煤滲透特性及其氣體壓力敏感性試驗(yàn)研究

李波波，邵國(guó)君，楊 康，袁 梅(.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特山區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；.國(guó)家電力投資集團(tuán)公司貴州遵義產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，貴州 遵義 563000)

礦業(yè)縱橫

煤滲透特性及其氣體壓力敏感性試驗(yàn)研究

李波波1，2，3，邵國(guó)君4，楊 康1，袁 梅1，2，3
(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特山區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；4.國(guó)家電力投資集團(tuán)公司貴州遵義產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，貴州 遵義 563000)

為探索煤中孔隙流體壓力的變化導(dǎo)致滲透率的改變，引發(fā)煤滲透率壓力敏感性現(xiàn)象，利用自主研發(fā)的出口端壓力可調(diào)的三軸滲流裝置，對(duì)貴州3個(gè)礦區(qū)的煤開(kāi)展不同吸附性氣體與不同氣體壓力下煤的敏感性試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：在較低氣壓范圍內(nèi)(0～0.6 MPa)，隨氣體壓力的增加，煤滲透率下降明顯，當(dāng)氣體壓力繼續(xù)上升煤的吸附作用逐漸趨于平衡，煤體骨架的吸附膨脹變形也越來(lái)越小，滲透率的下降速率逐漸減少并趨于平緩。在氣體壓力小于1.0 MPa時(shí)，煤滲透率損害率Dp變化較大，且隨氣體壓力增加快速增大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓力敏感性。不同吸附性氣體條件下，氣體壓力指數(shù)關(guān)系敏感系數(shù)Cp均隨氣體壓力的增加而逐漸減小，煤滲透率對(duì)氣體壓力的敏感性降低。對(duì)于同一煤，在相同的條件下，CH4的氣體壓力乘冪關(guān)系敏感系數(shù)Sp的值最小，煤對(duì)氣壓的敏感性越差。乘冪關(guān)系的氣體壓力敏感系數(shù)Sp與滲透率損害率Dp有很好的線(xiàn)性相關(guān)性。

煤；有效應(yīng)力；氣體壓力；滲透率；敏感系數(shù)

煤層氣開(kāi)發(fā)及煤層瓦斯抽采等多種礦物氣體的開(kāi)采對(duì)人類(lèi)生存和安全越來(lái)越重要，而氣體在煤體孔隙和裂隙中的滲透系數(shù)則是工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行的重要參數(shù)。氣體可壓縮性和礦物氣體較強(qiáng)的吸附作用，對(duì)氣體滲透特性產(chǎn)生很大的影響。因此，對(duì)孔隙裂隙介質(zhì)的煤滲透特性及氣體壓力敏感性的研究具有重要的工程指導(dǎo)意義。

煤滲透特性受到孔隙特征、應(yīng)力和孔隙壓力等方面的影響。Nie等[1]通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描試驗(yàn)系統(tǒng)分析了原煤裂隙發(fā)育，得到煤的密度隨應(yīng)力的增加而增大。Li等[2]得出了低階煤樣孔隙結(jié)構(gòu)具有多孔性且微孔和中孔比例最大。Liu等[3]采用SEM和低壓氮?dú)馕?，分析了CH4對(duì)煤樣吸附能力的影響。Ouyang等[4]利用核磁共振方法和分形的方法得出了煤化對(duì)孔裂隙特性的影響。Durucan.S等[5]給出了煤滲透率與應(yīng)力之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。趙陽(yáng)升等[6]得出吸附作用表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨孔隙壓呈負(fù)冪函數(shù)規(guī)律變化。曹樹(shù)剛等[7]得出孔隙壓力與滲透率之間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。王登科等[8]得出含瓦斯煤滲透率與軸向壓力、圍壓和瓦斯壓力均呈指數(shù)關(guān)系變化。

在滲透率對(duì)應(yīng)力敏感性方面，Jones.F.O等[9]在提出了一種應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)指標(biāo)。蘭林等[10]通過(guò)對(duì)大量巖心試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，運(yùn)用該指標(biāo)評(píng)價(jià)其儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性。張琰等[11]對(duì)低滲氣藏的應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，用滲透率損害率來(lái)評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感影響。黃遠(yuǎn)智等[12]通過(guò)定義有效應(yīng)力敏感系數(shù)，并推導(dǎo)出滲透率與有效應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系。羅瑞蘭等[13]得出應(yīng)力敏感系數(shù)與初始滲透率的關(guān)系式。孟召平等[14]通過(guò)煤的應(yīng)力敏感性試驗(yàn)，分析了煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性及有效圍壓、煤中裂隙和含水情況等對(duì)煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的影響。

氣體壓力對(duì)煤滲透特性的影響，目前已取得一定成果和認(rèn)識(shí)，但煤的氣體壓力敏感性試驗(yàn)以往儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法都難以滿(mǎn)足當(dāng)前高精度煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的要求。因此，從煤儲(chǔ)層特征出發(fā)，結(jié)合煤礦工程實(shí)際，開(kāi)展氣體壓力敏感性試驗(yàn)，同時(shí)改進(jìn)以往的氣體壓力敏感系數(shù)評(píng)價(jià)方法，揭示煤滲透性的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及合理的敏感性評(píng)價(jià)，為提高礦井瓦斯抽采和礦山安全等基礎(chǔ)研究提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣的制備與物性

試驗(yàn)用煤分別取自貴州六枝礦區(qū)四角田煤礦7#煤層、水城礦區(qū)木沖溝煤礦8#煤層及盤(pán)江礦區(qū)松河煤礦3#煤層。將取回的煤樣先在粉碎機(jī)上粉碎并篩選出60～80目的粉煤，再將粉煤與一定量的純凈水混合后在2 000 kN材料試驗(yàn)機(jī)上以100 MPa的壓力壓制成Φ50 mm×100 mm的型煤試件，并將制作好的試件烘干后置于干燥皿內(nèi)備用。

圖1為原煤煤樣放大2 000倍的SEM圖像。對(duì)孔裂隙特征進(jìn)行分析，四角田7#煤層存在數(shù)條裂隙，其寬度大于1 μm且長(zhǎng)度不均，木沖溝8#煤層存在一條裂隙，其寬度約為1.10 μm；松河3#煤層無(wú)孔隙，存在一條裂隙，平均寬度約為1.017 3 μm?？芍琢严栋l(fā)育程度為四角田7#煤層最發(fā)育，木沖溝8#煤層次之，松河3#煤層最不發(fā)育。

圖1 原煤煤樣SEM圖(2000×)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用裝置為自主研發(fā)的、出口端正壓的三軸滲流裝置[15]。該裝置主要由試件夾具、高壓油泵、壓力表、流量計(jì)、恒溫水浴、出口壓力調(diào)節(jié)器等部分組成。

1.3 試驗(yàn)方案

為探討氣體壓力對(duì)煤滲透率的影響，同時(shí)排除應(yīng)力的干擾，進(jìn)行恒定有效應(yīng)力下改變氣體壓力的滲流試驗(yàn)。本文所指的有效應(yīng)力為平均有效應(yīng)力[15]，其表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：σe為有效應(yīng)力；σ1為軸壓；σ3為圍壓；P1為試件進(jìn)口氣體壓力；P2試件出口氣體壓力。

設(shè)定有效應(yīng)力為2.0 MPa，在試驗(yàn)過(guò)程中在每個(gè)氣體壓力點(diǎn)達(dá)到吸附平衡后測(cè)量其流量值。氣體壓力均保持在較低范圍，進(jìn)口端氣體壓力分別控制為0.2 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.4 MPa和1.8 MPa。同時(shí)考慮不同吸附性氣體CH4、CO2和He對(duì)其規(guī)律的影響，并采用3個(gè)典型礦區(qū)煤進(jìn)行試驗(yàn)(表1)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為不同吸附性氣體的煤滲透率與氣體壓力的關(guān)系曲線(xiàn)，從圖中可以得到以下信息。

1) 對(duì)于同一氣體，在較低氣壓范圍內(nèi)(0～0.6 MPa)，隨進(jìn)口端氣體壓力的增加，煤滲透率先下降明顯，煤的吸附作用逐漸趨于平衡，煤體骨架的吸附膨脹變形也越來(lái)越小，因此滲透率的下降速率逐漸減少，并趨于平緩。當(dāng)氣體壓力小于0.6 MPa時(shí)，煤滲透率隨氣體壓力增加的變化相對(duì)較大，而當(dāng)氣體壓力大于0.6 MPa時(shí)，煤滲透率的變化將趨于平緩。He無(wú)吸附性，其滲透率降低主要受壓力的增大所致。CO2和CH4滲透率降低，由于低壓條件下當(dāng)試驗(yàn)開(kāi)始體積應(yīng)力增大使煤體被壓縮，顆粒直接越來(lái)越緊密，孔隙變小，滲透率劇降。隨氣體壓力的增加，煤吸附氣體量將增大，孔隙、裂隙表面的厚度增加，使?jié)B透通道減小，氣體分子之間的傳遞阻力增加[16]。在氣壓較低和有效應(yīng)力恒定時(shí)，煤吸附瓦斯向內(nèi)部產(chǎn)生膨脹變形，擠壓煤中的孔隙裂隙，進(jìn)而使?jié)B流通道減少，滲透率降低。同時(shí)瓦斯的吸附促進(jìn)煤表面能和吸附熱轉(zhuǎn)化為膨脹能，加劇了膨脹變形，孔裂隙變窄，煤孔隙率減小，導(dǎo)致滲透率降低。此時(shí)吸附性占支配地位，故滲透率呈現(xiàn)隨氣體壓力減小的規(guī)律。

表1 不同氣體壓力條件下的試驗(yàn)方案

圖2 不同吸附性氣體煤滲透率隨氣體壓力的變化關(guān)系

2) 對(duì)于同一礦區(qū)的煤，在相同的條件下，吸附性越強(qiáng)的氣體，其滲透率越低。這是由于煤的滲透性與煤的孔隙、裂隙有關(guān)，一般情況下煤中微孔和超微孔隙構(gòu)成了煤的吸附容積。吸附性越強(qiáng)的氣體，則越容易侵入煤體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，減小了煤的表面張力，使得骨架越大，滲流通道越小，滲透性越差。當(dāng)煤體在有效應(yīng)力恒定，微孔隙或微裂隙在吸附氣體后所產(chǎn)生的變形向內(nèi)發(fā)展，從而影響中孔和大孔及裂隙的容積，使?jié)B透容積減小。試驗(yàn)所用的三種氣體中CO2吸附性最強(qiáng)，CH4次之，He沒(méi)有吸附性。因此煤吸附CO2產(chǎn)生膨脹變形比CH4大，進(jìn)而使煤滲流通道減小程度最大，滲透率最低，由于煤對(duì)He沒(méi)有吸附作用，所以其滲透率最大。

3) 在相同試驗(yàn)條件下，不同礦區(qū)的煤對(duì)CH4、CO2和He的滲透率存在差異，其中四角田7#煤層的滲透率最大，木沖溝8#煤層次之，松河3#煤層最小。煤體滲透性取決于煤孔隙裂隙發(fā)育程度，即固體骨架的性態(tài)，其次取決于流體的性質(zhì)。依據(jù)許江等[15]對(duì)該礦區(qū)前期研究，四角田7#煤層變質(zhì)程度最高且內(nèi)部孔隙最發(fā)育，木沖溝8#煤層次之，松河3#煤層變質(zhì)程度最小且內(nèi)部孔隙最不發(fā)育，可知松河3#煤層吸附性越小，滲透率最低。

3 氣體壓力敏感性

3.1 滲透率損害率

滲透率損害率反映在氣體壓力作用下煤的滲透率損害的百分?jǐn)?shù)，按式(2)計(jì)算壓力敏感性引起的滲透性損害Dp。

(2)

式中：Dp為氣體壓力為iMPa時(shí)的滲透率損害率，10-3μm2；k0為初始?jí)毫c(diǎn)對(duì)應(yīng)的煤滲透率，10-3μm2；ki為各氣體壓力測(cè)點(diǎn)的煤滲透率，10-3μm2。

圖3為滲透率損害率與氣體壓力之間變化規(guī)律。隨著氣體壓力的增加，3種氣體試驗(yàn)煤滲透率損害率均隨氣體壓力的增大而增加。在氣體壓力小于1.0 MPa時(shí)，煤滲透率損害率變化較大，且隨氣體壓力增加快速增大。滲透率損害率增幅在氣體壓力為0.6 MPa時(shí)達(dá)到最大。四角田7#煤層煤在0.6 MPa下，CO2、CH4、He滲透率損害率分別為67.22%、58.76%、64.24%。在氣體壓力大于1.0 MPa時(shí)，其變化減小，隨氣體壓力增加，滲透率損害率增長(zhǎng)速度減緩，壓力敏感性減弱。這可能是由于有效圍壓增大使煤收縮變形量增大，孔隙裂隙被擠壓閉合的結(jié)果。

圖3 煤滲透率損害率與氣體壓力的關(guān)系

3.2 指數(shù)關(guān)系的氣體壓力敏感性

為定量探討隨著煤滲透率對(duì)氣體壓力的響應(yīng)程度，考慮將其影響因素進(jìn)行歸一化處理[12]，通過(guò)定義滲透率對(duì)氣體壓力的指數(shù)關(guān)系敏感系數(shù)Cp，即指在恒定有效應(yīng)力下，每升高1.0 MPa的氣體壓力所引起的煤滲透率的相對(duì)變化量，計(jì)算見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：Cp為氣體壓力指數(shù)關(guān)系敏感系數(shù)，MPa-1；?k為煤的滲透率變化量，10-3μm2；?p為氣體壓力變化量，MPa。Cp能夠反映煤滲透率隨氣體壓力的變化趨勢(shì)。Cp值越大，表明煤滲透率隨著氣體壓力的變化就越敏感，在氣體壓力相同變化幅度下，煤滲透率變化值越大。

為確定煤的氣體壓力敏感系數(shù)，首先需要對(duì)滲透率-氣體壓力曲線(xiàn)進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，然后，將擬合結(jié)果代入式(2)，即可得到Cp與氣體壓力p之間的函數(shù)關(guān)系(式(4))。圖3顯示出不同吸附性氣體的氣體壓力敏感系數(shù)隨氣體壓力的變化服從冪函數(shù)關(guān)系。

Cp=mp-n

(4)

式中，m和n均為擬合系數(shù)。

表2為不同氣體條件下的擬合參數(shù)m和n，圖4為根據(jù)式(3)擬合結(jié)果繪制的不同吸附性氣體的氣體壓力指數(shù)關(guān)系敏感性系數(shù)隨氣體壓力的變化曲線(xiàn)。由圖4可知：不同吸附性氣體試驗(yàn)條件下，氣體壓力指數(shù)關(guān)系敏感系數(shù)均隨氣體壓力的增加而逐漸降低，即氣壓越高，煤滲透率對(duì)氣體壓力的敏感性越差。究其原因，氣體壓力增加，煤吸附氣體量增加，由于保持有效應(yīng)力恒定，由煤基質(zhì)吸附膨脹變形明顯到吸附產(chǎn)生的膨脹變形越趨于穩(wěn)定，煤中孔隙裂隙閉合速度由快到慢，煤吸附氣體累計(jì)量將增加，其孔隙、裂隙表面的厚度增加量減少，占據(jù)的孔道面積亦越大，從而使構(gòu)成滲透的孔截面減小，而在氣體壓力較小時(shí)，氣體壓力增加導(dǎo)致孔隙的擴(kuò)張要小于吸附氣體增加而導(dǎo)致的滲透孔隙的減小，因而在這一過(guò)程中滲透率變化量較大，氣體壓力的敏感性較強(qiáng)，隨著氣體壓力進(jìn)一步升高，煤基質(zhì)膨脹變形越趨于穩(wěn)定，在相同氣壓變化幅度下，滲透率的變化量減小，即滲透率對(duì)氣體壓力的敏感性減小。

表2 Cp-p函數(shù)的擬合系數(shù)m、n取值

在相同試驗(yàn)條件下，四角田7#煤層煤對(duì)3種氣體的氣體壓力敏感系數(shù)值最小。滲透率存在差異，規(guī)律性較明顯。其中四角田7#煤層的滲透率最大，木沖溝8#煤層次之，松河3#煤層最小。

圖4 氣體壓力敏感系數(shù)隨氣體壓力的變化關(guān)系

根據(jù)式(2)，可推導(dǎo)出氣體壓力從p0變化至p時(shí)的煤滲透率，見(jiàn)式(5)。

(5)

再將式(3)代入式(4)，得式(6)。

(6)

可見(jiàn)，若已知?dú)怏w壓力及其相應(yīng)的擬合參數(shù)m和n，則可通過(guò)式(5)求得相應(yīng)氣體壓力條件下的煤滲透率。

3.3 乘冪關(guān)系的氣體壓力敏感性

滲透率隨氣體壓力的增加，在較小氣壓下降低較快，并隨著氣體壓力的增加滲透率降低逐漸減緩，應(yīng)用乘冪關(guān)系可較好的擬合滲透率與氣體壓力關(guān)系，得到式(7)。

(7)

式中：p為氣體壓力，MPa；p0為初始?xì)怏w壓力，MPa；k0為當(dāng)氣體壓力為初始?xì)怏w壓力時(shí)的滲透率，10-3μm2；a、b為系數(shù)。當(dāng)p=p0時(shí)，有k=k0，由此可以得出式(6)中a的值為1，則式(6)變?yōu)槭?8)。

(8)

對(duì)式(8)兩邊取常用對(duì)數(shù)，得到式(9)。

(9)

把試驗(yàn)系數(shù)Sp定義為氣體壓力乘冪關(guān)系敏感系數(shù)，即式(10)。

(10)

每一個(gè)試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)一個(gè)b值，因此可以通過(guò)得到Sp值的大小來(lái)判斷試件的氣體壓力敏感程度。

圖5為繪制出的無(wú)因次滲透率與氣體壓力的關(guān)系，得到數(shù)學(xué)回歸式及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。對(duì)圖5、表3進(jìn)一步分析，可以得到以下結(jié)果。

1) 對(duì)于同一煤，在相同的條件下，CH4的氣壓乘冪關(guān)系敏感系數(shù)的值最小，煤對(duì)氣壓的敏感性越差，CO2的氣壓敏感系數(shù)的值最大。主要是由于加載過(guò)程中有效應(yīng)力恒定，氣體壓力增加會(huì)使煤孔隙結(jié)構(gòu)擴(kuò)張、瓦斯吸附量增加、孔隙吸附瓦斯層增厚，導(dǎo)致瓦斯?jié)B流孔道縮小。在此過(guò)程中有效應(yīng)力恒定和孔隙壓力增加共同作用導(dǎo)致煤孔隙擴(kuò)張的程度小于因氣體壓力增大使得煤層增厚而阻礙氣體滲流的程度，滲透率減少。即煤體在較小的有效應(yīng)力范圍內(nèi)、氣體壓力不斷增加的加載過(guò)程中，吸附作用是影響滲透率的主控因素[17]。由于CH4比CO2吸附性低，CO2滲透率降低變化量大于CH4滲透率降低變化量，而He滲透率降低量介意兩者之間。因此，在3種煤層中CH4的氣體敏感系數(shù)的值均為最小。

2) 氣體壓力乘冪關(guān)系敏感系數(shù)是由試驗(yàn)得到的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到，每一煤對(duì)應(yīng)一個(gè)敏感系數(shù)，該系數(shù)的大小就反映煤氣壓敏感性的強(qiáng)弱?？梢詮臄?shù)據(jù)看出不同煤樣試驗(yàn)的同種氣體敏感性。

將式(9)代入式(7)可以推導(dǎo)出任意初始滲透率與氣體壓力的關(guān)系式，見(jiàn)式(11)。

(11)

表3 滲透率與氣體壓力敏感系數(shù)表

圖5 無(wú)因次滲透率與氣體壓力的關(guān)系

3.4 氣體壓力敏感系數(shù)與滲透率損害率的關(guān)系

氣體壓力敏感系數(shù)和滲透率損害率都可用于評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層氣體壓力敏感程度，建立兩者之間的關(guān)聯(lián)有助于進(jìn)一步闡述壓力敏感性的評(píng)價(jià)問(wèn)題。

1)氣體壓力乘冪關(guān)系敏感系數(shù)Sp與滲透率損害率Dp有很好的線(xiàn)性相關(guān)性。滲透率損害率越大，敏感系數(shù)Sp越大。利用Sp和不同吸附性氣體的平均滲透率損害率，進(jìn)行線(xiàn)性回歸得到圖6，由圖6可以看出氣體壓力乘冪關(guān)系敏感系數(shù)Sp與滲透率損害率Dp有很好的線(xiàn)性相關(guān)性。

表4為擬合公式和相關(guān)系數(shù)，表明敏感系數(shù)Sp與各氣體壓力測(cè)點(diǎn)的滲透率損害率均有較強(qiáng)的相關(guān)性，反映出氣體壓力敏感系數(shù)表征了煤的整體氣體壓力敏感性強(qiáng)弱。選用的試驗(yàn)煤取自不同區(qū)塊和煤層，將它們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總擬合，在各氣體壓力測(cè)點(diǎn)都表現(xiàn)出滲透率損害率與敏感性系數(shù)強(qiáng)的線(xiàn)性相關(guān)性。因此，Sp就可作為不同區(qū)塊及煤層的氣體壓力敏感性強(qiáng)弱的對(duì)比依據(jù)。

圖6 氣體壓力敏感系數(shù)和滲透率損害率的線(xiàn)性關(guān)系

表4 敏感系數(shù)和滲透率損害率的相關(guān)關(guān)系

2) 不同形式擬合的Cp與Sp存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同氣體壓力試驗(yàn)下，運(yùn)用乘冪函數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)高。改進(jìn)后的敏感系數(shù)Sp定義方式的優(yōu)點(diǎn)使它具有唯一性，每個(gè)試件對(duì)應(yīng)一個(gè)敏感系數(shù)，敏感系數(shù)的大小不受試驗(yàn)中所測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)多少的影響。而Cp能體現(xiàn)氣體壓力增大過(guò)程中的敏感性，不同的氣體壓力測(cè)點(diǎn)就會(huì)得到不同的值，不具有統(tǒng)一性。

4 結(jié) 論

1) 在較低氣壓范圍內(nèi)，隨氣體壓力的增加，煤的CO2和CH4滲透率先下降明顯，煤的吸附作用逐漸趨于平衡，煤體骨架的吸附膨脹變形也越來(lái)越小，滲透率的下降速率逐漸減少，并趨于平緩。

2) 在氣體壓力小于1.0 MPa時(shí)，煤滲透率損害率變化較大，且隨氣體壓力增加快速增大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓力敏感性。不同吸附性氣體試驗(yàn)條件下，氣體壓力指數(shù)關(guān)系敏感系數(shù)Cp均隨氣體壓力增加而逐漸降低，即氣壓越高，煤滲透率對(duì)氣體壓力敏感性越差。四角田7#煤層煤對(duì)3種氣體的氣體壓力敏感系數(shù)值最小。滲透率存在差異，規(guī)律性較明顯。

3) 對(duì)于同一煤，在相同的條件下，CH4的氣體乘冪關(guān)系敏感系數(shù)Sp值最小，煤對(duì)氣壓的敏感性越差。推導(dǎo)出任意初始滲透率與氣體壓力的關(guān)系式。

4)氣體壓力乘冪關(guān)系敏感系數(shù)Sp與滲透率損害率Dp有很好的線(xiàn)性相關(guān)性。滲透率損害率越大，敏感系數(shù)Sp越大。但不同氣體壓力試驗(yàn)下，運(yùn)用乘冪函數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)高。敏感系數(shù)Sp定義方式的優(yōu)點(diǎn)是它具有唯一性，每個(gè)試件對(duì)應(yīng)一個(gè)敏感系數(shù)，敏感系數(shù)大小不受試驗(yàn)中所測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)多少的影響。

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Experimental research on the gas pressure sensitivity to the permeability of coal

LI Bobo1，2，3，SHAO Guojun4，YANG Kang1，YUAN Mei1，2，3

(1.College of Mining，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.The National Joint Engineering Laboratory for the Utilization of Dominant Mineral Resources in Karst Mountain Area，Guizhou University，Guiyang 550025，China；3.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources，Guiyang 550025，China；4.State Power Investment Corporation Guizhou Zunyi Industry Development Co.，Ltd.，Zunyi 563000，China)

In order to explore the gas pressure changes caused changes of permeability of coal，leading to the phenomenon of pressure sensitivity.Using the self-developed triaxial seepage equipment with an adjustable outlet pressure，the experimental study of permeability sensitivity of coal sample from 3 mines in Guizhou province under different gases and gas pressure was performed.The results are show that at the lower pressure range (0～0.6 MPa)，the permeability decreases significantly when gas pressure increases，the adsorption of coal tends to balance and the rate of descent reduced and leveled off with the rising of gas pressure.When the gas pressure is less than 1.0 MPa，the damage rate of permeabilityDphas a great change，and it increases rapidly showed a significant sensitivity.Under the different gases condition，the sensitiveness coefficient of gas pressureCpdecreases when the gas pressure increases.The sensitiveness coefficient of gas pressureSpis minimum when filling CH4under the same condition.The sensitiveness coefficient of gas pressure has the power relationshipSpand damage rate of permeabilityDphas a better linear correlation.

coal；effective stress；gas pressure；permeability；sensitiveness coefficient

2017-01-20 責(zé)任編輯：劉艷敏

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51574093)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：黔科合J字〔2015〕2049號(hào))；貴州省科技廳、貴州大學(xué)聯(lián)合資金計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：黔科合LH字〔2014〕7654)；貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研項(xiàng)目資助(編號(hào)：貴大人基合字〔2014〕57號(hào))

李波波(1985-)，男，貴州修文人，博士，講師，主要從事礦井災(zāi)害防治、煤層氣滲流方面的教研工作，E-mail：sbobo.0822@163.com。

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1004-4051(2017)06-0142-07