平行于轴向的为平行层理煤样，垂直于轴向的为垂直层理煤样，如图1所示$
图1不同层理试样
Fig.1Coal samples with differrnt beddings
1.实验方案
本文实验使用太原理工大学自主研发的WYS-800微机控制电液伺服三轴实验实验，实验过程中自动向力、轴向变形、径向变形，同时使用美国物理声学计制造的12CHsPCI-2型声发射监测系统和AEwin软件进行声发射数据采集。

实验具体方案见表1$
表1不同围压下含层理煤样实验方案
Table1Experimental scheme of coal samples with beddnng under d nferen iconfnn nng pre))ure)
实验煤样围压瓦斯压力轴压加载加载速率煤样编号/MPa/MPa方式/(kN・s-1) C-11
垂直
C-23
层理
C-35
0.5力0.01
P-11
平行
P-23
层理
P-35
2实验结果及分析
2.〔围压对不同层理煤样力学特性的影响
围压为1，3，5MPa时，理向应力-应如2示$2，
力、下实验，理方向
力学特性的影响较大$随着大，平行和2种层理峰向应力均随大$从1 MPa增加到3MPa，再增加到5MPa的过程中，平行层理煤样的峰值轴向应力平均增幅为34.5%，远小于垂直层理峰向应力均161.21%$为1，3，5MPa时，平行层理煤样的峰值轴向应力对应的轴向应变分别为0.93%，2.80%，1.33%'垂直层理煤样的峰值轴向应力对应的轴向应变分别为1.50%，1.86%，2.22%$随着 大，理煤样和理煤
程中峰向应力应向应
也随之增大。

围压为1，5MPa时，垂直层理煤样的轴向应变平均为平行层理煤样的1.64倍$但在围压为3MPa ，理峰向应力应向应化规律与上述描述不符，这能于此次实验所用1孔隙造，程中孔隙
使整体产生较大向应变$
2还，理煤样和垂直层理煤样在三轴压裂过程中向应力-应变曲线$这是因为理破坏主要理由上到下依次断裂造成的，大，理断力也增大$随着层理断断向下扩展，需要向力持，断理数量一定程，煤样膨胀导致热破裂，破坏完成，实验$而平行层理破坏理断裂引起的，虽然围
破坏起约束作用，但由于
理煤样
・26・
中国安全生产科学技术第17卷
864208642
1A 1A 1X 1A 1A 1 2 3 4 5—平行层理
……垂直层理
28
24201612
轴向应变/%(b)围压3 MPa 0,/\
—平行层理
'
……垂直层理
1 2 3 4 5 6
轴向应变/%
(c)围压5 MPa
图2含层理煤样三轴压裂轴向应力-应变
Fig. 2 Triaxial f a ctirieg axial stress-straie diagrams of coal samples witt beddieg
的层理方向与力加载方向相同，所以沿着轴向力方向层 理间断裂较容易。

层理之间断裂开始后,随着轴向力的 继续增加，裂纹沿着力加载方向不断
伸直至煤样
破坏。

2. 围压对不同层理煤样渗透特性的影响
渗透
效 重要指标,
本文就不同围压下(1 ,3 ,5 MPa )的层理煤样渗透率演化
规律进行实验，对实验 理煤样渗
透率-应变图如图3所示$
图3 含层理煤样渗透率-应变
Fig. 3 Permeability-straie diagrams of coal samples
wethbeddeng
由图3可知，平行层理煤样的渗透率远大于垂直层
理煤样的渗透率且平行层理煤样和垂直层理煤样的初 始渗透率均随着围压的增大而减小，说明施加围压会使 煤样的原生孔隙压缩%闭合，因此围压越大，初始渗透率
越低$随着轴向应变的增大，平行层理煤样和垂直层理
渗透率均呈现出开口朝左的斜U 型变化趋势，先
缓 速升高$ 程中，刚开
始产生
隙数量比闭合的原生裂隙数量少，因此渗
透率表现为随轴向应变增加而缓慢降低；随着轴向压力 持 大，闭
生裂隙数量减少，生
隙
一 ，
大于 渗透
点，由缓
转为急速 。

在渗透
点
经
临界状态，
稳破坏，渗透率
则表现为随轴向应变的增加而直线升高。

垂直层理煤
理方向与
动方向 ， 理
理方向与
动方向
，
动主
要是沿着孔裂隙流动，因此从图3 p
理方向 孔隙 大于 理方向 孔隙 ，
沿
着平行层理方向更容易流通。

2.3围压对不同层理煤样声发射特征的影响
煤岩内部发生形 性波形式释放能量的现
象称为声发射，使用声发射监测
程中释
声发射信号$本文对声发射信号的振铃计
和
，
为1，3，5
MPa 时振铃计数-轴向应力-时间图，如图4〜6所示$
由图4可知，当围压为1 MPa 时，从施加轴向压力
开始至峰值轴向应力 ，2种 振铃计数均较
少，长期处于1 000次//以下甚至更低，偶尔出现小幅
$ 向应力接近峰 ，声发射开始活跃，振
铃计数激增，2种煤样的峰值振铃计数均超过15 000
次//$在围压为1 MPa 时，2种煤样的轴向应力和振铃
计数随 化的总趋势
，但
理
峰值
向应力大于 理
峰 向 应力， 且
理
理
1.46倍。

由图5可知，当围压为3 MPa 时，2种煤样的轴向应
力随时间变化的规律明显不同。

在开始施加轴压后，2 种煤样的轴向应力均随时间增加而迅速 $但 I
开始50 s 后， 理 向应力
速度大大降
第4期中国安全生产科学技术・27-
900120015001800
时间/s
—
—应力
振铃计数
时间/S
(b)平行层理煤样22500
20000
17500
15000
12500
10000
5000
2500
80
70
60
o
O
5
4
o
O
3
2
10
(a)垂直层理煤样
22500
QS.
矣
)
、
歸
本
倉
聘
振铃计数
—
—应力20000
17500
15000
12500
10000
7500
900180027003600
-5000
-2500
j一0
4500
时间/s
(b)平行层理煤样
5
3
8
2
1
4
2
1
7
o
图4围压为1MPa时振铃计数-轴向应力-时间Fig.4Ringing count-axial stress-time diagrams wnihconfnnnng pressure of1MPa
02004006008001000
时间/s
(a)垂直层理煤样
时间/s
(b)平行层理煤样
图5围压为3MPa时振铃计数-轴向应力-时间Fig.5Ringing count-axial stress-time diagrams wnihconfnnnng pressure of3MPa
图6围压为5MPa时振铃计数-轴向应力-时间
Fig.6Ringing count-axial stress-time diagrams
wnihconfnnnng pressure of5MPa
低且持续了677s,在之后的167s后，轴向应力又迅速
破坏$理向应力E 裂开始后前4800s内随时间增加呈直线增加趋势直至破坏$2种振铃计数随化规律也有,理振铃计开始101s时出现1激增,25251次T,之后，振铃计数迅速减少，长期处于200次/s以下，直到压裂进行到849s时振铃计数再激破坏$理煤梢
振铃计破坏之前处于，偶尔
增加但又迅速降低，与围压为1MPa时变化规律相同，且理理 5.19倍$ 6，当为5MPa时，理和理向应力随时间变化的规律，均
先随速直线趋势，后随缓线趋势；处理瞬间向应力跌落，且理煤样的峰向应力远大于平行层理峰值轴向应力，理煤样在瞬间轴向应力先瞬跌落$2种振铃计数随化的规律也不完全，理1的振铃计数变化规律与为1MPa时此种振铃计化规律相似；理煤样的振铃计
过程中期大幅激增，但在濒临破坏振铃计 少，这能于为5MPa时，
平
・28・
中国安全生产科学技术第17卷
理 期裂隙 、延伸少，因此声
发射活动较少。

围压为5 MPa 时，垂直层理 沖勺压裂
时间是平行层理煤样的2.72倍，而围压为1，3 MPa 时
理
理
0.68，
0.19倍，且垂直层理
抗
理煤样的1.96倍,说明围压越大，层理方向
力学特性的
影响越明显$
整理声发射数据中的幅值数据，得出围压为1，3，5
MPa 时幅值-轴向应力-时间图，如图7〜9所示$
5
2o
20
5
10
5
200 400
600 800 1
时间/s
(a)垂直层理煤样
o o 1 o o o o o o
o o
1 1 9 8 7 6 5 40o
5
2o
86
42
10
20
5
10
5
时间/s
包)垂直层理煤样
400
800 1 200 1 600 2 000 2 400 2 800
时间/s
(b)平行层理煤样
5
3图7 围压为1 MPa 时幅值-轴向应力-时间
Fig. 7 Amplitude-axial stress-time diagrams with
confnnnng pressure of 1 MPa
由图7可知，当围压为1MPa 时，垂直层理煤样的幅 值表现为波动变化趋势，在压裂过程中出现3次峰值, 在破坏瞬间出现1次最大峰值。

而在压裂开始109 s 后
理 声发
1次峰，之后随
着应力 ， 持 大，
瞬
大值$ 7还 ，
理 程中的声
发
事件 理
，意味着
理程中
化更剧烈，产生
隙
更多$
8可知，围压为3 MPa 时，垂直层理煤样的幅
值变化规律与 为1MPa ； ， 开始
99 s 后出现峰值，在压裂开始后99 s 到842 s 期间，声发
射不活跃，高、
事件均较少，但在濒临破坏 ｝现
大量声发 事件，这 能是因为此次实验所用煤
821 42 117
—
—应力1 000 2 000
3 000
4 0005
时间/s
(b)平行层理煤样
000 0 0 0 01
9 8 7 6 5
图8 围压为3 MPa 时幅值-轴向应力-时间
Fig. 8 Amplitude-axial stress-time diagrams with
confnnnng pressure of 3 MPa
70
5 83 29
图960
o
o o o o o
5 4 3 2 1110
—---------------------------------------- q-u
2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000
HP
迺蹙卸荻扳
110
1 4
2 1时间/s
(a)垂直层理煤样
时间/s
(b)平行层理煤样
围压为5 MPa 时幅值-轴向应力-时间
Amplitude-axial stress-time diagrams with
confnnnng pressure of 5
MPa
第4期中国安全生产科学技术-29-
样内部含有较多的原生裂隙，在施加轴压时，旧裂隙闭合，新裂隙产生较少，所以声发射事件较少$而平行层理煤样的幅值变化规律与围压为1MPa时的幅值变化规律相同，随着轴向压力的增加，幅值持续增大，在压裂瞬间幅值达到最大值。

同时可以看出，围压为3MPa 时，平行层理煤样在压裂过程中的声发射高幅值事件也比垂直层理煤样的多。

由图9可知，围压为5MPa时，垂直层理煤样的幅值变化规律与围压为1MPa时的垂直层理煤样幅值变化规律相似，随时间推移呈现波动变化趋势。

平行层理煤样的幅值变化规律略有不同，高、低幅值事件在压裂的全过程均比围压为1，3MPa时有所减少，尤其在临近破坏时高幅值事件大大减少，无峰值事件出现，但和同围压下的垂直层理煤样相比，平行层理煤样的声发射事件数更多$
3结论
1)围压为1，3，5MPa时，平行层理煤样的峰值轴向应力平均增幅为34.5%，远小于垂直层理煤样的峰值轴向应力平均增幅161.21%。

围压相同时，垂直层理煤样的峰值轴向应力对应的轴向应变大于平行层理煤样的峰值轴向应力对应的轴向应变，因此当煤岩所受地应力发生变化时,垂直层理方向的变形更明显$
2)当围压为1，3，5MPa时，垂直层理煤样的压裂时间分别是平行层理煤样的0.68，0,19，2.72倍，即层理方向在不同埋深情况下对力学特性的影响有较大差异，随着减大趋势$
3)，理声发随
大，理声发随
现出正弦波变化趋势，且平行层理煤样在压裂过程中的声发事件理$
4)平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样的渗透率，且围压越大，初始渗透率越低，说明平行层理方向的孔隙度大于垂直层理方向的孔隙度$
参考文献
:1:孙培德.变形过程中煤样渗透率变化规律的实验研究:J].岩石力学与工程学报，2001(S1)&1801-1804.
SUN Peide.Teststudyon coaespecimen peemeabieitydueingsoeid deformation process[J].Chiaess Journal of Rock Mechanics and En-gineering J2001(S1)&1801-1804.
)2]孙培德，凌志仪•三轴应力作用下煤渗透率变化规律实验:J]-重庆大学学报(自然科学版)，2000(S1)&28-31.
SUNPeide，LINGZhiyi.ExpeeimentaeHtudyoftheeawfoepeemeabie-ity of caal under action of3-triaxial campression[J].Journal of Chongqing University!Natural Science Edition)，2000(S1)：28-31. )3]魏建平，李明助，王登科，等•煤样渗透率围压敏感性试验研究)J]•煤炭科学技术，2014，42(6)&76-80.
WEI Jianping,LI Mingzhu,WANG Dengkc，et at.ExpeWmentat re-
seaech on sensibiityofcoa-samp espeemeabiityundeeconfining
pressure)J].Coot Science and TechnoVgy，2014，42(6)：76-80.
)4]薄冬梅，赵永军，姜林•煤储层渗透性研究方法及主要影响因素)J]•油气地质与采收率,2008(1)&18-21,112.
BO Dongmei，ZHAO Yongiun，JIANG Lin.Reseaech method and
main influencing factors of caal reserveis permeability)J].Petroleum
Geoeogyand Reco eeeyE f iciency，2008(1)：18-21，112:
)5]徐超，王硕，王一然，等•加卸载速率对含瓦斯煤损伤-渗透时效特性影响试验研究)J]•煤炭科学技术，2018，46(5)：93-101.
XU Chao，WANG Shuo，WANG Yiran，et at.Experiments study on
e f ect ofeoadingand uneoadingeateHon damage-peemeabieityaging
characteristics of gas-bearing caal)J].Coat Science and Tcchnoloay，
2018，46(5)：93-101.
)6]魏建平，位乐，王登科•含水率对含瓦斯煤的渗流特性影响试验
研究)J]•煤炭学报，2014，39(1)：97-103.
WEIJianping，WEILe，WANG Dengke.Expeeimentaestudyofmois-
tueecontentinfeuenceson peemeabieityofcoaecontaininggas)J].
Jou enaeofChina CoaeSociety，2014，39(1)：97-103.
)7]WANG H C，FU X H，JI AN K，et at.Changes in caal pore structure and peemeabieitydueingN2iniection)J].JouenaeofNatueaeGasSci-
enceand Enginee eing，2015，27：1234-1241.
)8]马占国，茅献彪，李玉寿，等•温度对煤力学特性影响的实验研究)J]•矿山压力与顶板管理，2005(3)：46-8.
)9]PERERA'S A，RANJIIH P G，CHOI S K，et at.Inwstiaation of tempeeatueee f ecton peemeabieityofnatuea e yfeactueed beack coae far carbon dioxide movement:an experimental and numerical study
)J].Fuel，2012，94：596-605.
)10]康向涛，黄滚，宋真龙，等•三轴压缩下含瓦斯煤的能耗与渗流特性研究)J]•岩土力学，2015，36(3)：762-768.
KANG Xiangtao，HUANG Gun，SONG Zheneong，etae.Reseaech on
chaeacteeisticsofeneegydi s ipation and seepageofcoaecontaining
gas under triaxial campression)J].Rack and Soil Mechanics，2015，
36(3)：762-768.
)11]付裕，陈新，冯中亮•基于CT扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响)J]•煤炭学报，2020，45(2)：568-578.
FU Yu，CHEN Xin，FENG Zhongliang.Characteristics of caal-rack
eactueesbased on CTscanningand itsin euenceon aieueemodes
)J].Journal of China Coat Society，2020，45(2)：568-578.
)12]莫云龙，李宏艳，孙中学，等•原生裂隙结构对煤岩物理力学特性影响分析)J]•煤炭科学技术，2020，48(5)：25-34.
MO Yunlong，LI Hongyan，SUN Zhongxuc，et at.Analysis on effect
ofpeimaeyfeactueessteuctueeon physicaeand mechanicaepeopeeties
of caal rack)J].Coat Science&Tcchnoloay，2020，48(5)：25-34. )13]JASIGE D，RANJIIH P G，CHOI S K.Effects of effective stress chang0son p0em0abieity ofeateob0ea e ybeown coae)J].Fu0e，
2011，90(3)：1292-1300.
)14]WANG S，ELSWORTH D，LIU J.Mechanical behavior of methane
in ieteated coae：the eoee so.ga sde soeption，stee s eeeeeand eoading
rate)J].Rack Mechanics and Rack Engineering，2013，46(5):
945-958.
)15]ALAM'S，CHAKRABORTY T，MATSAGAR V，et at.Character­
ization of kota sandstone under different strain rates in uniaxial
eoading)J].Geotechnicaeand GeoeogicaeEngineeeing，2015，33
(1)：143-152.
(责任编辑：袁文静)。