破碎岩体中的气体渗流规律研究

　　破碎岩体大量存在于水利、交通、地下建筑及地下资源开采等工程当中，破碎岩体中的渗流往往是工程中需要重点解决的问题。水和瓦斯的渗流是采矿工程中普遍关注的问题，其中很重要的一项就是瓦斯在采空区破碎岩体中的渗流。统计资料表明，近年来，我国煤矿发生一次死亡10人以上的事故7000多起，在这些特大事故中，瓦斯爆炸和水灾就占80以上m.特别是瓦斯灾害更为突出，而且瓦斯事故死亡人数总体呈上升趋势。特别是2004年到2005年初，全国数个大矿相继出现瓦斯爆炸，死亡人数都在1人以上。因此加大煤矿瓦斯治理力度刻不容缓。采空区特别是综放采空区，由于上覆岩（煤）层冒落、堆积压实形成破碎岩体，并伴有大量遗煤，遗煤释放瓦斯使采空区破碎岩体中瓦斯富集，其中高瓦斯浓度为工作面瓦斯浓度的几十倍应变；A为拉梅常数；G为剪切模量。受外载以后，设岩体的孔隙度变为少'，则因为此时气体的压力没有改变，所以可以考虑此时的气体体积不变，在代入连续性方程后，用与前面同样的方法可以求出流一固耦合时的气体渗流随机微分方程为方程（13）即为气体渗流的随机微分方程。此方程一般用于流一固耦合时的数值求解。

　　4破碎岩体中的气体渗流试验4.1试验原理和装置破碎岩体的渗透率是研究破碎岩体中渗流的重要参数，本试验是针对气体在破碎岩体中渗流的情况，获得不同颗粒直径、压力作用下的破碎岩体的气体渗透率尤值，并分析破碎岩体在以上不同情况下的渗流规律。

　　本试验采用自行设计的试验装置（见），联合MTS810力学试验伺服机进行试验。试验渗透仪工作原理见。

　　在试验中，气体渗流模型的本质还是类似于达西设计的模型，采用自行设计的装置。由于理论的复杂性，需要用带有随机理论的软件来计算。而作为试验，只能采用简单的模型。这里采用式（4）并简化为稳态一维的情况，即对上式积分，可得时，即得到其流量为设2为时的流量，设为出口的流量，由状态方程，则有必，因此表1破碎砂岩气体渗透试验数据将式（16）和式（17）代入式（15）并解出渗透率尺，即在同样的条件下，设试件入口和出口处的压力分别为A、八，出口流量为G，则同样可以得到如式（18）的关系式为联立式（18）和（19）消去求得系数C为4.3气体渗透试验结果分析算就得出表2的数据，其中缸筒半径为110，"=0.176xl04，p=1.257kg/m3，从而可以得出砂岩渗透率与压力、粒径等的关系。

　　渗透率出现以上的变化情况，可以解释如下：当轴压较小时，岩石的棱角被压碎填补了岩石间的一些空隙，但对气体渗流而言，其影响比较小，所以渗透率下降较小；随着轴向压力继续的同样的条件下，通过两次试验求出系数C再代入式（18）就可以求出渗透率K. 4.2气体渗透试验步骤和过程试验前，首先将岩样进行破碎，按不同粒径进行分级。试验中，一共选用4种砂岩基本粒径，每组粒径做3次试验，后取值为3组试验的平均值。试验过程中采用力加载法，其速度为25kN/min，分别采集在压力为50kN、100kN、150kN和200kN时的数据，并同时在这几种压力情况下进行气体渗透，测出相应的进出口流量、压差等数值，见表1.增加，更多的岩石棱角被压碎，填补了其中的大部分空隙，岩石间空隙变得很小，一部分气体可能还吸附在其中，所以渗透率下降较快；而当压力较大后，破碎砂岩间空隙已经基本被填充稳定，轴压再有增大，其渗透率变化也不太明显了，所以趋于水平发展。

　　粒径小的破碎砂岩棱角小，相互之间接触紧密，其空隙小，大粒径的破碎砂岩其间的空隙大，所以随着粒径的增大，渗透率也增大。

　　无论在何种压力情况下，各粒径砂岩的渗透率都有一定的稳定的差值，在较高压力下，虽然它们的渗透率都趋于稳定，但仍表现出一定差值。

　　表2不同轴压下砂岩的渗透率5结论推导得出了适合于破碎岩体这一特殊介质的气体渗流微分方程；结合煤矿采空区的情况，给出了煤矿采空区破碎岩体中的气体渗流方程；并进一步结合流固理论导出了破碎岩体中的流固耦合随机微分方程，可以用于破碎岩体的随机性研究的数值计算。

　　通过试验得出：1）各种粒径的破碎砂岩，其渗透率随轴压的增大都会减小，在初始阶段轴压较小时，渗透率减小得比较缓慢，当轴压超过100kN以后，其渗透率变化开始加快，当轴压较大时，其减小的趋势又变得缓慢，并逐渐趋向于水平；2）破碎砂岩的渗透率随粒径的增大都在增大；3）无渗透率都趋于稳定，但仍然表现出一定差值。

　　文中所得控制方程及试验规律可为破碎岩体特殊介质中的渗流研究提供依据。