煤層頂板滲透性對(duì)氣化適應(yīng)性研究

趙亞軍　楊坤　王建華

摘 要：煤炭地下氣化要求煤層頂板具有一定的隔水隔氣效果，以避免氣化爐在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的淹水或漏氣事故。為了某礦煤層K2石灰?guī)r頂板的滲透性，對(duì)該巖層的巖石試件做伺服滲透研究試驗(yàn)，得到巖石的滲透率—應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，解析全應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程中巖石滲透性隨變形的變化特征。結(jié)果表明，K2石灰?guī)r頂板為隔水巖層，該煤層進(jìn)行氣化開采十分有利。

關(guān)鍵詞：煤炭地下氣化 石灰?guī)r頂板 滲透性 全應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程

中圖分類號(hào)：TU452；TD841 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）005-043-02

1 前言

晉城礦區(qū)接近三分之一的煤炭資源儲(chǔ)量為高硫煤資源，儲(chǔ)量大、分布廣。由于國(guó)家嚴(yán)禁脫硫措施達(dá)不到國(guó)家環(huán)保法規(guī)要求的各類高硫煤礦項(xiàng)目（含硫大于3%）上馬，禁止對(duì)高硫煤層的開采，因此，晉城礦區(qū)15號(hào)煤層高硫煤如采用傳統(tǒng)開采、加工技術(shù)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作。為了解決開采這部分高硫無(wú)煙煤資源、提高資源回收利用率和解決衰老礦井的生存發(fā)展問(wèn)題，并進(jìn)一步提高煤炭資源利用率及其附加值，提出了采用地下氣化技術(shù)開采鳳凰山礦15號(hào)煤層的課題。

煤炭地下氣化不僅對(duì)頂板強(qiáng)度有一定的要求，而且要求煤層頂板具有一定的隔水隔氣效果，避免氣化爐在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生淹水或漏氣事故。巖石的滲透性是巖石在一定水力梯度作用下，水穿透巖石的能力，常以滲透系數(shù)來(lái)度量。因此，測(cè)試氣化煤層頂板的滲透性，掌握其隔水隔氣的能力，對(duì)煤炭地下氣化過(guò)程具有實(shí)際的意義。

2 全 應(yīng)力的應(yīng)變滲透試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

系統(tǒng)配備圍壓（≤45 MPa）、軸壓（≤1700 kN）和孔隙水壓（≤45 MPa）等3套獨(dú)立閉環(huán)，適用水滲透試驗(yàn)、孔隙水壓試驗(yàn)、假三軸（壓縮）試驗(yàn)、真三軸試驗(yàn)和單軸（壓縮）試驗(yàn)等5項(xiàng)基本功能。水滲透試驗(yàn)和裝置如圖1所示與孔隙水壓試。試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)作品制做成高60～80 mm、直徑50 mm、基礎(chǔ)的試件。該試驗(yàn)的設(shè)備為巖石力學(xué)電液伺服試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)產(chǎn)8115-02型）。

2.2 試樣及試驗(yàn)條件

2.2.1 試樣

2.2.2 試驗(yàn)條件

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 結(jié)果分析

由2塊巖樣試驗(yàn)的全應(yīng)力—應(yīng)變滲透率曲線可得，石灰?guī)r致密度堅(jiān)硬，高達(dá)150～170 MPa，因于試驗(yàn)樣品的空隙以滲透性差的微孔隙為主，整塊的巖塊滲透性很差。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，對(duì)于同一種巖樣而言，不同個(gè)體的滲透率（或滲透系數(shù)）存在一定差異，且隨著壓力的增加，其滲透率的變化趨勢(shì)也有所不同。巖樣K2-1內(nèi)發(fā)育有一定的縫合線或者微裂隙，還有始滲透率，壓力加大，裂隙被壓實(shí)，滲透率曲線先下降后上升，在峰值應(yīng)力后才會(huì)出現(xiàn)峰值滲透率，即巖樣破壞后滲透率出現(xiàn)短暫的下降后又大幅上升直至峰值滲透率，主要是由于巖樣破壞后形成了大量的宏觀裂隙使其滲透率急劇上升。巖樣K2-2則不同，該巖樣幾乎無(wú)初始滲透率，追著壓力的增加，其滲透率整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，且峰值滲透率出現(xiàn)在峰值應(yīng)力前。

3 結(jié)論

煤層頂板至上含水層的隔水隔氣能力是影響煤層氣化開采穩(wěn)定和安全的重要因素，通過(guò)鳳凰山礦15號(hào)煤層頂板石灰?guī)r的滲透試驗(yàn)，得出了應(yīng)力的應(yīng)變的關(guān)系曲線，實(shí)驗(yàn)得出石灰?guī)r的滲透率與其應(yīng)力狀態(tài)（或應(yīng)變）關(guān)系密切，試驗(yàn)還可得出，試樣的全應(yīng)力—應(yīng)變滲透率曲線在各個(gè)階段測(cè)得的滲透率或經(jīng)換算后的滲透系統(tǒng)數(shù)值均很小，表明該石灰?guī)r屬隔水性巖石，因此，15號(hào)煤層K2石灰?guī)r頂板可是為隔水層，對(duì)氣化開采鳳凰山礦15號(hào)煤層十分有利。

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