[发明专利]一种不同应力加载路径下含瓦斯煤渗透性测试方法及装置

说明书

本发明提供了一种不同应力加载路径下含瓦斯煤渗透性测试方法及装置，涉及测试和煤层瓦斯开采技术领域。该方法包括：制备煤样，将套设橡胶套的煤样放置在瓦斯渗流装置密封缸体内；标准煤样的外表面涂抹一层厚度为1mm的硅橡胶，检查密封缸的气密性；加载围压至设定值，围压稳定后对标准煤样施加2MPa的轴压，并充入瓦斯气体，检查装置气密性；打开瓦斯阀门向煤样内注入瓦斯气体，瓦斯流量稳定后记录初始瓦斯流量；按照设定的循环加卸载应力路径施加载荷；计算渗透率，得到含瓦斯煤的渗透率随轴向压力和围压变化的关系，并计算渗透率损害率。利用该方法及装置可以对含瓦斯煤层的渗透规律进行分析，有利于研究不同应力加载条件下的渗透率变化。

技术领域

本发明涉及测试和煤层瓦斯开采技术领域，尤其是一种不同应力加载路径下含瓦斯煤渗透性测试方法及装置。

背景技术

煤炭埋藏于地层深部，是一种典型的孔隙-裂隙双重介质，与其伴生的瓦斯以吸附态、游离态赋存于其中。瓦斯在煤层中的流动包括吸附、解吸、扩散和渗流等过程，是一个非常复杂的运移过程。含瓦斯煤的渗透率是反映瓦斯气体在煤层中渗流难易程度的重要指标，是决定煤层瓦斯抽采难易程度的关键参数。煤层开采后，煤层上方的上覆岩层从下到上通常分为三带，分别为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带又称为采空区，由不规则的破碎煤岩体组成，垂直高度可达4-11倍开采高度，具有很高的孔隙率和渗透率，导致采空区储存了大量瓦斯，这些瓦斯主要来源于邻近的裂隙煤层和岩层。随着工作面的持续回采，采空区煤岩块受到上覆岩层压力和自重逐渐被压实，一方面引会起上覆岩层移动和地表沉陷，可能导致地表村庄、建筑物等破坏；另一方面引起邻近煤层渗透率的动态改变。

综合考虑地应力、瓦斯和煤体物理及力学性质等因素，探讨含瓦斯煤层渗透率变化特征是当前研究的热点与难点。现有技术中对含瓦斯煤层渗透特性的研究主要以理论分析、实验室试验和数值模拟方法为主。理论分析主要包括采空区垮落带的压实过程和应力分布情况的研究，并研究了采空区压实状态与埋深、采高、直接顶碎胀系数和单轴抗压强度四个参数的关系。室内试验主要是进行固定轴压和围压情况下的变瓦斯压力突出煤瓦斯渗透试验，以及煤岩全应力-应变过程中的渗透性试验，揭示了应变-渗透率曲线与应力-应变曲线变化趋势基本一致，但表现出相对“滞后”的特点。

通常含瓦斯煤层所处位置的自重应力场和构造应力场可以近似认为是不变的，但在开采过程中，开采层产生的扰动打破了被保护层煤体内部原有的应力分布平衡，尤其是可采煤层达3层及以上的矿井。被保护层的开采过程容易对邻近可采煤层产生循环应力集中，从而导致被保护层邻近层煤体内部存在应力集中区或应力异常区。在高瓦斯矿井或瓦斯突出矿井中，开采扰动使富含瓦斯煤层在影响区域内所受荷载不断发生变化，产生含瓦斯煤层弹塑性现象，且这种变化对瓦斯抽采具有重大影响。现有的研究一般都是基于弹塑性本构关系，没有考虑所受荷载循环加卸载对含瓦斯煤渗透性的影响，实质上是忽略了应力循环加卸载产生的不可逆变形对渗透性的影响。

为了进一步研究含瓦斯煤层的渗透规律，以及不同应力加载条件下的渗透率变化，需要对现有的含瓦斯煤渗透性测试方法及装置进行改进。

发明内容

为了研究含瓦斯煤层的渗透规律，以及不同应力加载条件下的渗透率变化，本发明提供了一种不同应力加载路径下含瓦斯煤渗透性测试方法及装置，具体的技术方案如下。

一种不同应力加载路径下含瓦斯煤渗透性测试的方法，步骤包括：

S1.制备煤样，煤样放入橡胶套内，在标准煤样的外表面涂抹一层厚度为1mm的硅橡胶；

S2.将标准煤样放置在瓦斯渗流装置密封缸体内的压头之间，检查密封缸的气密性；

S3.启动加压泵，加载围压至设定值，围压稳定后对标准煤样施加2MPa的轴压，并向煤样充入定量的瓦斯气体，检查装置的气密性；

S4.打开瓦斯阀门向煤样内注入设定压力的瓦斯气体，当瓦斯流量稳定后，记录初始瓦斯流量；