煤樣滲透性及滲流穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究

邵 杰，李金平，盧小海

（1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；2.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.重慶市頁(yè)巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心，重慶 400042）

煤樣滲透性及滲流穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究

邵 杰1，2，3，李金平1，2，3，盧小海1，2，3

（1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；2.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.重慶市頁(yè)巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心，重慶 400042）

煤樣的滲透試驗(yàn)是獲取煤層滲透特性對(duì)的重要手段。本文利用瞬態(tài)法對(duì)礦區(qū)的幾塊煤樣進(jìn)行滲透性測(cè)試，旨在對(duì)煤層的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步研究和探討，并對(duì)煤樣的加速度系數(shù)和滲流穩(wěn)定性 指數(shù)進(jìn)行研究，一邊為礦區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展和開(kāi)發(fā)提供更好的理論依據(jù)。

煤樣；滲透性；穩(wěn)定性

研究指出，煤樣的滲透特性與煤層的滲透特性之間有著很大的區(qū)別，且由于煤的承載力較差滲透試驗(yàn)難以順利開(kāi)展，這對(duì)礦區(qū)的開(kāi)發(fā)利用有著很大的限制作用。

有報(bào)道指出，煤塊的變形能夠在很大程度上對(duì)煤塊的空間縫隙造成改變，這就進(jìn)一步導(dǎo)致了煤塊的滲透性隨之改變。在煤樣的應(yīng)力變化過(guò)程中，由于煤內(nèi)部不斷產(chǎn)生的 裂隙及其進(jìn)一步變化和發(fā)展，其滲透性會(huì)時(shí)刻隨之而發(fā)生變化。然而在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中的滲透性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受到檢測(cè)設(shè)備壓力因素的影響，煤塊之間的縫隙有不同程度的聚合現(xiàn)象，這就導(dǎo)致試驗(yàn)的結(jié)果不準(zhǔn)確。雖然近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)室在檢測(cè)煤樣的滲透性方面已經(jīng)形成了一套非常完善的技術(shù)，但在后續(xù)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中工作人員往往忽視了Darcy流引發(fā)的滲透失去穩(wěn)定性。

煤的滲透性指的就是煤作為多空介質(zhì)的一種固有屬性，這種特性與試驗(yàn)用的設(shè)備和相關(guān)材質(zhì)并無(wú)關(guān)聯(lián)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)的開(kāi)展往往受到滲透率離散現(xiàn)象 的影響，因而其得到的數(shù)據(jù)往往不同，難以達(dá)到一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，我們就滲流的穩(wěn)定性指數(shù)來(lái)對(duì)滲流穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 滲流穩(wěn)定性指數(shù)的計(jì)算與判定

據(jù)相關(guān)研究報(bào)道指出，我們假定巖層的厚度為l，那么其滲流失去穩(wěn)定性必須要滿(mǎn)足一下數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)公式：即χ = 1 +4 βk2ρ0p0/μ2l ＜ 0，在此公式之中χ反映滲流狀態(tài)的參量；β指的是非 Darcy 流 β 因子，m-1；k表示的是巖層滲透率，m2；ρ0表示的是滲流介質(zhì)對(duì)應(yīng)于壓力的質(zhì)量密度，kg / m3；p0指的是巖層上下底面的壓力差，Pa；μ指的是流體的動(dòng)力黏度，Pa·s。當(dāng) χ ＞ 0 時(shí)，表示滲流是非常穩(wěn)定的，特別是當(dāng)χ 大于等于1 時(shí)，滲流的速度非常大，甚至近似 Darcy 流動(dòng)；而當(dāng) χ ＜0 時(shí)，滲流將會(huì)失去穩(wěn)定性。 故此，我們將 χ 定義為滲流穩(wěn)定性指數(shù)。上述公式也同時(shí)表明，滲流穩(wěn)定性的指數(shù)是隨著不同的壓力梯度（即：p0/l）的變化而不斷發(fā)生變化的。

2 試驗(yàn)的研究過(guò)程及結(jié)果分析

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定壓力梯度（即：p0/l）為15MPa/m進(jìn)行研究，采用瞬態(tài)滲透法對(duì)煤樣Darcy流的滲透性質(zhì)進(jìn)行探討。

研究數(shù)據(jù)表明，所有參與研究的煤樣的滲透性質(zhì)并不是單純的隨著應(yīng)變量的變化而發(fā)生變化，數(shù)學(xué)公式及相應(yīng)的處理方法也很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確有效的分析。但有一點(diǎn)是非常明確的，那就是非 Darcy 流 β因子和加速度系數(shù)趨勢(shì)相同， 滲透率與滲流穩(wěn)定性指數(shù)的變化趨勢(shì)近似相同。這就說(shuō)明工作人員只需要根據(jù)樣本的滲透性即可判定出其滲流是否失去穩(wěn)定性，此外，滲流失穩(wěn)還與樣本的承載力有著很大的關(guān)系，若承載力足夠大的話(huà)是不可能發(fā)生滲流失穩(wěn)現(xiàn)象的。

3 煤樣滲流的穩(wěn)定性探討

研究表明，若要滲流系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，那么其必須要滿(mǎn)足數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)過(guò)程中Darcy流中的β 因子的計(jì)算結(jié)果為負(fù)數(shù)。我們本次研究的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，雖然出現(xiàn)了負(fù)數(shù)，但這也是僅僅表明在我們的試驗(yàn)設(shè)定條件之下，即壓力梯度（即：p0/l）為15MPa/m，壓力梯度大于這個(gè)數(shù)值的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)狀況。研究還同時(shí)指出，煤樣在研究過(guò)程中所處的液體環(huán)境以及煤層實(shí)際出現(xiàn)的裂隙情況都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大的影響。

比如說(shuō)，根據(jù)上述研究結(jié)論；在實(shí)際的煤層分布區(qū)域中，有的區(qū)域就可能會(huì)存在裂隙較為密集的現(xiàn)象，其程度甚至達(dá)到破壞煤層固有結(jié)構(gòu)的地步，在這種情況之下，煤層的滲透性質(zhì)與樣本的測(cè)量結(jié)果可能會(huì)存在非常大的差異，即便是外界很小的壓力也會(huì)影響其穩(wěn)定性，當(dāng)然，這是人力所無(wú)法預(yù)知和控制的。

通過(guò)上述的研究和探討，我們得出以下的結(jié)論供今后的實(shí)際生產(chǎn)作為依據(jù)：首先，在煤樣的試驗(yàn)破壞過(guò)程中，其滲透性會(huì)隨著應(yīng)變量的不斷增大而發(fā)生一定程度的變化，與此同時(shí)非Darcy流β 因子與加速度的變化趨勢(shì)大概一致，滲透率也與滲流穩(wěn)定性指數(shù)的變化密切相關(guān)；其次，圍壓對(duì)煤樣的滲透性有著很大程度的影響，但這與試驗(yàn)的條件有著很大的關(guān)聯(lián)，因?yàn)閲鷫盒〉脑?huà)本次試驗(yàn)將無(wú)法順利開(kāi)展，但若圍壓太大導(dǎo)致樣本變形，那么就無(wú)法對(duì)其密封，同樣影響試驗(yàn)進(jìn)程，本次研究結(jié)果證實(shí)在圍壓控制在4MPa的時(shí)候，煤樣的滲透性不會(huì)有大幅度的變化；再者，在圍壓控制在4MPa的時(shí)候以及在密封的要求下，煤樣滲透試驗(yàn)中非 Darcy 流 β 因子、加速度系數(shù)出現(xiàn)負(fù)數(shù)的可能性非常低，這就預(yù)示著滲流穩(wěn)定性指數(shù)出現(xiàn)負(fù)值的概率也會(huì)隨之變?。蛔詈?，試驗(yàn)研究有著其自身的局限性，如若煤樣的滲透特性與煤層的滲透特性存在較大程度的差異，那么檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有待于進(jìn)一步考量，正如上文所說(shuō)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)的煤樣沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)并不等同于煤層 就不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，其具體效果還有待于進(jìn)一步檢測(cè)。

［1］胡耀青，趙陽(yáng)升，魏錦平.三維應(yīng)力作用下煤體瓦斯?jié)B透規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究［J］.西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，16（04）：308-311.

［2］繆協(xié)興，劉衛(wèi)群，陳占清.采動(dòng)巖體滲流理論［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［3］孫明貴，黃先伍，李天珍等.石灰?guī)r應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程的非Darcy流滲透特性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（03）：484-491.

［4］中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部.巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程DY-94 ［S］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［5］趙繼濤，梁冰，孫維吉.低滲儲(chǔ)層中氣體非達(dá)西滲流機(jī)理［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（S2）：92-94.

［6］馬光弟，趙陽(yáng)升，段康廉等.煤體滲透性及其應(yīng)用的研究［J］.山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，16（03）：5-11.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.070