改善松軟煤層抽采孔砂巖孔壁力學(xué)行為研究

程士宜，李文超

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順 113122）

目前，我國煤炭生產(chǎn)90%以上為井下開采，受“三高”影響，煤礦生產(chǎn)常伴隨著重大災(zāi)害事故發(fā)生，尤其到深部開采，“三高”影響導(dǎo)致的災(zāi)害發(fā)生率逐年增高，其中煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性災(zāi)害嚴(yán)重威脅了礦山財(cái)產(chǎn)和工人安全[1-7]。當(dāng)前，高瓦斯煤礦主要采用精準(zhǔn)瓦斯抽采的瓦斯治理方法[8-10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦瓦斯抽采利用率不到60%，超過1/2 的煤礦抽采孔密封性較差，1/2 以上的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)低于30%[11-14]，尤其深部高瓦斯煤礦瓦斯鉆孔的利用率更低。為此，以恒大煤礦具有“三高”條件的1366 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采鉆孔孔壁砂巖為研究對(duì)象，研究高溫影響砂巖強(qiáng)度變化規(guī)律和流變滲透規(guī)律，以及應(yīng)用膨脹水泥漿技術(shù)改善深部“三高”條件下瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)。

1 不同溫度砂巖的強(qiáng)度規(guī)律

1.1 巖樣及試驗(yàn)設(shè)備

選取恒大煤礦1366 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采鉆孔孔壁砂巖，試驗(yàn)巖樣均取自同一砂巖，加工成?5 cm×10 cm 標(biāo)準(zhǔn)試樣16 個(gè)，分成4 組，每組4 個(gè)試樣并進(jìn)行編號(hào)。

通過室內(nèi)熱處理，熱處理裝備選取MXQ 系列高溫爐，為保證均勻加溫，加溫速率設(shè)為5 ℃/min；試驗(yàn)引用法國生產(chǎn)的多功能巖石三軸蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于單軸壓縮、常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)以及后續(xù)的三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)。

1.2 試驗(yàn)方案及步驟

將4 組試樣分別加熱到25、200、500、800 ℃，保持設(shè)計(jì)溫度2 h，再進(jìn)行自然冷卻到室溫。定義σ1為最大主應(yīng)力（軸壓）；σ3為最小主應(yīng)力（圍壓）；σ1-σ3為偏應(yīng)力；ε1為軸向應(yīng)變；ε3為側(cè)向應(yīng)變。取4 組試樣各1 個(gè)，用膠套密封，裝入三軸試驗(yàn)系統(tǒng)中。試驗(yàn)中，最大主應(yīng)力為恒定值，最小主應(yīng)力分別取0、15、30 MPa，進(jìn)行不同偏應(yīng)力下強(qiáng)度試驗(yàn)，設(shè)置0.02 mm/min 的位移加載速度至試樣破壞，圍壓加載速率為5 MPa/min。不同溫度砂巖在不同圍壓下偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線如圖1，不同溫度砂巖在不同圍壓下偏應(yīng)力-側(cè)向應(yīng)變曲線如圖2。

圖2 不同溫度砂巖在不同圍壓下偏應(yīng)力-側(cè)向應(yīng)變曲線Fig.2 Deviatoric stress-lateral strain curves of sandstone with different temperatures under different confining pressures

由圖1 可知，隨溫度升高，曲線逐漸向應(yīng)變軸方向偏移，說明對(duì)應(yīng)的極限變形也逐漸增大。隨著載荷的不斷增大，試樣均經(jīng)過初始微裂紋壓密階段、線彈性變形階段、屈服硬化階段和峰后軟化階段以及在高圍壓下的峰后殘余變形階段。其中，單軸壓縮下，試樣在25、200 ℃下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化不大；溫度升高至500 ℃后，試樣極限強(qiáng)度降低近1/2；800 ℃時(shí)，極限強(qiáng)度降低近3/4；隨著圍壓增大，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值有所升高，但是，每種溫度試樣強(qiáng)度變化規(guī)律不變。

由圖2 可知，隨著圍壓增大，試樣側(cè)向應(yīng)變逐漸增大。在單軸壓縮下，25 ℃和200 ℃的試樣側(cè)向應(yīng)變變化趨勢(shì)不大；當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃后，側(cè)向應(yīng)變變化趨勢(shì)增大；溫度到達(dá)800 ℃，側(cè)向應(yīng)變較前3 個(gè)溫度試樣側(cè)向變化最大；圍壓在15 MPa 和30 MPa時(shí)，4 種溫度試樣側(cè)向應(yīng)變變化有所改善，但均出現(xiàn)上述變化規(guī)律。

2 不同溫度砂巖流變-滲透規(guī)律

2.1 試驗(yàn)方案和步驟

試驗(yàn)引用瞬態(tài)法[15-18]進(jìn)行氣體滲透性測(cè)量，瞬態(tài)法測(cè)滲透原理如圖3。

圖3 瞬態(tài)法測(cè)滲透原理Fig.3 Schematic of permeability measurement

以純氮?dú)鉃闅怏w介質(zhì)，試驗(yàn)選取上述4 種溫度試樣，采用上述三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，保持30 MPa 圍壓，然后進(jìn)行充氮?dú)?，先讓試樣初始的上游氣壓和下游氣壓相等并保持穩(wěn)定為3 MPa，待試樣氣體飽和后，以0.3 MPa 壓差降低下游氣壓，形成壓力差，此時(shí)上游氣壓因壓力高致使氣體向下游滲透，當(dāng)2 段氣壓再次平衡時(shí)，即可測(cè)得這一過程的氣體滲透率，計(jì)算公式如下：

式中: pgU（t）、pgD（t）為上游、下游在t 時(shí)刻的氣壓；△p0為在t0時(shí)刻上下游形成的壓差值；△p（t）為在t 時(shí)刻上下游壓力的差值，pgU（0）、pgD（0）分別為形成壓差時(shí)刻上游和下游的壓力；αU、αD為上游和下游容器單位壓力體積；H 為試樣的高度；S 為試樣的橫截面積；μ 為動(dòng)力黏滯系數(shù)；k 為滲透率。

2.2 試驗(yàn)分析

不同偏應(yīng)力下砂巖三軸壓縮過程中體積應(yīng)變-滲透性關(guān)系曲線如圖4，圖中εV為體積應(yīng)變。

圖4 不同偏應(yīng)力下砂巖三軸壓縮過程中體積應(yīng)變-滲透性關(guān)系曲線Fig.4 Volumetric strain-permeability curves during triaxial compression of sandstone under different deviatoric stresses

由圖4 可知，當(dāng)施加的偏應(yīng)力低于損傷閾值時(shí)，滲透率隨著體積壓縮而逐漸減小至最小值，當(dāng)應(yīng)力值大于損傷閾值后，剪切膨脹變形占主導(dǎo)地位，新裂隙范圍變大，試樣內(nèi)部裂隙擴(kuò)展顯著，致使試樣滲透通道變大，逐級(jí)疊加，導(dǎo)致試樣滲透率增大；對(duì)比常溫度下砂巖滲透性，高溫導(dǎo)致試樣礦物粒子結(jié)構(gòu)膨脹，內(nèi)部結(jié)合水和自由水蒸發(fā)，微裂紋范圍增大，因此，較常溫下試樣滲透率，高溫試樣滲透率明顯增大。

3 膨脹水泥漿改善瓦斯抽采現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選擇1366 工作面1 段瓦斯治理巷，巷道標(biāo)高-658 m，初測(cè)溫度38 ℃，施工5 組瓦斯抽采孔，并進(jìn)行編號(hào)，其中，每組選擇1 個(gè)鉆孔巖孔段引用膨脹水泥漿噴射處理，膨脹水泥處理抽采孔示意圖如圖5。

圖5 膨脹水泥處理抽采孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of expansive cement treatment of extraction hole

之后安裝抽采系統(tǒng)，進(jìn)行膨脹水泥漿改善瓦斯抽采試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行30 d，每天記錄1 次，記錄每個(gè)鉆孔瓦斯抽采量變化，瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)表見表1。1366 工作面瓦斯抽采量變化曲線如圖6。

由圖6 可知，前期經(jīng)過膨脹水泥漿處理的瓦斯鉆孔較普通瓦斯鉆孔的抽采體積分?jǐn)?shù)高3.5%～18.07%，由瓦斯抽采總量可知，膨脹水泥漿處理的瓦斯鉆孔瓦斯抽采量較普通抽采孔瓦斯抽采量高，總瓦斯抽采量增加29%，說明膨脹水泥漿充填了瓦斯抽采孔巖孔段裂隙，減少瓦斯殘余空間，增強(qiáng)了巖孔段砂巖抵抗載荷能力，孔壁表面形成1 層保護(hù)層，增強(qiáng)了巖孔段孔壁抗塌能力，最終導(dǎo)致1366 工作面穿層瓦斯抽采鉆孔成孔率和提高了瓦斯抽采效率。

4 結(jié) 語

1）在不同圍壓作用下，試樣均經(jīng)過初始微裂紋壓密階段、線彈性變形階段、屈服硬化階段和峰后軟化階段以及在高圍壓下的峰后殘余變形階段。高溫作用下，砂巖應(yīng)變曲線逐漸向應(yīng)變軸方向偏移，說明對(duì)應(yīng)的極限變形也逐漸增大，因此，砂巖試樣隨著溫度升高，而極限抵抗強(qiáng)度降低。

2）在不同偏應(yīng)力作用下，試樣體積應(yīng)變經(jīng)過體積壓縮和剪切膨脹2 個(gè)階段，新裂隙增多，內(nèi)部裂隙擴(kuò)展顯著，滲透率隨偏應(yīng)力變化呈先減小后增大的規(guī)律；高溫使試樣礦物粒子結(jié)構(gòu)膨脹，內(nèi)部結(jié)合水和自由水蒸發(fā)，微裂紋范圍增大，因此，砂巖試樣隨著溫度升高，滲透率明顯增大。

3）膨脹水泥漿填充了瓦斯抽采孔砂巖段因高應(yīng)力高溫形成的發(fā)育裂隙，阻止裂隙繼續(xù)發(fā)育，減少瓦斯殘余空間，增強(qiáng)了巖孔段砂巖抵抗載荷能力，并在孔壁形成1 層保護(hù)層，增強(qiáng)孔壁抗塌能力，最高提高瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)18.07%，最大抽采總量提高29%，改善了1366 工作面瓦斯治理效率，為深部“三高”下松軟煤層瓦斯治理提供參考。