煤与瓦斯突出机理一直以来都是煤炭科技工作者竞相研究的科研难题之一[1-3]。被多数学者们认可的煤与瓦斯突出综合假说认为，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯及煤的物理力学性质综合作用的结果[4]。井下煤巷掘进工作面、采煤工作面均是煤与瓦斯突出的高发场所。煤巷掘进、采煤工作面周期来压等采矿扰动使煤体处于一种循环载荷环境中。循环载荷作用使煤体内孔隙、裂隙等微细观结构发生改变，进而导致煤的渗透性发生变化[5-6]。这些变化可能对煤与瓦斯突出的发生起到孕育和激发的作用。采动应力的变化主要体现在垂直方向上[7]，对煤体的渗透率(特别是水平渗透率)具有决定性的控制作用[8];而室内煤样三轴渗流试验的瓦斯流动沿轴向方向，因此现场的垂直应力与室内试验的围压相对应。研究围压循环加卸载作用下煤的渗透性演化规律对于揭示煤与瓦斯突出机理具有重要的理论和现实意义。
学者们针对循环加卸载作用下煤岩的渗透性已开展了很多研究，取得了诸多有益成果。有学者利用原煤煤样开展研究[6,9-12]，而有学者则利用型煤煤样开展研究[13-17]。型煤煤样较原煤煤样更容易获得[18]，且型煤煤样离散性小，试验结果可重复性强[7]。型煤煤样的试验结果与原煤煤样的试验结果之间的差别到底有多大，是一个值得研究的问题。笔者利用自主研制的煤岩渗透率测试系统，分别针对原煤煤样和型煤煤样开展了围压循环加卸载瓦斯渗流试验，着重研究这两种煤样在加卸载过程中的渗透率的变化特征及其异同，为评判型煤煤样替代原煤煤样的可行性提供一些依据。
1 试验装置与方案
1.1 试验装置
试验设备采用中国矿业大学(北京)自主研制的煤岩渗透率测试系统，该装置主要由应力加载系统、试件夹持系统、孔隙压力控制系统、数据采集系统、真空抽取系统和恒温水浴控制系统等组成，可以模拟不同孔隙压力、不同围压和不同温度条件下煤样的气体渗透特性。图1为试验系统示意。假设煤样内的瓦斯流动符合达西定律，根据煤样两端瓦斯压力、瓦斯流量、煤样尺寸等参数可获得渗透率值，渗透率的计算公式[20]为
(1)
式中，k为渗透率，m2;μ为测定温度下气体动力黏度系数，取1.08×10-5 Pa·s;P0为出气端气压，取0.1 MPa;L为试件长度，m;Q为标准状况下的瓦斯流量，m3/s;A为试件横截面面积，m2;P1为进气端气压，MPa。
图1 瓦斯渗流试验系统示意[19]
Fig.1 Schematic diagram of gas seepage experiment system[19]
1.2 煤样准备
制取煤样所用的原始煤块取自安阳鑫龙煤业有限公司主焦煤矿二1煤层，煤种为焦煤。制作原煤煤样时，自工作面新暴露的煤壁选取尺寸合适的煤块，封装后带至实验室。用取芯机进行取芯，按照《煤和岩石物理力学性质测定方法》(GB/T 23561.7—2009)的规定加工成标准试样，尺寸为φ50 mm×100 mm。制作型煤煤样时，将所取煤块用粉碎机粉碎，筛分出40～60目的煤粉。将煤粉与少量纯净水均匀混合后置于成型模具中，利用试验压力机给模具施加200 kN的力并保持1 h，将煤粉压制成φ50 mm×100 mm的标准试样。把制取成型的原煤煤样和型煤煤样放入60 ℃的干燥箱中烘干48 h，冷却后用保鲜膜包裹以备试验使用，原煤煤样和型煤煤样编号见表1。
表1 试验数据拟合结果
Table 1 Fitting results of experimental data
煤样类型煤样编号加卸载过程瓦斯压力/MPaDk/%拟合结果k0cfR2原煤煤样Ⅰ-1号Ⅰ-2号Ⅰ-3号第1次加载0.5第1次卸载0.5第2次加载0.5第2次卸载0.5第3次加载0.5第3次卸载0.5第1次加载1.0第1次卸载1.0第2次加载1.0第2次卸载1.0第3次加载1.0第3次卸载1.0第1次加载1.5第1次卸载1.5第2次加载1.5第2次卸载1.5第3次加载1.5第3次卸载1.548.0019.2014.3034.409.909.5023.703.501.80y=0.01803exp(-0.58542x)0.018030.195140.9814y=0.00911exp(-0.54364x)0.009110.181210.9154y=0.00936exp(-0.40559x)0.009360.135200.9835y=0.00746exp(-0.48083x)0.007460.160280.9419y=0.00776exp(-0.40892x)0.007760.136310.9853y=0.00639exp(-0.4517x)0.006390.150570.9463y=0.02857exp(-0.88017x)0.028570.293390.9761y=0.01865exp(-0.96564x)0.018650.321880.9308y=0.01853exp(-0.66961x)0.018530.223200.9571y=0.01661exp(-0.81811x)0.016610.272700.9029y=0.01668exp(-0.62467x)0.016680.208220.9646y=0.01528exp(-0.67635x)0.015280.225450.9579y=0.04286exp(-1.26455x)0.042860.421520.9795y=0.03282exp(-1.61327x)0.032820.537760.9693y=0.03258exp(-1.03581x)0.032580.345270.9749y=0.03166exp(-1.49695x)0.031660.498980.9689y=0.03143exp(-0.98380x)0.031430.327930.9783y=0.03109exp(-1.50655x)0.031090.502180.9681
续 表
煤样类型煤样编号加卸载过程瓦斯压力/MPaDk/%拟合结果k0cfR2型煤煤样Ⅱ-1号Ⅱ-2号Ⅱ-3号第1次加载0.5第1次卸载0.5第2次加载0.5第2次卸载0.5第3次加载0.5第3次卸载0.5第1次加载1.0第1次卸载1.0第2次加载1.0第2次卸载1.0第3次加载1.0第3次卸载1.0第1次加载1.5第1次卸载1.5第2次加载1.5第2次卸载1.5第3次加载1.5第3次卸载1.51.330.670.341.300.540.270.260.130.07y=0.74247exp(-0.04294x)0.742470.014310.9913y=0.72019exp(-0.03886x)0.720190.012950.9679y=0.72943exp(-0.03731x)0.729430.012440.9985y=0.71616exp(-0.03615x)0.716160.012050.9598y=0.72585exp(-0.03730x)0.725850.012430.9856y=0.71478exp(-0.03596x)0.714780.011990.9629y=0.69523exp(-0.04530x)0.635030.015100.9855y=0.67337exp(-0.04278x)0.618150.014260.9253y=0.68671exp(-0.04290x)0.630240.014300.9977y=0.67278exp(-0.04188x)0.618730.013960.9622y=0.68385exp(-0.04263x)0.627940.014210.9992y=0.66907exp(-0.04143x)0.615880.013810.9619y=0.5618exp(-0.04692x)0.561800.015640.9957y=0.55195exp(-0.04659x)0.551950.015530.9469y=0.56045exp(-0.04539x)0.560450.015130.9958y=0.55145exp(-0.04538x)0.551450.015130.9469y=0.55988exp(-0.04516x)0.559880.015050.9961y=0.55223exp(-0.04542x)0.552230.015140.9557
图2 原煤煤样围压循环加卸载过程渗透率变化
Fig.2 Change of permeability of raw coal specimens under cyclic loading-unloading of confining pressure
图3 型煤煤样围压循环加卸载过程渗透率变化
Fig.3 Change of permeability of reconstituted coal specimens under cyclic loading-unloading of confining pressure
1.3 试验方案
本次试验主要研究两种煤样在围压循环加卸载条件下的渗透率演化规律。首先以相同的速率加载原煤煤样轴压和围压至σ1=σ3=3 MPa，对煤样进行抽真空处理。通入99.99%的甲烷气体，调节进气端压力至0.5 MPa，并使煤样吸附瓦斯24 h。加围压阶段，保持轴压为3 MPa和瓦斯压力为0.5 MPa不变，逐级加载围压至8 MPa，围压每加载1 MPa，待流量稳定后进行读数;卸围压阶段，仍保持轴压为3 MPa和瓦斯压力为0.5 MPa不变，逐级卸载围压至3 MPa，围压每卸载1 MPa，待流量稳定后进行读数;对每个煤样共进行3次加卸载循环。另换两个新煤样，分别调节瓦斯压力至1,1.5 MPa，重复上述试验过程。
为了对比研究，针对型煤煤样开展了相同条件下的循环加卸载试验。
2 试验结果及分析
2.1 围压循环加卸载过程渗透率演化特征
图2,3分别给出了原煤煤样和型煤煤样围压循环加卸载过程中的渗透率演化规律。
由图2,3可以发现:
(1)对于两种煤样，加载阶段渗透率随围压的增加而减小，卸载阶段渗透率随围压的减小而逐渐恢复，与目前绝大多数渗流试验结果一致[5-6,9]。围压的增加使煤样所受的有效应力增大，增大的有效应力进一步压缩煤内孔隙和裂隙，减小了气体的有效渗流通道，气体的渗流速度降低，从而导致渗透率减小。围压卸载的效果与其相反，从而使渗透率增大。
(2)原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化幅度大，在高围压阶段变化幅度小，而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化，2者间的差异明显。
试验过程中渗透率的变化时刻反映着煤内部有效孔隙度的变化情况。渗透率增加表明有效孔隙度增大，渗透率减小表明有效孔隙度减小。因此，渗透率与有效孔隙度在加卸载围压的过程中有着同样的变化规律。由上述分析和试验结果可以得出:原煤煤样的有效孔隙度在低围压阶段变化幅度大，在高围压阶段变化幅度小，而型煤煤样的有效孔隙度在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。
相关研究表明[21]，孔隙度与孔径的大小成正比。原煤煤样保持了原始的孔隙结构和矿物组成，围压较低时，煤内基质、矿物颗粒间的接触点少，孔隙抵抗变形的能力弱，孔径变化幅度大;随着应力的升高，孔隙被进一步压密闭合，基质、矿物颗粒间的接触点增多，孔隙抵抗变形的能力增强，孔径变化幅度降低。与原煤煤样相比，型煤煤样的原始孔隙结构遭到了破坏，煤的均质程度高，煤内颗粒间的接触充分。随着压力的增大，增加的颗粒接触点对煤内孔隙的闭合影响程度不明显，孔径随围压的增加呈均等变化。
(3)加载过程与卸载过程渗透率变化路径并不重合，且加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率，表现出渗透率不能完全恢复的特征。这是因为在循环加卸载过程中，煤样即发生了弹性变形又发生了塑性变形[13]。其中，塑性变形为不可逆变形，是煤样在循环载荷下损伤程度的体现，应力卸载后无法恢复至初始状态，对应的渗透率亦不能恢复至初始值。
根据文献[22]，可利用煤样渗透率损害率来评估渗透率的恢复程度。煤样渗透率损害率的计算公式为
(2)
其中，Dk为煤样渗透率损害率;k0为加载围压过程中第1个应力点对应的渗透率;k1为该次卸载围压过程中最后一个应力点对应的渗透率，计算结果见表1。由计算结果可以看出，原煤煤样和型煤煤样的Dk值均随循环次数的增加逐渐减小，如Ⅰ-2号煤样第1，2，3次加卸载的Dk值分别为34.4%,9.9%和9.5%。这是因为，第1次循环煤样的塑性变形最大[13]，对应的渗透率损害程度也最大;随着循环次数的增加，煤样被逐渐压实，力学性能得到增强，虽然后续循环载荷亦对煤样进一步压缩，但其塑性变形能力减弱，使得煤样渗透率损害率逐渐减小。由表1还可以看出，原煤煤样和型煤煤样的Dk值随瓦斯压力的增加亦逐渐减小，如Ⅰ-1号,Ⅰ-2号和Ⅰ-3号煤样第1次加卸载的Dk值分别为48.00%,34.40%和23.70%。如前所述，煤样的渗透率损害率与塑性变形一一对应，塑性变形越大，渗透率损害率就越高，反之就越低。瓦斯压力升高，煤的有效应力减小，同等应力条件下煤内的塑性变形减弱，对应的渗透率损害率也随之降低。
2.2 煤样裂隙可压缩性分析
瓦斯压力恒定时，渗透率与围压的关系式[21]为
k=k′0e-3cf(σ-σ0)
(3)
其中，k′0为煤样的初始渗透率;cf为裂隙压缩系数;σ和σ0分别为围压和初始围压。利用式(3)对试验数据进行拟合，可获得煤样裂隙压缩系数cf随围压加卸载循环次数的变化规律，拟合结果见表1。
由表1可以看出:① 原煤煤样和型煤煤样的cf值整体上随加卸载次数的增加而减小，随瓦斯压力的增加而增大。如Ⅰ-2号煤样第1，2和3次加载过程的cf值分别为0.293 39,0.223 20和0.208 22，Ⅱ-1号、Ⅱ-2号和Ⅱ-3号煤样第2次加载过程的cf值分别为0.012 44,0.014 30和0.015 13。表明随着加卸载次数的增加，煤的力学性能得到增强，裂隙的可压缩性逐渐降低;随着瓦斯压力的增大，煤的力学性能不断弱化，裂隙的可压缩性逐渐升高。② 原煤煤样的裂隙压缩系数普遍大于型煤煤样，前者比后者大一个数量级，表明原煤煤样裂隙比型煤煤样裂隙具有更高的可压缩性。原煤煤样保留了原生的煤体结构特征和裂隙形态，其裂隙面间的接触点少，在外加应力下接触点发生应力集中，裂隙的闭合程度高。相比较而言，型煤煤样的均质程度高，瓦斯渗流通道间的煤粉颗粒接触充分，在外应力作用下煤粉颗粒不易发生应力集中，裂隙的闭合程度低。但这并不是说相同应力变化条件下原煤煤样会具有更大的变形量，相反，型煤煤样的变形量将会更大。这是因为，原煤煤样的孔隙率低，裂隙闭合后煤样抵抗变形的能力迅速增强，总变形量小;型煤煤样具有更大的孔隙率，并且颗粒间的胶结力小，可能在瓦斯渗流通道完全闭合之前颗粒间就会发生错位、咬合等，这些均会增加煤样的总变形量。因此，这里的裂隙闭合程度是相对于原始裂隙的开度而言的，并非指煤样的绝对变形量。原煤煤样保留了原生的煤体结构特征，与型煤煤样相比，其力学强度高，变形能力弱。煤内的原生孔隙裂隙可看作煤内部的“软弱夹层”，在应力作用下“软弱夹层”先行被压缩，煤样渗透率的变化率大，使裂隙表现出较高的可压缩性。型煤煤样的原生结构遭到了破坏，煤样的力学强度低，变形能力强。在本次试验压力范围内煤的变形量占极限弹性变形量的比重小，煤内裂隙的闭合程度低，煤样渗透率的变化率小，表现为裂隙的可压缩性低。③ 原煤煤样和型煤煤样的k′0值随加卸载次数的增加而减小。如前文所述，这是由煤样的塑性变形造成的，在此不再赘述。④ 原煤煤样的k′0值随瓦斯压力的增加而增大，型煤煤样的k′0值随瓦斯压力的增加而减小，2.3节针对该部分内容作了进一步分析。⑤ 型煤煤样的k′0值普遍大于原煤煤样，前者比后者约大一个数量级。表明，煤样结构上的差异对渗透率的大小影响显著。
2.3 渗透率随瓦斯压力的变化规律
图4为原煤煤样和型煤煤样渗透率随瓦斯压力的变化图。由图4可以看出，在本次试验的瓦斯压力范围内，原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大，型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。
图4 渗透率随瓦斯压力的变化
Fig.4 Changes of permeability with gas pressure
瓦斯压力降低会对煤体的渗透率产生两方面的影响:① 瓦斯解吸造成煤基质收缩，煤内裂隙孔径变大使得渗透率增大;② 煤体的有效应力增大，裂隙被进一步压缩，造成其渗透率减小;渗透率最终的变化趋势是这2种相反作用相互竞争的结果。瓦斯压力降低时，若基质的收缩对渗透率的影响大于有效应力增加的影响，则渗透率增大，反之渗透率减小。对于型煤煤样，煤基质的收缩占主导地位，渗透率随瓦斯压力的降低而升高;对于原煤煤样，有效应力作用占主导地位，渗透率随瓦斯压力的降低而减小。
文献[23]对比研究了原生结构煤和构造煤的渗透率随瓦斯压力的变化规律，结果表明，2者的试验结果分别与本次原煤煤样和型煤煤样的试验结果相同。本次试验取样的煤层受地质构造破坏较轻，煤质坚硬，煤的破坏类型可看作Ⅰ类，与文献[23]中的原生结构煤的划分标准一致，2者的渗透率随瓦斯压力的增加具有相同的变化规律，表明两次的试验结果准确可靠。本次试验所用的型煤煤样由煤粉压密而成，煤的原生结构遭到了破坏，煤样质地较软，与文献[23]中的构造煤具有一定的相似之处，而2者的渗透率随瓦斯压力的增加也具有相同的变化规律，说明煤的结构特征决定了渗透率的演化趋势，同时也说明型煤煤样在一定程度上可以替代构造煤开展相关试验研究。
3 讨 论
煤与瓦斯突出综合假说表明，应力是造成煤与瓦斯突出发生的必要因素之一。并且几乎所有突出都是由于采掘扰动的存在才得以发生，说明与瓦斯及煤岩物理力学特性相比，应力在煤与瓦斯突出发生中所扮演的角色更具有主动性和主导性。
煤矿采掘过程中，掘进工作面进刀、采煤工作面周期来压均使前方煤体处于某种循环加、卸载过程，循环应力作用下煤岩内部微细观结构的改变及其引起的瓦斯渗透能力的变化均会对煤与瓦斯突出的发生造成不容忽视的影响。研究循环载荷作用下含瓦斯煤的渗透性演化规律对于探明煤岩内部微细观结构的损伤演化规律、煤岩渗透率对循环应力的响应特征，以及对于揭示煤与瓦斯突出机理都具有重要意义。在研究含瓦斯煤的渗透性时，试验所选煤样是否具有代表性对于试验结果的可靠与否至关重要。不可否认，从现有的研究成果来看，具有软分层、受地质构造作用破坏严重的煤层也往往具有更高的突出危险性，而这类煤往往也很难加工成试验所用的原煤煤样。迫于无奈，学者们往往利用型煤煤样来代替原煤煤样开展试验。那么，型煤煤样的试验结果与原煤煤样的试验结果是否一致，是学者们普遍关心的问题。
由本次试验结果可以看出，围压循环加卸载作用下，2种煤样的渗透率对应力的响应特征总体相似，但存在细节差异。由此可以得出，用型煤煤样来代替原煤煤样研究含瓦斯煤的渗流特征是可行的，但同时也应该注意2种煤样渗透性对应力响应特征的细节差异，以及这些细节差异给试验结果的可靠性所带来的影响。并且由本次试验结果还可以看出，型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的变化规律与文献[23]中构造煤的试验结果一致，并且两者的试验结果与本文的原煤煤样和参考文献[23]中的原生结构煤的试验结果正好相反。说明，型煤煤样可以代替原煤煤样开展试验，而且在某些特定场合(如代替构造煤研究渗透率随瓦斯压力的演化规律)还具有一定的优越性。
4 结 论
(1)对于两种煤样，围压循环加卸载过程中，渗透率随围压的增大而减小，随围压的减小而增大，且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大，在高围压阶段变化程度小，而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。
(2)煤样的塑性变形能力随加卸载循环次数和瓦斯压力的变化而变化，且两种煤样的塑性变形能力随这两个因素的变化规律相似。
(3)瓦斯压力变化引起的有效应力效应和煤基质收缩效应使渗透率发生相反的变化趋势。这两种效应在原煤煤样和型煤煤样中的主导地位不同，造成了两种煤样渗透率随瓦斯压力的变化趋势相反。
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