煤与瓦斯突出是煤矿井下一种破坏性巨大的动力灾害，国内外业界人士从煤与瓦斯突出机理^[1-6]、煤与瓦斯突出预测^[7-13]、煤与瓦斯突出矿井的管理^[14]、煤与瓦斯突出治理^[15-18]等方面进行了广泛的研究。在治理煤与瓦斯突出突出方面：Díaz Aguado和González Nicieza^[15]研究指出可以通过煤层注水和开采保护层降低突出煤层的危险性。在煤层注水治理煤与瓦斯突出的机理方面：蒋承林^[16]通过不同含水率煤样力学试验和理论分析，认为其是煤层强度降低，塑性增强，并不是由于水对煤体内的瓦斯的封堵作用；刘建新等^[17]通过数值模拟的方法研究认为其是煤层强度降低，塑性增强，瓦斯涌出量降低；刘明举等^[18]通过现场试验认为煤层注水改变了工作面前方应力分布，并使煤层瓦斯含量降低。文献[16]做不同含水率煤样全应力应变试验时，煤样是在无瓦斯条件下进行的，没有研究瓦斯在全应力应变过程中的运移规律。采煤现场的煤层都是含瓦斯状态的，因此有必要进行不同含水率含瓦斯煤样全应力应变瓦斯渗流试验，研究不同含水率含瓦斯煤样的力学特性与瓦斯渗流规律。这更符合现场实际情况，可为进一步认识煤层注水的防突机理提供理论依据。但目前可做全应力应变过程中气体渗流试验的实验设备不多，笔者利用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”，开展了不同含水率含瓦斯煤样全应力应变瓦斯渗流试验，探讨了煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响。并结合现场实测煤层注水前后瓦斯涌出量的变化，探讨了煤层注水治理煤与瓦斯突出的机理。

本试验煤样取自晋城煤业集团的赵庄矿3^#煤层，该煤层为煤与瓦斯突出煤层。煤样严格按照煤与岩石物理力学性质测定方法^[19]要求制作，将所取煤块粉碎，选取粒径大小为0.250~0.425 mm的煤粉颗粒，在200 t刚性试验机上以100 MPa的压力压制而成。成型煤样的规格为：φ50 mm×100 mm。将制备好的成型煤样放入干燥箱烤干，称重后放入设置好温度和湿度的标准恒温恒湿养护箱(如图 1所示)，将成型煤样调到试验所需含水率。

图 1(Figure 1)

图 1 标准恒温恒湿养护箱及煤样

本试验采用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”进行，如图 2所示。

图 2(Figure 2)

图 2 含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置

因为瓦斯的主要成分为甲烷，因此本试验采用纯浓度为99.99%的甲烷代替瓦斯，试验中控制瓦斯压力(p₁)＜围压(σ₂=σ₃)，否则会使热缩管密封失效而使试验失败。本试验轴压加载速度为0.1 mm/min，围压加载速度为0.1 MPa/s。试验全过程由计算机及控制程序控制，包括数据采集记录。具体试验步骤：将已调节好含水率的煤样侧壁均匀涂抹硅橡胶，以防止气体从煤样侧壁泄漏；设置水域温度(本试验温度恒定为30 ℃)；将煤样放入三轴压力室压头上，安装好试验装置的其余部分；对煤样施加预定的围压和轴压(静水压力条件)后，将甲烷压力p₁加到预定压力(1 MPa)，保持甲烷压力p₁不变，本试验围压均为2 MPa。将三轴压力室放入恒温水域，开启循环泵以保证水域里各处温度一致。待煤样充分吸附后，打开试件出气管阀门，待流量计读数稳定后，连续加载轴压进行全应应变瓦斯渗流试验，待煤样破坏后结束该次试验。更换煤样，重复上述步骤，进行新的全应力应变瓦斯渗流试验。本试验共做了5组，15个试件，具体情况见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 试验煤样物理参数 煤样 含水率/ % 煤样尺寸/mm 干密度/ (g·cm-3) 直径 高 12043DR-1 0.00 50.9 100.7 1.257 12043DR-2 2.46 51.1 100.7 1.242 12043DR-3 4.36 51.1 100.7 1.232 12043ZR-1 0.00 51.1 100.3 1.259 12043ZR-2 2.30 51.0 99.5 1.261 12043ZR-3 4.40 51.1 99.6 1.256 12043SL-1 0.00 51.1 100.9 1.190 12043SL-2 2.46 51.1 100.4 1.186 12043SL-3 4.92 51.1 101.4 1.183 13061ZR-1 0.00 51.1 100.9 1.251 13061ZR-2 2.79 51.0 100.5 1.257 13061ZR-3 4.84 51.1 101.7 1.248 13061SL-1 0.00 51.1 101.4 1.169 13061SL-2 2.73 51.1 103.8 1.171 13061SL-3 3.68 51.1 100.9 1.168

表 1 试验煤样物理参数

由于5组煤样所得煤样力学特性和瓦斯渗流规律与煤样含水率之间的关系一致，因此仅对1组煤样的试验结果做详细分析。

根据试验结果，可以得到恒定瓦斯压力和围压条件下，3种含水率含瓦斯煤样的全应力应变关系，如图 3所示(图中ε₁表示轴向应变，ε₃表示横向应变，ε_v表示体积应变，其他类似)。

图 3(Figure 3)

图 3 不同含水率含瓦斯煤样全应力应变曲线

从图 3可以看出，在恒定瓦斯压力和围压条件下，随着煤样含水率的增加，煤样的三轴抗压强度减小，三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大。从表 2可以得到煤样含水率从0.00%增加到4.92%，三轴抗压强度减小了21.55%、三轴抗压强度处轴向应变增大了23.00%、横向应变的绝对值增大了21.87%、体积应变的绝对值增大了17.78%、弹性模量减小了37.44%。表明随着煤样含水率的增大，煤样的强度减小，塑性增强，承受变形的极限增大。在突出准备阶段，破坏煤体的基本动力是弹性潜能释放转化的动能。其能量大小与煤体的弹性有关，煤体弹性越大，工作面附近的弹性潜能越大，工作面突出的危险性越大。随着煤样含水率的增加，煤样的塑性增强。煤样的弹性潜能更多的消耗于煤体缓慢的塑性变形，使煤体内部能量及时消耗、减少能量聚积，避免突然释放。另外，在煤巷掘进的条件下，工作面前方总存在着一个破裂带，破裂带中应力较低，瓦斯易于泄漏，靠近工作面处的部分煤体已经失去突出危险，并且阻碍着后续煤体的突出，这部分失去突出危险的煤体所处的范围就是卸压带。随着瓦斯的泄漏，卸压带的长度是逐渐增加的。一般来说，煤层内破裂带的长度与煤岩的厚度及强度有关^[16]。煤岩的强度越低，破裂带的长度也越大，相应地，卸压带的长度也越大，即工作面前方阻挡有突出危险煤体的卸压带越长，突出就越不易发生。因此，从来力学特性方面来看，煤层原始含水率越高，发生煤与瓦斯突出的危险性越小。

表 2(Table 2)

表 2 12043SL煤样试验结果 煤样 含水率/ % 三轴抗压 强度/MPa 三轴抗压强度时 弹性模量/ GPa 甲烷有效渗透率/mD 轴向应变/ % 横向应变/ % 体积应变/ % 初始值 最小值 三轴抗压 强度时 12043SL-1 0.00 13.924 6.160 -3.937 -1.715 2.719 2.692 1.516 2.019 12043SL-2 2.46 12.778 6.822 -4.378 -1.934 1.894 2.495 1.305 1.675 12043SL-3 4.92 10.924 7.577 -4.798 -2.020 1.701 1.822 0.860 1.378 说明：表 2中“含水率为0.00%”时的煤样的甲烷有效渗透率即煤样的绝对渗透率，这里看作煤样的甲烷有效渗透率的一种特殊情况。

表 2 12043SL煤样试验结果

本试验中给煤样加水的过程没有改变煤样的原始结构，而在采煤现场给煤层高压注水会改变煤的原始结构。煤层中的裂隙在高压水的作用下进一步张开，煤层的强度降低更多，塑性增强更多。因此，从来力学特性方面来看，经过高压注水后的煤层在开采中更加不易发生煤与瓦斯突出。

根据试验结果，可以得到恒定瓦斯压力、恒定围压时，3种含水率含瓦斯煤样的全应力应变瓦斯渗流关系，如图 4所示。

图 4(Figure 4)

图 4 不同含水率含瓦斯煤样全应力应变瓦斯渗流曲线

从图 4可以看出，在恒定瓦斯压力和围压条件下，随着煤样含水率的增大，在全应力应变整个过程中，煤样的甲烷有效渗透率都减小。从表 2可以得到煤样含水率从0.00%增加到4.92%，煤样的甲烷有效渗透率初始值减小了32.32%，最小值减小了43.27%，三轴抗压强度时减小了31.75%。表明随着煤样含水率的增大，煤样的甲烷有效渗透率减小。这表明无论采煤现场的煤层处于何种应力应变阶段，随着煤层含水率的增加，煤层的瓦斯有效渗透率都是减小的。从瓦斯对煤与瓦斯突出的影响来说，促使发生煤与瓦斯突出的瓦斯能减小了，发生煤与瓦斯突出危险性也随之降低。煤体是否煤与瓦斯突出决定于煤体在暴露时释放出来的初始释放瓦斯膨胀能，初始释放瓦斯膨胀能越大，煤与瓦斯突出越可能发生^[16]。一方面，根据Ф.И.切尔诺夫^[17]提出的假说，煤层里的水通过裂隙、大孔、中孔渐进入过渡孔、微孔中，煤体内吸附瓦斯应该被大部分封存煤体内，这样会使煤体在暴露时释放出来的初始释放瓦斯膨胀能比较小，不易引起煤与瓦斯突出。另一方面，当煤体被开挖后，工作面前方煤层里的游离瓦斯与工作面游离瓦斯存在压力梯度，游离瓦斯会有向工作面流动的趋势，但由于水进入煤体后，部分孔隙和裂隙被水封堵，这将减小可供游离瓦斯流动的通道，也将会使煤体在暴露时释放出来的初始释放瓦斯膨胀能比较小，不易引起煤与瓦斯突出。因此，从瓦斯在煤层中流动方面来看，煤层原始含水率越高，发生煤与瓦斯突出的危险性越小。

本试验给煤样加水过程没有破坏煤样的原始结构，与采煤现场煤层高压注水不一样。在采煤现场煤层高压注水的过程中煤体遭到破裂，裂隙增加，在给煤层高压注水初期，煤层释放的瓦斯反而增加，但在煤层注水后期煤层瓦斯涌出量又会降低^[17-18]。这是因为给煤层高压注水有两方面的作用，一方面，水对工作面附近的煤层裂隙和孔隙的封堵作用，另一方面，高压注水使煤体裂隙进一步张开，并产生新的裂隙。在给煤层注水初期，高压注水使煤体裂隙进一步张开，并产生新的裂隙的作用占主导地位，引起瓦斯涌出量增大。随着水慢慢进入煤层的孔隙和裂隙后，水对工作面附近的煤层裂隙和孔隙的封堵作用慢慢增大，又使瓦斯涌出量减小。因此，从瓦斯在煤层中流动方面来看，给煤层高压注水不一定会降低决定煤层是否发生煤与瓦斯突出的初始释放瓦斯膨胀能，要具体看高压注水对瓦斯在煤层中流动两方面的影响，孰强孰弱。

综上分析可知，煤层的原始含水率对煤层是否会发生煤与瓦斯突出有重大影响，煤层原始含水率越高，发生煤与瓦斯突出的危险性越小。煤层所处井田的地质构造、顶底板岩石的情况和水文地质情况的不同，必将使赋存其中的煤层的含水率不同。因此，笔者认为可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。

1) 在恒定瓦斯压力和围压条件下，随着煤样含水率的增加，煤样的三轴抗压强度减小，弹性模量减小，三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大。

2) 在恒定瓦斯压力和围压条件下，随着煤样含水率的增大，在全应力应变整个过程中，煤样的甲烷有效渗透率都减小。

3) 煤层注水的防突作用：从力学特性方面来看，使煤层强度降低，塑性增加，承受变形的极限增大。从而使煤样的弹性潜能更多的消耗于煤体缓慢的塑性变形，使煤体内部能量及时消耗、减少能量聚积，避免突然释放。同时使工作面前方阻挡有突出危险煤体的卸压带增长。从瓦斯在煤层中流动方面来看，给煤层高压注水不一定会降低决定煤层是否发生煤与瓦斯突出的初始释放瓦斯膨胀能，要具体看高压注水对瓦斯在煤层中流动两方面的影响，孰强孰弱。

4) 煤层的原始含水率对煤层是否会发生煤与瓦斯突出有重大影响。煤层原始含水率越高，发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。