不同瓦斯压力对构造煤煤体渗流性能的影响.pdf

June.2023CHINA COALBED METHANEVol.20 No.3中国煤层气第2 0 卷第3 期2023年6 月不同瓦斯压力对构造煤煤体渗流性能的影响田庆玲（煤与煤层气共采国家重点实验室，山西048000)摘要：文章利用三轴渗流实验装置，对屯兰矿区构造煤进行了不同瓦斯压力对渗流特性的试验研究。结果表明，在弹性阶段，煤体逐渐压缩，渗透率逐渐降低；在接近屈服阶段时，渗透率降到最低；进入屈服阶段，径向变形增大，煤体扩容，煤体内部产生大的变形破坏，新的裂隙成为瓦斯渗流的主要通道，煤体渗透率增加，达到峰值后煤体破坏，渗透率增加迅速，但不能完全恢复初始渗透率。煤体渗透率变化呈现负指数函数减小，试验范围内渗透率降低达6 7.3 2%，但渗透率变化受瓦斯压力的影响程度逐渐减弱。通过不同轴压下渗透率随瓦斯压力拟合发现，渗透率随着瓦斯压力的增大符合负指数函数关系。关键词：瓦斯压力构造煤渗流渗渗透率瓦斯治理Impact of Different Gas Pressures on SeepagePerformance of Tectonic Coal BodiesTIAN Qingling(State Key Laboratory of Coal and Coalbed Methane Co-mining,Shanxi 048000)Abstract:The article conducts an experimental study on the seepage characteristics of tectonic coal inthe Tunlan Mining Area under different gas pressures using a triaxial seepage experimental device.Theresults indicate that the permeability of coal is gradually decreased with the compression of the coal bodyduring the elastic stage.The permeability reaches its lowest point when approaching the yield stage.Up-on entering the yield stage,the radial deformation increases,causing the expansion of coal,and large de-formation and damage occur inside the coal body.New cracks become the main channel for gas seepage,and the permeability of the coal body increases.After reaching the peak,the coal body is destroyed,andthe permeability increases rapidly but cannot fully recover to its initial level.The change in coal permea-bility presents a negative exponential function,with a decrease of up to 67.32%within the scope of theexperiment.However,the impact of gas pressure on the permeability change gradually weakens.Accord-ing to the fitting of permeability with gas pressure under different axial pressures,it is found that the per-meability conforms to the negative exponential function relationship with the increase of gas pressure.Keywords:Gas pressure;tectonic coal;seepage flow;permeability;gas management作者简介田庆玲，女，工程师，现从事煤与煤层气共采理论与方法研究的工作。22第3 期中国煤层气随着开采规模和开采深度不断增大，导致开采时的地应力和瓦斯压力增大，煤层覆岩厚度增加，煤层渗透性系数降低，瓦斯抽采难度增大，发生煤与瓦斯灾害的可能性也加大。与原生结构煤相比，构造煤含气量高、渗透性低且强度较低，抵抗突出的能力弱，发育有一定厚度的构造软煤带是煤与瓦斯突出的易发地点。因此，研究构造煤的渗流特性及其能耗特征对于深部构造软煤的瓦斯抽采利用、煤层瓦斯渗透率的提高及煤与瓦斯突出的预防等具有十分重要的理论价值和实用意义。张朝鹏等进行了不同瓦斯压力下原煤的三轴压缩试验，发现在恒定围压下，煤岩瓦斯渗透率随着瓦斯压力的增大呈现先增大后减小的特征，在1MPa时渗透率最大。刘星光等研究了不同瓦斯压力下原煤的力学和渗流特性，瓦斯压力增大导致煤体变形能力增强，但是抵抗破坏能力减弱；煤体渗透率随着加载变形破坏呈现先减小后增大的变化趋势。李祥春等通过三轴试验发现煤样蠕变过程中煤体内部孔隙或微裂隙发生了两次变化，前期蠕变过程中，孔隙或微裂隙压密，瓦斯流通受阻渗透率减小；当应变超过一定阈值时，煤体骨架发生变化，孔隙或微裂隙出现增生或扩展，瓦斯通道贯通渗透率增大。Ferian Anggara等研究发现，在恒定有效应力条件下，随着孔隙压力的增加造成吸附量的增加并引起了煤体膨胀，从而造成了渗透率的下降；而在固定围压下随着孔隙压力的增加渗透率并未有明显下降，这是由于渗透率通过有效应力的减少得到补偿，有效应力的变化对于煤体渗透性的影响更加显著。由上论述可知，许多专家学者对三轴压缩及加卸载下煤岩体力学、渗透特性进行了大量研究，并取得了一系列成果，但是对于构造煤的研究大部分都是基于结构变形特征及其对瓦斯的解吸/吸附特征而进行的，对于其采动影响下的渗流特性研究较少，文章通过实验研究探讨不同孔隙压力条件下煤岩渗透性的变化，以期为煤层气开采提供一定的借鉴。1实验部分1.1实验原理煤基质中的瓦斯以扩散的方式运移，而煤体孔、裂隙结构中的瓦斯则以渗流的方式运移。瓦斯渗流过程中质量传递与运移速度都要远高于扩散的速度。一般认为煤体孔、裂隙中瓦斯的流动形态服从达西定律，因此，本研究中含瓦斯煤渗透率公式：2QPouLK=(1)(P-P2)A式中，K为渗透率，10-m；P。为标准大气压，10 Pa；Q 为气体流量，cm/s；为瓦斯动力粘度系数，Pas，瓦斯在2 0 条件下动力粘度系数为1.0 8 10-5；P为近气端瓦斯压力，Pa；P,为出气端瓦斯压力，Pa；L 为煤样长度，cm；A 为煤样横截面积，cm21.2煤样制备所用煤样取自屯兰矿，其属高瓦斯矿井，瓦斯绝对涌出量约为2 6 0 m/min。其中，8 号和9号煤层叠合煤层，煤层总厚度10 m左右，中间存在0.12.4m夹研，埋深8 0 0 多m，8 号煤层取样工作面煤体最大破坏类型为类，煤的瓦斯放散初速度Ap为8 9，煤的坚固性系数f为0.4 3 0.4 8，瓦斯涌出量为6.3 3 m/min。煤样取自8 号煤层，取回砂线切割机加工成符合ISRM试样标准的试样，尺寸为 50mmn100mm，试样原始含水率1.6 1%。1.3实验设备试验所需的三轴渗流试验装置采用西安朗杰公司生产的WYS-800型电液伺服三轴瓦斯渗流装置，可以同时进行轴压与围压加卸载，满足三轴试验的需求。实验装置由电脑终端控制系统、三轴室主机结构、液压动力系统和气路系统4 部分组成（图1）1.4实验步骤及方案实验步骤如下：用热缩管将煤样充分包裹后放置在三轴室内部。把环向引伸计安装在煤样外部测量试验加载过程中的径向变形量。系统排气。排气过程包括三轴室排气以及气路系统排气。三轴室排气过程是通过反复加卸载围压实现的。气路系统排气是通过试验开始前多次进行瓦斯吸附实现的。初始应力加载。以0.0 1MPa/s的速度加载围压至1MPa，然后以0.1kN/s的速度加载轴压至5 kN，待其压力稳定后，交替加载轴压、围压至预设压力值。向三轴室内通人高纯23不同瓦斯压力对构造煤煤体渗流性能的影响第3 期转换阀流量控制阀压力感应阀压力计高温高压电磁阀CH图1WYS-800微机控制电液伺服三轴加载瓦斯渗流试验装置结构甲烷气体（浓度99.9%），待煤样充分吸附解吸达到平衡状态后，重复排除几次气路系统中的空气后打开出口流量开关以及流量计，待瓦斯流量稳定后，记录瓦斯流量、轴向、径向变形量，关闭出口流量开关。对其余各组煤样重复步骤完成剩余所有试验加载单元。试验围压变化范围为3 MPa，瓦斯压力变化范围为0.5 1.4 MPa，每组试验时间在4 8 h以上。实验方案如下，固定围压为3 MPa，围压加载速率为0.0 1MPa/s，选择不同瓦斯压力（0.3 MPa、0.7MPa、1.1MP a、1.5 MP a）下的加轴压直至煤体破坏，恒定轴压加载速率为0.0 5 kN/s。2实验结果分析为了研究不同瓦斯压力下煤体渗透率变化特性，在固定围压和瓦斯压力后进行轴压加载直至破3030斤0.500.5025250.450.2520200.4015150.200.3510100.300.1550.255010.2000.102345672345应变/%应变/%(a)瓦斯压力0.3 MPa(b)瓦斯压力0.7 MPa25300.200.20252020/150.150.15长15101050.1050.10002345234应变/%应变/%(c)瓦斯压力1.1MPa(d)瓦斯压力1.5 MPa图2不同瓦斯压力下偏应力应变渗透率24第3 期中国煤层气碎，然后围压不变，改变瓦斯压力进行同样的试验，分别测渗透率，作出不同瓦斯压力下偏应力一应变渗透率曲线如图2 所示。由图2 可以看出，在4 个瓦斯压力梯度下煤体渗透率随偏应力应变曲线有着相同的规律，即在弹性阶段，煤体内部孔隙裂隙随着轴向应力的加载被压密，煤体渗透率逐渐降低，在接近屈服阶段时，煤体被最大限度的压密，此时渗透率降到最低，随着进入屈服阶段，煤体内部产生大的变形破坏，煤体内部产生的新的裂隙成为瓦斯渗流的主要通道，煤体渗透率增加，达到峰值后煤体破坏，渗透率增加迅速，但不能完全恢复初始渗透率，这是由于型煤在制备过程中就已经压密，在煤体破坏后还有着较为密实的结构，未形成贯穿整个煤体的主要裂纹。煤样体积应变渗透率曲线如图3 所示。0.500.250.450.400.20QU/Y0.350.300.150.250.200.10J-6-5-4-3-2-10123-4-3-2-10123体积应变/%体积应变/%(a)瓦斯压力0.3 MPa(b)瓦斯压力0.7 MPa0.200.15/Y0.15U/0.100.10-3-2-10126-5-4-3-2-1012体积应变/%体积应变/%(c)瓦斯压力1.1MPa(d)瓦斯压力1.5 MPa图3煤体渗透率与体积应变关系由图3 可以看出，煤体在加载过程中的渗透率变化与煤体体积应变密切相关，在初始压密阶段至弹性阶段，煤体主要以体积压缩为主，煤体内部孔隙裂隙被压密，渗透率一直在降低，在屈服阶段后，径向变形增大，煤体扩容，开始体积膨胀，体积应变负向发展并不断增大，形成新的裂隙孔隙，从而导致煤体渗透率随着体积应变的负向增大而增大。在轴压围压加载完成后的煤样渗透率随瓦斯压力变化如图4 所示表1不同轴压下渗透率随瓦斯压力拟合结果轴压/MPa拟合公式R26k=0.674e=2.46p+0.14150.9987510k=0.645e-2.61p+0.11270.9999从图4 可以看出，在固定轴压围压时，随着瓦责任编辑黄岚）25不同瓦斯压力对构造煤煤体渗流性能的影响第3 期0.5轴压6 MPa轴压10 MPa0.4qu/Y0.330.20.10.20.40.60.81.01.21.41.6瓦斯压力/MPa图4轴压6 MPa及10 MPa时渗透率随瓦斯压力变化斯压力的增加，煤体渗透率呈现逐步减小的情况，瓦斯压力从0.3 MPa增加到1.5 MPa，在轴压为6MPa下渗透率降低6 7.3 2%，降低明显。渗透率降低随着瓦斯压力的增大，渗透率变化受瓦斯压力的影响逐渐减弱，这是由于瓦斯气体分子在煤基质体表面产生滑溜现象，随着瓦斯压力的增大，煤体吸附的瓦斯分子增多，大量集聚的瓦斯分子堵塞了瓦斯运移通道，而煤体此时又处于压密阶段，因此在此阶段随着瓦斯压力的增加煤体渗透率减小。研究发现煤体渗透率随着瓦斯压力的增大存在Klinkenberg拐点，这是由于随着瓦斯压力的继续增大，气体分子间作用力增大，吸附瓦斯进一步增多，从而降低了煤体颗粒之间的粘结作用，并且较大的瓦斯压力可以起到减小轴向和侧向压密的作用，反而有利于煤体内部孔隙的增多，进而渗透率表现出增大的趋势，而本文实验范围内未见这个拐点。对图4 的函数曲线进行拟合，发现渗透率随着瓦斯压力的增大符合k=ae-bp+y。负指数函数关系（表1），其中y。与煤体结构性质相关，表明煤体的一种初始渗透状态，a、b 为2 个拟合系数，表征煤体受应力及瓦斯压力变化特征。3结论（1）煤体渗透率应力应变曲线表明，在弹性阶段，煤体渗透率逐渐降低；在接近屈服阶段时，煤体被最大限度的压密，渗透率降到最低；进人屈服阶段，煤体内部产生大的变形破坏，新的裂隙成为瓦斯渗流的主要通道，煤体渗透率增加，达到峰值后煤体破坏，渗透率增加迅速，但不能完全恢复初始渗透率。（2）煤体渗透率体积应关系表明，煤体在加载过程中的渗透率变化与煤体体积应变密切相关，在初始压密阶段至弹性阶段，煤体主要以体积压缩为主，渗透率一直在降低；在屈服阶段后，径向变形增大，煤体扩容，形成新的裂隙孔隙，从而导致煤体渗透率随着体积应变的负向增大而增大。（3）不同瓦斯压力下煤体的渗透率与体积应变密切相关，渗透率转折点出现在体积应变零点左右。随着瓦斯压力的增加，煤体渗透率呈现负指数函数减小的情况，试验范围内渗透率降低达67.32%，但渗透率变化受瓦斯压力的影响程度逐渐减弱。（4）通过不同轴压下渗透率随瓦斯压力拟合发现，渗透率随着瓦斯压力的增大符合负指数函数关系。参考文献1涂敏，付宝杰低渗透性煤层卸压瓦斯抽采机理研究J采矿与安全工程学报，2 0 0 9，2 6（4）：433.4362金洪伟，马硕，徐刚，等基于量纲分析讨论煤与瓦斯突出的影响因素【J矿业安全与环保，2023,50(1):109-1143张朝鹏，高明忠，张泽天，等。不同瓦斯压力原煤全应力应变过程中渗透特性研究J煤炭学报，2015,40(4):836-842.4刘星光，高峰，张志镇，等含瓦斯煤破裂过程声发射时空演化规律【J科技导报，2 0 13，3 1(15):35-385李祥春，张良，赵艺良常规三轴压力下含瓦斯煤蠕变渗流演化规律J.工程科学与技术，2018,50(4):55-62.6Ferian Anggara,Kyuro Sasakir,Sandra Rodrigues,etal.The effectof megascopic texture on swelling of a lowrank coal in supercritical carbon dioxide J.Interna-tional Jourmal of Coal Gealogy,2014,105:145-56.7王登科，魏建平，付启超，等基于Klinkenberg效应影响的煤体瓦斯渗流规律及其渗透率计算方法J煤炭学报，2 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