1、不同孔隙压力和围压下煤岩渗透及力学特性试验研究付佳乐1，李波波1,2,3，高政1，吴学海1，王忠晖1，许江4（1.贵州大学矿业学院,贵州贵阳550025；2.贵州大学喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室,贵州贵阳550025；3.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵州贵阳550025；4.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044）摘要：随着煤矿开采深度不断增大，煤岩力学性质响应和瓦斯运移机制变得异常复杂。为探究工程上先抽后采一体化作业下煤岩损伤演化规律和瓦斯渗流机制，以重庆松藻煤矿 K2煤层型煤试样为研究对象，利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置，对
2、同一试件先后进行了降孔隙压力渗流试验和三轴压缩渗流试验。根据弹塑性理论，推导表征煤岩全应力应变关系的统计损伤本构模型，进一步构建考虑损伤作用下煤岩渗透率模型。研究结果表明：在降孔隙压力渗流试验中，恒定外应力条件下的煤岩渗透率随孔隙压力降低呈现出先平缓上升后急剧上升趋势。在此过程中，煤岩渗透率变化受有效应力和瓦斯解吸相互竞争影响；在三轴压缩渗流试验过程中，不同围压下煤岩变形阶段特征基本相似，随着围压增大，煤岩力学性质得到强化。煤岩渗透率曲线随轴向应变增大呈负指数函数变化；损伤变量曲线和塑性应变曲线随轴向应变增大均呈现先缓慢升高后急剧升高趋势，损伤演化过程与煤岩变形破坏各阶段全应力应变曲线相对应；
3、通过与试验数据对比验证所建损伤本构模型和渗透率模型的合理性，表明模型能够较为准确地反映煤岩变形阶段特征及瓦斯渗流规律。关键词：煤岩；孔隙压力；渗透率；损伤变量；塑性应变中图分类号：TD984文献标志码：A文章编号：02532336（2023）08015010Experimental study on permeability and mechanical properties of coal underdifferent pore pressure and confining pressureFUJiale1,LIBobo1,2,3,GAOZheng1,WUXuehai1,WANGZhongh
4、ui1,XUJiang4（1.College of Mining,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.National&Local Joint Laboratory of Engineering for Effective Utilization of Regional MineralResources from Karst Areas,Guizhou University,Guiyang 550025,China;3.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metal
5、lic Mineral Re-sources,Guiyang 550025,China;4.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China）Abstract:Withthecontinuousincreaseofcoalminingdepth,theresponseofcoalmechanicsandthemechanismofgasmigrationhavebe-comeextremelycomplicated.Inorder
6、toexplorethecoaldamageevolutionandgasseepagemechanismundertheintegratedoperationoffirstextractionandsubsequentmininginengineering,theK2coalseambriquettesampleofChongqingSongzaoCoalMinewasusedastheresearchobject.Usingthetriaxialservoseepagedeviceofthermal-fluid-solidcouplingofgas-bearingcoal,thereduc
7、edporepressureseep-agetestandthetriaxialcompression-seepagetestweresuccessivelycarriedoutonthesamespecimen.Accordingtotheelasto-plasticitytheory,astatisticaldamageconstitutivemodelthatcharacterizedthewholestress-strainrelationshipofcoalwasderived,andthepermeab-ilitymodelofcoalunderconsiderationofdam
8、agewasfurtherconstructed.Theresultsoftheresearchshownthat,inthereducedporepres-sureseepagetest,thepermeabilityofcoalunderconstantexternalstressshownatrendoffirstrisinggentlyandthenrisingsharplywiththedecreaseofporepressure.Inthisprocess,thechangeofcoalpermeabilitywasaffectedbythecompetitionbetweenef
9、fectivestressandgasdesorption.Intheprocessofthetriaxialcompression-seepagetest,thecharacteristicsofcoaldeformationstagesunderdifferentconfining收稿日期：20220506责任编辑：宫在芹DOI：10.13199/ki.cst.2022-0568基金项目：国家自然科学基金资助项目(52064007)；贵州省科技厅贵州大学科技合作计划资助项目(黔科合基础-ZK2021重点 052)作者简介：付佳乐（1997），男，江西宜春人，硕士研究生。E-mail：通讯作
10、者：李波波（1985），男，贵州修文人，教授，博士。E-mail：第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2023付佳乐，李波波，高政，等.不同孔隙压力和围压下煤岩渗透及力学特性试验研究J.煤炭科学技术，2023，51（8）：150159.FUJiale，LIBobo，GAOZheng，et al.ExperimentalstudyonpermeabilityandmechanicalpropertiesofcoalunderdifferentporepressureandconfiningpressureJ.Coal
11、ScienceandTechnology，2023，51（8）：150159.150stresseswerebasicallysimilar.Astheconfiningstressincreased,thecoalmechanicspropertieswerestrengthened.Thecoalpermeabilitycurvechangedasanegativeexponentialfunctionwiththeincreasingaxialstrain.Thedamagevariablecurvesandplasticstraincurvesshownatrendoffirstris
12、ingslowlyandthenrisingsharplywiththeincreaseofaxialstrain,thedamageevolutionprocesswascorrespon-dedtothewholestress-straincurveofeachstageofcoaldeformationandfailure.Therationalityoftheconstructeddamageconstitutivemodelandpermeabilitymodelwereverifiedbycomparisonwithtestdata,whichshownthatthemodelca
13、nmoreaccuratelyreflectthecharacteristicsofcoaldeformationstagesandthelawofgasseepage.Key words:coal；porepressure；permeability；damagevariable；plasticstrain0引言煤炭作为我国主体能源，在社会发展中起着重要作用。随着我国浅部资源的开采枯竭，煤炭开采逐渐向深部进军1。煤炭在形成过程中由于各种物理化学作用，其内部会蕴藏大量的煤层气(主要成分为甲烷)。应力扰动作用使瓦斯气体沿着裂隙通道不断向采煤工作面和巷道涌出，将增大煤与瓦斯突出危险性。有效的瓦斯抽采
14、不仅能使瓦斯含量及压力降低到安全范围内，从而降低瓦斯灾害事故发生的可能性，还可将瓦斯作为一种清洁能源加以利用、缓解全球温室效应。此外，在煤层开采过程中，卸压诱导的支承压力变化导致煤岩内部结构改变，内部裂隙急剧发育、拓展、贯通，甚至形成宏观裂缝，致使承载能力急剧降低，直接导致工作面附近围岩发生冒顶、片帮等灾害事故2。因此，研究瓦斯抽采与煤层开采下煤岩损伤演化规律和渗流特性并建立相关模型，对煤矿动力灾害防治和矿井安全高效生产具有重要现实意义。煤层渗透特性直接影响矿井瓦斯抽采效率，其演化规律受瓦斯压力、地应力和温度等因素共同制约。MENG 等3研究 CO2、CH4和 N2吸附膨胀变形对渗透率的影响。
15、发现煤样在吸附过程中渗透率随体积吸附应变的增加呈负指数函数降低。CUI 等4研究认为瓦斯抽采降压过程中渗透率受有效应力和孔隙压力共同影响，有效应力对瓦斯渗流起阻碍作用，煤基质收缩会使渗流通道扩张从而促进气体流通。YIN 等5通过保持围压和瓦斯压力差不变，探讨不同温度、外应力和瓦斯压力条件下无烟煤在不同破坏阶段渗透率演化规律。为了预测煤层气开采过程中气体流动规律，国内外学者提出了一系列渗透率预测模型。GRAY6在渗透率模型建立过程中首次考虑了基质解吸收缩效应对裂隙变形的影响。SEIDLE 等7将煤结构抽象为由基质和裂隙双重介质组成的火柴棍模型，并构建煤岩渗透率与有效应力之间的数学模型。随后各种考
16、虑不同影响因素和边界条件的渗透率模型得到进一步发展（P-M 模型8、S-D 模型9、P-C 模型10）。不难发现，上述渗透率模型大多是基于单轴应变条件假设所推导的。而单轴应变条件在实验室环境较难实现。煤岩在开采扰动下受矿山压力作用产生变形，甚至出现破坏失稳现象。损伤是一种表征煤岩变形破坏程度的有效度量方式，国内外已有不少学者对煤岩损伤本构模型进行了相关研究。曹文贵等11假定岩石破坏前遵循 Mohr-Coulomb 准则，构建岩石变形破坏过程中损伤统计本构模型，结合全应力应变试验曲线探讨 Weibull 分布参数对损伤模型的影响。WU 等12基于 CT 扫描装置监测三轴压缩过程中含瓦斯煤裂隙演化规律，利用裂隙在端面的投影面积与端面面积的比值来定义损伤变量。DARABI 等13基于受载岩石损伤恢复特性，导出应变张量和切线刚度模量之间的数学解析关系式，并提出考虑微损伤恢复机制的岩石损伤本构模型。SHAO 等14从岩石微观力学角度出发，将微裂纹分布近似为二阶损伤张量，提出一种描述脆性岩石材料诱导各向异性损伤的新本构模型。XU 等15以花岗岩弹性模量的变化定义热损伤，基于 Lemaitre 应变
