卸围压煤岩体裂隙连通性演化规律优化标题

岩体内有一张开裂隙，裂隙的开度为e，假设流体的流动为稳态层流，流速不随时间变化。对于裂隙内沿x方向流动的流体，其流速只有一个非零的分量ux，而且ux仅与z坐标有关，与x和y无关，故有：

可得裂隙流的运动微分方程组：

对于一段长L、宽b的裂隙，压强p仅与坐标x有关，方程（3.7）左端仅与x有关，右端仅与坐标z有关。两边恒等的必要条件是都等于一个常数，设该常数为C，则方程（3.7）相当于以下两个方程：

分别积分后得到：

其中，C′、C″和C‴为积为常数。根据边界条件可得：

式中，P0为裂隙入口流体压力，PL为裂隙出口流体压力。根据裂隙流中流速沿裂隙开度呈二次抛物线形状分布，则平行于裂隙面的平均流速为：

裂隙宽度b范围内的流量q为：

根据CT扫描成果，卸围压达到σ1－σ3的峰值强度后，大部分原煤试件内部形成单斜破坏的裂隙面，该裂隙面的剪切破坏使原煤样出现整体破坏。这种裂隙面属于互相咬合的接触面，面内隙宽大小不一，张开度变化较大。因此，可以假定一个有效张开度e′来模拟流体在裂隙中的流动，则有：

式中，e′为有效张开度，μ为动力黏度系数1.08×10－5 Pa·s，q为流量，PL为大气压0.101 325 MPa。

由式（3.13），根据达西定律流速与渗透系数的关系可知，平行于裂隙扩展方向的渗透率k和渗透系数K为：

将式（3.15）代入渗透率k，则有：

由试件2试验结果可知，动力黏度系数μ＝1.08×10－5 Pa·s，b＝50 mm，L＝100mm，P0＝3MPa，PL＝0.101 325MPa，q＝0.74 L／min＝m3／s＝1.23×10－5m3／s。将上述各值代入式（3.17）中，即可得出裂隙的渗透系数。同理，可计算出其他围压状态时的裂隙渗透率，试件卸围压变化过程中裂隙的渗透率变化规律如图3.25至图3.29所示。其中，渗透率即利用前述理论公式通过表3.3中试验结果计算得出的。

图3.25　试件1岩样卸围压变化过程的渗透率变化规律

图3.26　试件2岩样主应力差及渗透率(www.xing528.com)

图3.27　试件3岩样主应力差及渗透率

图3.28　试件4岩样主应力差及渗透率

图3.29　试件5岩样主应力差及渗透率

表3.3　部分煤岩样加卸载试验成果

为了研究煤岩试件在加卸载及断裂过程中的瓦斯渗流状态，采用流固耦合分析方法对其进行了模拟，模拟条件与表3.3加载路径相同。图3.30（a）所示为静水压力条件下，试验件中的瓦斯均匀分布，流量很小；图3.30（b）所示为卸围压后试件临近破坏点的径向变形图；图3.30（c）所示为试件中出现了宏观剪切带，此时剪切带上的流量急剧增大，而煤岩基质中的渗流比静水压力状态时还要小；图3.30（d）所示为试件中的流场分布状态。

图3.30　卸围压试件渗透率与径向变形耦合

试件卸压变形过程中的应力-应变、应变-渗透率变化曲线如图3.25至图3.29所示。在卸围压状态过程中，随着围压降低，煤岩渗透率变化呈现阶段性特点。由图3.30（a）、（b）、（c）可得出，渗透率的变化趋势可以分为以下3个阶段，即阶段Ⅰ——渗流减小阶段、阶段Ⅱ——稳定渗流阶段、阶段Ⅲ——加速渗流阶段。

①阶段Ⅰ：即加载轴向力至65 kN时，试件原生孔隙裂隙被压密，渗透率随压密程度增加而减小，此阶段随轴向应力的增加，渗透率减小较快；当轴向力加载到65 kN时，渗透率为最小。

②阶段Ⅱ：稳定渗流阶段，阶段II时开始卸围压，此阶段渗透率先少量增加后处于稳定状态。卸围压初期，试件未发生破断，随着继续压缩，试件原生裂隙继续被压密。与此同时，局部产生新裂隙，压密作用未能抵消新裂隙的扩张作用，但次生裂隙只是相互连接，未形成宏观裂隙，因此流量出现少量增加现象，此时轴向压力仍然为65 kN。继续卸围压时，由于试件产生宏观裂隙，试件的三轴抗压强度降低，此阶段原有孔隙裂隙一部分继续被压密，在压密过程中又产生了新裂隙，此时新裂隙产生到一定数量彼此相互连接，两种作用相互抵消，因此流量处于稳定状态。

③阶段Ⅲ：加速渗流阶段，即破坏后阶段，此阶段试件随着卸围压作用继续进行，试件发生破断，轴向力瞬间降低，流量突然增大，原生裂隙由压密转为剧烈扩张，次生的宏观裂隙扩展，连接并相互贯通，试件形成较大的贯通裂隙，渗透率达到最大（图3.31）。

图3.31　部分试件破断后照片

三轴抗压强度为试件在卸围压过程中的峰值强度。随着瓦斯压力增加，煤样的抗压强度降低，煤样破坏后强度逐渐增加，表明原煤试样破坏后还有一定承载力；渗透率呈现先减小后稳定、最后急剧增加的趋势，当开始卸围压时渗透率最小，这与国内外大多数关于试验的参考文献结论大体一致。

根据强度-时间曲线，可将试验曲线分为3个阶段：峰前阶段（第Ⅰ阶段）、微裂隙发展阶段（第Ⅱ阶段）、裂隙贯通阶段（第Ⅲ阶段）。

①峰前阶段：岩样被压密原有张开性结构面或微裂隙闭合，径向变形较小，轴向变形较大，试件体积随荷载增加而减小。

②微裂隙发展阶段：岩样出现新的微裂隙，试件体积出现扩容。

③裂隙贯通阶段：裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但由于破断煤岩仍有一定承载力，所以强度并不降为零。

由原煤及岩样的渗透率曲线可知：

①第Ⅰ阶段（渗透率下降阶段），试件在初期受力作用下，体积被压缩，渗透率下降，不考虑吸附效应且由于压力作用裂隙被压密，所以初始阶段渗透率下降。此阶段瓦斯渗流特性表现为孔隙流动。

②第Ⅱ阶段（渗透率稳定变化阶段），渗透率趋于稳定，其原因是部分裂隙继续压缩而部分原生微裂隙开始扩展，两种效应此消彼长，使得渗透率稳定变化，并开始少量增加。此阶段瓦斯渗流特性表现为孔隙流动。

③第Ⅲ阶段（渗透率急剧增大阶段），应力降至约峰值应力的75%时，渗透率变化开始急剧增大，岩样裂隙网络的连通性增强，煤岩样中出现宏观裂隙，瓦斯进入加速渗流阶段，渗透率急剧增大。此阶段瓦斯渗流特性表现为裂隙流动。