煤储层属于低孔低渗非常规储层，必须采取人工增产措施才能保证煤层气井的生产效率，水力压裂技术作为一种有效增透手段，被广泛的应用到煤层气开发中[1]。煤岩力学性质及渗透性是影响煤层气开发的重要因素，煤岩失稳破坏过程中积蓄在煤体内部的能量将会释放,并以弹性波的形式向外传递,如果释放的能量到达一定限度,就会产生可听音,这种煤岩失稳释放声音信号的现象称为声发射现象。水力压裂过程中煤储层裂缝生成演化，产生大量声发射信号[2]，声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及演化过程有效方法，已被广泛应用。因此，研究全应力-应变过程中煤岩渗透率和声发射特征，揭示煤岩损伤演化规律，对煤储层水力压裂及煤层气井产能评价具有理论和实际意义[1]。
实验室利用刚性试验机或伺服试验机对圆柱形煤、岩石样品进行单轴或三轴压缩试验是研究煤、岩石力学性质和煤、岩石变形破坏过程最基本手段。目前，国内外学者主要通过单轴或三轴试验对煤的力学性质和渗透性及损伤演化规律开展了大量研究，揭示了不同围压条件或加、卸载条件下煤岩力学性质及其损伤演化规律[3-7]。分析了煤、岩成分、结构、温度、应力、压力和含水率等因素对煤、岩力学性质的影响[8-13]，如孟召平等[9]基于含煤岩系主要岩石类型,系统分析了决定岩石力学性质的主要控制因素如岩性、地应力和水，探讨了不同岩性岩石在不同侧压和不同含水条件下的力学特征，分别建立了含煤岩系岩石力学性质与岩性、地应力和水等主要控制因素之间的定量关系。ZHANG Xiaogang等[10]实验研究了孔隙流体对煤岩力学强度的影响，揭示了吸附气体对煤岩力学性质的影响机理，提出了在气体的吸附过程中煤基质膨胀导致煤岩弹性模量和抗压强度降低的认识。苏承东等[11]分析了经历不同高温自然冷却后煤样微观结构和单轴压缩过程中的变形、强度与声发射特征。刘忠峰等[12]通过煤岩的注水试验分析了煤岩的单轴抗压强度、弹性模量和抗剪强度均随含水率的增加而降低的规律。朱传奇等[12]通过实验分析了不同含水率及黏土含量下松软煤体力学特征。在对煤、岩力学性质研究的基础上，开展了煤岩变形破坏过程中渗透动态规律研究，揭示了载荷作用下煤岩损伤演化及其渗透率变化规律和控制机理[14-17]。为了分析载荷作用下煤岩裂纹扩展规律，开展了煤岩变形破坏与声发射试验研究，分析了不同围压下煤岩应力-应变关系及声发射特征[18-21]。如李术才等[20] 和杨永杰等[21]在单轴加载下研究煤岩煤样声发射特征的响应规律及煤样破坏过程中的损伤演化特征,将煤岩煤样的损伤演化过程划分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段。这些研究为煤层气井开发提供了理论依据。但从目前的研究状况看，由于煤层气开发中煤储层应力-应变、渗透性与声发射现场监测资料缺乏，有关室内试验数据也相对有限，因此有必要加强这方面的研究。因此，笔者采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样开展不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究，揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理，为我国煤层气开发提供理论依据。
1 试验条件与方法
为了分析不同围压下煤的应力-应变、渗透性与声发射特征，在沁水盆地西山矿区采取石炭系太原组8号煤层样(图1)。煤样的显微组分以镜质组为主，其中镜质组含量为74.39%、惰质组含量为22.68%和黏土矿物含量2.93%，镜质组反射率(Ro)为1.47%，煤种为焦煤;煤样的工业分析表明，煤样灰分产率(Ad)为3.00%，水分(Mad)为0.89%，挥发分产率(Vdaf)为14.22%。宏观煤岩类型主要为半亮煤～半暗煤。沿煤层层面方向加工成标准三轴试件，长约为100 mm，直径约50 mm。
1—水源;2—流量传感器;3—压力室底座及上梁;4—穿孔盘;
5—煤样;6—声发射探头;7—声发射放大器;8—轴向径向应变
传感器;9—轴压控制器;10—围压控制器;11—水压控制器;
12—数据采集处理系统
图1 试验煤样和岩石力学试验系统
Fig.1 Coal samples and Rock mechanics test system
应力-应变-渗透-声发射试验采用北京科技大学的TAW-2000型微机伺服岩石力学试验系统，该系统主要包括4个独立单元:轴压加载单元、围压加载单元、孔隙流体压力加载单元和应力-应变-孔压-流量-声发射监测单元(图1)。轴向最大加载载荷为2 000 kN，围压最大为100 MPa，加载时采用位移控制，由变形传感器对岩石在三轴状态下的轴向及径向变形进行直接测量;声发射探头布置在煤样两侧，采样频率为150 kHz，实验设置门槛值为55;水泵采用恒压控制，最大恒定压力可达40 MPa，流量传感器监测流量，频率为5 Hz。为了研究煤样在围压下的声发射事件演化规律，试验过程中保证加载与声发射监测同步进行。
根据研究区煤储层地应力和煤储层压力分布特征，试验中设计围压分别为5，10，20，30 MPa;孔隙压力为3.5 MPa。
操作步骤下:① 将应变传感器贴在煤柱样两侧，两者分别垂直和平行煤柱长轴，平面相距呈180°，分别测量轴向变形和径向变形;② 将声发射探头贴在煤柱表面，采集声发射信号;③ 将样品用橡皮密封套封住，安装到三轴压力室内，连接好管路;④ 先将围压施加到试验方案预设值，然后打开水泵，将流体压力调节至预设值，最后对煤样施加轴压，采用位移控制方式，加载速率为0.02 mm/min;⑤ 同步监测样品轴向变形、径向变形、水流量、声发射信号、时间、水泵压力等信息，样品破坏后，通过更换样品按照实验方案完成试验工作。
2 试验结果及分析
通过煤的全应力-应变-渗透性-声发射试验，获得了不同围压下煤样全应力-应变过程中渗透率和声发射特征[1]，如表1，图2所示。
表1 不同围压下煤岩渗透率、轴向应变和声发射
Table 1 Experiment results of permeability,volumetric strain and AE for different confining pressures
样品编号初始渗透率/10-15 m2峰值渗透率/10-15 m2增幅/%轴向应变/10-2点B点C振铃计数比率/%ROBRBCRC110.016 800.030 389.30.340.4221.27 36.88 41.85140.002 900.005 072.41.001.1612.9316.52 70.55150.002 200.006 4190.90.690.870.780.2299.00160.000 780.002 7246.21.321.7320.6519.1060.25
注:点B和点C分别为弹性极限点和峰值强度点;ROB,RBC和 RC分别为孔隙压缩及弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段内声发射振铃计数占总振铃计数的百分比。
图2 不同围压下煤岩全应力-应变、渗透率和声发射振铃计数
Fig.2 Correlation of complete stress-strain,permeability and AE counts for coal samples with different confining pressures
2.1 煤样全应力-应变特征
试验结果表明，煤样全应力-应变曲线都具有相似的变化特征，可将煤样变形破坏过程划分为3个阶段(图2):孔隙压缩与弹性变形阶段(从O点到B点)、塑性变形阶段(从B点到C点)和破坏失稳阶段(C点之后)。其特征如下:
(1)孔隙压缩与弹性变形阶段。OB段，4个试验样品B点的轴向应变分别为:0.34%，1.00%，0.69%和1.32%(表1)，在这一阶段，煤样的应力-轴向应变曲线开始微呈上凹形，斜率随应力增大而逐渐增大，煤的体积随压力增加而压缩。这表明在荷载作用初期，煤样中的孔隙-裂隙逐渐压密，煤基质发生摩擦挤压，产生少量能量较低的声发射事件，形成早期的非线性变形，煤样渗透率出现下降;随后，煤样应力-轴向应变曲线近似呈直线，表明经压密后，煤样进入弹性变形阶段，煤样的渗透率较低，声发射活动相对不明显，能量较低。
(2)塑性变形阶段。BC段，曲线由B点开始偏离直线，煤样的体积由压缩转为膨胀。煤样超过弹性极限后，进入塑性变形阶段，煤样从微裂隙迅速增加和不断扩展形成局部拉裂或剪裂面，且随着轴向应力的增大裂隙进一步发展。应力-轴向应变曲线斜率迅速减小，煤样体积膨胀加速，煤样变形随轴向应力迅速增长，至C点，轴向应力达最大值，4个试验样品C点的轴向应变分别为:0.42%，1.16%，0.87%和1.73%(表1)，达到塑性变形阶段的C点，声发射事件计数急剧增加，说明煤样内部微裂纹快速产生与非稳定扩展，煤样的渗透率也继续增大或达到峰值;
(3)破坏失稳阶段。C点后段，煤样通过峰值应力后，煤样内部结构不断破坏，轴向应力随应变的增加而降低，直至达到某一稳定值，称为残余强度，煤样的渗透率由峰值开始下降，这一阶段明显地表现出应变软化效应，煤样全应力-应变过程中最大渗透率kmax一般发生在煤岩的破坏失稳阶段，声发射振铃计数也保持一定的高值后逐渐降低。
2.2 煤的全应力-应变过程中渗透性及声发射特征
试验结果表明，煤样全应力-应变过程中渗透性及声发射特征如下:
(1)孔隙压缩及弹性变形阶段。该阶段不同围压作用下煤样声发射活动相对较弱。在开始的孔隙压缩过程中有部分声发射事件发生，表明煤样在孔裂隙闭合时部分晶体发生摩擦挤压，产生少量能量较低的声发射事件。11号煤样(围压5 MPa)、14号煤样(围压10 MPa)、15号煤样(围压20 MPa)和16号煤样(围压30 MPa)声发射振铃计数分别占总振铃计数的21.27%，12.93%，0.78% 和20.65%。渗透率最小值通常出现在孔隙压缩及弹性变形阶段。
(2)塑性变形阶段。声发射振铃计数显著增加，声发射振铃计数分别占总振铃计数的36.88%，16.52%，0.22% 和19.10%，表明煤样在载荷作用下，可能萌生了新裂纹。随着载荷的增加，在塑性变形阶段，煤样渗透率快速增大，表明煤样中生成了新裂隙。
(3)破坏失稳阶段。声发射振铃计数迅速增加，累计声发射振铃计数增长速率达到最大，表明煤样内部裂纹迅速扩展与贯通，声发射振铃计数分别占总振铃计数的41.85%，70.55%，99.00%和60.25%。在破坏失稳阶段煤样的渗透率达到峰值，说明煤岩的破坏是导致煤储层渗透率增高的关键因素，只有煤岩破坏后变形的进一步发展，才会导致峰值渗透率的到来。如14号煤样和16号煤样的渗透率峰值分别为0.5×10-17 m2和0.27×10-17 m2。15号煤样含宏观裂隙，其初始渗透率和峰值渗透率相对较高，分别为0.22×10-17 m2和0.64×10-17 m2。
3 讨 论
3.1 围压对煤的变形力学性能的影响
煤储层具有由孔隙、裂隙组成的双重孔隙结构，是一种典型的裂隙型介质。煤中含有大量孔隙和裂隙，不同于内部不含缺陷的介质，煤的力学性质受孔隙、裂隙影响明显，含有孔隙和裂隙的煤与完整的煤基质不同，煤在外力作用下的变形由煤基质物质的弹性变形和孔隙-裂隙的闭合两部分组成。由于裂隙闭合程度与作用在裂面上的正应力有关，因此不同应力条件下煤的力学参数具有显著差异性。因此，定义包含孔隙-裂隙的煤弹性参数为有效弹性参数，不含缺陷的煤基质弹性参数为固有弹性参数[22]，且不会随着围压的变化而变化。
含孔隙-裂隙的煤样承载后变形破坏与其所承受的围压大小有关。试验结果表明，煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量均随围压的增大而增大(图3，4)。
图3 煤样轴向破坏应力与围压关系
Fig.3 Relationship between axial failure stress of coal sample and confining pressure
图4 煤样有效弹性模量与围压关系
Fig.4 Relationship between effective elastic modulus of coal sample and confining pressure
当试验煤样围压分别为5，10，20和30 MPa时，煤的轴向破坏荷载分别为18.37，63.54，51.32和83.82 MPa。统计表明，煤样的轴向破坏荷载随围压的增加呈线性规律增加，其关系式为
σ1=2.01σ3+21.60
(1)
其中，σ1为轴向破坏应力，MPa;σ3为围压，MPa;煤样的单轴抗压强度21.60 MPa，相关系数R2=0.66。
煤样有效弹性模量与围压之间呈对数函数关系:
E=0.531ln σ3+4.225
(2)
式中,E为有效弹性模量，GPa;σ3为围压，MPa;相关系数R2=0.43。
煤储层压力对煤岩力学性质也产生重要影响，式(1)给出了煤的轴向破坏荷载与围压之间的关系，其关系式没有考虑煤储层压力的影响。如果考虑煤储层压力的影响，用σ1-Pp代替σ1，用σ3-Pp代替σ3则得
σ1-Pp=2.01(σ3-Pp)+21.60
(3)
σ1-σ3=1.01σ3-1.01Pp+21.60
(4)
式中,Pp为煤储层压力，MPa。
计算结果表明，随着煤储层压力的增高，煤储层主应力差减小(图5)，且随着围压的增大而增高。
图5 不同围压下主应力差与煤储层压力关系
Fig.5 Relationship between principal stress difference and coal reservoir pressure under different confining pressures
3.2 围压对煤的渗透性和声发射的影响
在全应力-应变过程中的渗透率曲线，反映出峰后煤样的渗透率普遍大于峰前，渗透率的最高值位于峰后破坏失稳阶段，而最低值点位于孔隙压缩与弹性变形阶段，煤样应力-应变过程中最大渗透率Kmax主要发生在煤样破坏失稳阶段，说明煤样破坏后的渗透率达到极大值。煤样的渗透率与其应力密切相关，加载初期应力水平较低时,渗透性略微下降(或变化不大),之后随着煤样应力-应变的增加，由弹性变形阶段向塑性变形阶段转化，渗透性也增强，煤样达到峰值应力后，内部裂隙已经贯通，使得渗透率近似线性急剧增加，达到最大或接近最大渗透率值，随后煤样的渗透率趋于平稳(图2)。
不同围压下煤样的全应力-应变过程中，随着围压的增高，煤的初始渗透率、破坏后的峰值渗透率和和残余渗透率有减小的趋势(图6,7)。统计表明，4个煤样的初始渗透率分别为0.016 8×10-15 m2,0.002 9×10-15 m2,0.002 2×10-15 m2和0.0007 8×10-15 m2，随围压的增加，煤样初始渗透率逐渐降低，呈负指数函数规律，其拟合关系(图8)为
k=0.016 8e-0.106σ3
(5)
式中，σ3为围压，MPa;相关系数R2=0.84。
图6 不同围压下煤样轴向应变与渗透率关系
Fig.6 Relationship between strain and permeability of coal samples under different confining pressures
图7 不同围压煤样全应力-应变、渗透率和累计声发射计数关系模型
Fig.7 Coupling models of stress-strain,permeability and AE counts in different confining pressures
图8 初始渗透率与围压关系曲线
Fig.8 Relationship between initial permeability and confining pressure
声发射的产生是煤岩局部区域快速卸载使弹性能得到释放的结果。煤岩变形和裂纹的产生、扩展及断裂是重要的声发射源。不同围压下煤样全应力-应变过程中，随着围压的增高，除煤的轴向破坏荷载(抗压强度)逐渐增高和渗透率逐渐减小外，煤样累计声发射振铃计数也逐渐降低(图7，9)。
(1)在孔隙压缩及弹性变形阶段，随着应力-应变的增大，煤样渗透率不断减小，但声发射活动不明显，说明在载荷作用下煤样原始裂隙闭合，未产生新裂隙。
(2)在塑性变形阶段，煤样声发射振铃计数明显增加，说明煤样在载荷作用下生成的新裂隙不断增多。
(3)在破坏失稳阶段，大量新生裂隙迅速生成、扩展，声发射活动迅速增加，累计声发射振铃计数增长速率和体积应变达到最大，煤样完全失稳破坏，其渗透率也达到峰值。
图9 不同围压下煤样应变与累计声发射计数关系
Fig.9 Relationship between strain and cumulative AE count of coal samples under different confining pressures
确定煤储层起裂强度的方法主要包括裂纹体积应变法、声发射法和应力-应变曲线分析法等，不同围压下煤样变形破坏过程中煤体内部产生裂纹萌生和扩展，声发射活动强度呈现出不同的特征。声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及演化过程有效方法，已被广泛应用。
水力压裂是煤层气开发过程中增透增产的重要技术。水力压裂过程中煤储层裂缝生成演化，产生大量声发射信号，通过传感器收集和采集由煤或岩石(体)破裂所发射出的声信号，并对声信号进行处理分析，并可获得水力压裂裂缝方向与位置，该技术具有广泛应用前景。
围压除影响煤的变形和强度特性外，对煤的破坏机制产生重要的影响。在没有围压或低围压条件下，煤样呈典型的脆性张破坏，即破裂面平行于主压应力作用力方向;随着围压的增加，围压试件由剪张破坏，即以张破坏为主，剪破坏为辅的破坏形式，到张剪破坏，即剪破坏为主，张破坏为辅的破坏型式;然后，向典型的剪切破坏转化。在高围压条件下，煤样呈塑性破坏，煤表面形成密集的“X”节理，剪切破裂面上有很多岩粉，破裂面交汇处有较大范围的挤压粉碎区，并有显著的侧向膨胀[23]。
煤的应力-应变、渗透性与声发射特征受控于不同围压下煤的破坏机制。① 在没有围压或低围压条件下，煤的应力-应变曲线具有明显的应变软化特征，在峰值后的变形曲线呈非稳定破裂发展，煤样破坏具有典型的脆性破坏特征，煤储层渗透率和声发射活动强度都较高;② 随着围压的增加，煤的破坏表现出延—脆性破坏的性质，主要为剪张破坏或张剪破坏或剪切破坏，煤储层渗透率和声发射活动强度较没有围压或低围压条件下要降低;③ 在高围压条件下，煤的应力-应变曲线具有明显的应变硬化特征，在峰值后的变形曲线呈稳定破裂发展，煤样的破坏具有延性破坏的性质，为塑性破坏，煤储层渗透率和声发射活动强度相对较低。因此，在煤层气开发时，只有认真地考虑地应力因素，才能作出正确的评价。
4 结 论
(1)根据煤的全应力-应变-渗透性-声发射特征，将煤的变形破坏过程分为3个阶段，即孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段，煤样全应力-应变过程中渗透性及声发射特征存在明显的差异性。
(2)在孔隙压缩与弹性变形阶段，煤样渗透率较低，声发射活动不明显;在塑性变形阶段，随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展，煤样的渗透率增大，声发射活动强度明显增高并达到峰值。在破坏失稳阶段，轴向应力随应变的增加而降低，煤的渗透率由峰值开始下降，声发射振铃计数也逐渐降低。
(3)煤的轴向破坏荷载、有效弹性模量和残余强度均随围压的增高而增大，煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。
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