型煤滲透率對溫度和平均有效應(yīng)力敏感性分析

王 珍 袁 梅

(1.貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 550023；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實驗室，貴州 550025；4.貴州省優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用工程實驗室，貴州 550025；5.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 550025)

型煤滲透率對溫度和平均有效應(yīng)力敏感性分析

王 珍1袁 梅2,3,4,5

(1.貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 550023；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實驗室，貴州 550025；4.貴州省優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用工程實驗室，貴州 550025；5.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 550025)

本文以貴州某礦1號煤層煤樣為研究對象，利用自主研發(fā)的三軸滲透儀，進(jìn)行了溫度和平均有效應(yīng)力條件下的三軸滲流實驗，分別考察煤層滲透率對平均有效應(yīng)力和溫度敏感系數(shù)的變化規(guī)律。實驗表明，相同的型煤煤樣，其平均有效應(yīng)力敏感系數(shù)和溫度敏感系數(shù)的演化規(guī)律相似，但溫度對型煤敏感系數(shù)演化的影響相對較小；且溫度和平均有效應(yīng)力敏感系數(shù)之間作用機(jī)理較為復(fù)雜，不存在嚴(yán)格的單調(diào)變化規(guī)律。

滲透率 溫度 平均有效應(yīng)力 敏感性系數(shù)

本文利用自主研發(fā)的三軸滲透儀，開展了不同溫度和平均有效應(yīng)力條件下的三軸滲流實驗，探究型煤滲透率在上述兩個因素共同作用下的變化規(guī)律。煤層滲透率受諸多因素變化敏感，比如：平均有效應(yīng)力、地溫、地電場、瓦斯壓力、瓦斯量、瓦斯吸附解吸特性等。瓦斯在煤層的運(yùn)移過程中，煤層與瓦斯之間的作用機(jī)理十分復(fù)雜，影響煤層滲透特性的因素較多，且煤層滲透率對各影響因素敏感性的演化規(guī)律并不清晰。本文通過定義敏感性系數(shù)，得出型煤滲透率對平均有效應(yīng)力及溫度敏感系數(shù)。以期待平均有效應(yīng)力和溫度對型煤的滲透率敏感性特征能揭示煤層滲透性的動態(tài)變化規(guī)律，對于合理有效開發(fā)煤層氣資源具有理論價值和實際意義。

1 實驗方法

1.1 實驗設(shè)備

實驗裝置為自主研發(fā)的三軸滲透儀，設(shè)備的主要組成部分見圖1。

實驗系統(tǒng)主要由煤樣夾持器、應(yīng)力控制系統(tǒng)、溫度控制箱、真空脫氣系統(tǒng)及數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)組成。試驗系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如下：軸壓：0～70MPa，精度為±0.1MPa；圍壓：0～70MPa，精度為±0.1 MPa；瓦斯壓力：0～15MPa，精度為±0.01 MPa；溫度：常溫～100℃，精度±0.1℃。

1—瓦斯罐; 2—手動試壓泵; 3—手動試壓泵; 4—三軸滲透儀; 5—恒溫箱; 6—玻璃量管; 7—水準(zhǔn)瓶圖1 三軸滲透儀工作原理示意圖

1.2 煤樣制備

實驗煤樣取自貴州某礦1號煤層，新鮮煤樣經(jīng)破碎機(jī)破碎后，篩取60～80目的微粒，篩好的煤粉倒入型煤模具中，把型煤模具放在液壓式材料試驗機(jī)上，用200KN的力保壓30min。型煤煤樣尺寸為：φ50mm×100mm±0.5mm。將型煤放入恒溫箱中以80℃恒溫干燥8h，待冷卻后，在試件的表面(上、下兩端除外)涂上一層硅橡膠，放入干燥箱備用。

2 實驗方案與實驗步驟

2.1 實驗方案

實驗分為恒定有效應(yīng)力變溫度和恒定溫度變有效應(yīng)力兩組，具體實驗方案取值見表1和表2所示。

表1 恒平均有效應(yīng)力變溫度滲透實驗方案

表2 恒溫變平均有效應(yīng)力滲透實驗方案

2.2 實驗步驟

(1)將制備好的型煤試件裝入實驗系統(tǒng)中，進(jìn)行真空脫氣12小時，目的是排除煤樣中含有的雜質(zhì)氣體。

(2)調(diào)節(jié)恒溫水浴至實驗設(shè)定溫度，數(shù)據(jù)須待溫度穩(wěn)定后方可測定。

(3)按照實驗方案設(shè)置軸壓、圍壓及瓦斯壓力值。

(4)打開出氣閥門，待氣體流量穩(wěn)定后用流量計測定氣體流量。

(5)按照實驗方案完成一次數(shù)據(jù)的測定，更換型煤試件重復(fù)以上步驟，進(jìn)行下一組實驗，直到完成實驗方案中的數(shù)據(jù)測定。

2.3 實驗中涉及的計算公式

(1)滲透率計算公式

根據(jù)達(dá)西定律，煤的瓦斯?jié)B透率按以下計算公式進(jìn)行處理。

(1)

式中，K—煤樣的實測滲透率，10-3μm2；μ—?dú)怏w的絕對黏度，Pa·s；p0—實驗時的大氣壓，MPa；Q0—?dú)怏w流量，cm3/s；L—煤體試件長度，cm；A—滲透有效面積，cm2；p1，p2—入口、出口壓力，MPa。

(2)平均平均有效應(yīng)力公式

瓦斯?jié)B透率實驗研究在不同的應(yīng)力狀態(tài)對試件滲透率的影響。換算應(yīng)力為：

(2)

式中,σ—平均平均有效應(yīng)力，MPa；σ1，σa—軸壓、圍壓，MPa；p1，p2—入口、出口壓力，MPa。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 溫度恒定平均有效應(yīng)力對型煤滲透率的影響

為了更直觀深入探討有平均效應(yīng)力與溫度對型煤滲透率的綜合作用規(guī)律，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。圖2為實驗煤樣瓦斯壓力為0.6MPa時，各溫度水平下，型煤滲透率隨平均有效應(yīng)力變化的擬合曲線圖。

圖2 恒溫變有效應(yīng)力平均K-σ擬合圖

通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，如圖2擬合曲線，得到了型煤滲透率隨平均有效應(yīng)力變化關(guān)系的擬合方程，且煤樣的擬合精度非常好。

K(30)=0.96247+8.42206e-0.17872σ,R2=0.99481

(3)

K(50)=1.35302+7.81555e-0.20463σ,R2=0.99858

(4)

K(70)=1.1547+7.88431e-0.23277σ,R2=0.99864

(5)

3.2 平均有效應(yīng)力恒定溫度對滲透率的影響

為分析平均有效應(yīng)力和溫度對滲透率的綜合作用，上面討論了溫度恒定時，平均有效應(yīng)力對滲透率的影響規(guī)律，下面將平均有效應(yīng)力恒定，探討溫度對滲透率的作用規(guī)律。圖3為瓦斯壓力為0.6MPa時平均有效應(yīng)力恒定，滲透率隨溫度變化的擬合曲線。

圖3 恒平均有效應(yīng)力變溫度K-T擬合圖

通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，如圖3擬合曲線，得到了滲透率隨溫度變化關(guān)系的擬合曲線。

K(2)=1.83346+3.71419e-T/27.13254，
R2=0.98875

(6)

K(4)=0.07432+4.10537e-T/73.20048，
R2=0.99649

(7)

K(6)=1.45964+5.95576e-T/16.46977，
R2=0.98958

(8)

3.3 滲透率敏感性系數(shù)分析

(1)型煤滲透率對平均有效應(yīng)力敏感性系數(shù)分析

本文擬定義一個煤層滲透率對平均有效應(yīng)力的敏感系數(shù)Cσ，通過定義這個敏感系數(shù)，將影響煤層滲透率的因素進(jìn)行歸一化處理，考察型煤滲透率隨平均有效應(yīng)力變化的趨勢。

(9)

式(9)即為定義的煤層滲透率對平均有效應(yīng)力的敏感系數(shù)，其中Cσ單位為MPa-1；K為滲透率，10-3μm2；K0為基準(zhǔn)滲透率；σ0為滲透率K時的平均有效應(yīng)力，MPa；Cσ反映了滲透率隨平均有效應(yīng)力的變化趨勢，Cσ值越大，表明滲透率對平均有效應(yīng)力的變化就越敏感，反之亦然。

圖4 煤樣各溫度水平下平均有效應(yīng)力敏感系數(shù)擬合曲線

敏感性數(shù)據(jù)分析表明，各煤樣在不同溫度水平下，其滲透率對平均有效應(yīng)力敏感系數(shù)的變化規(guī)律具有一定的相似性，如圖4所示。由圖分析可知，溫度較低時(30℃)，其敏感系數(shù)較大，但溫度與敏感系數(shù)并不嚴(yán)格遵循這種規(guī)律，50℃與70℃的曲線出現(xiàn)了交叉，這表明溫度和平均有效應(yīng)力敏感系數(shù)之間作用機(jī)理較為復(fù)雜，不存在嚴(yán)格的單調(diào)變化規(guī)律。平均有效應(yīng)力和滲透率對平均有效應(yīng)力的敏感系數(shù)之間滿足表3所示的冪函數(shù)關(guān)系。

表3 各溫度下型煤滲透率對平均有效應(yīng)力敏感系數(shù)的擬合方程

表3列出了型煤滲透率與平均有效應(yīng)力敏感系數(shù)的擬合方程，因此可用冪函數(shù)來描述Cσ與平均有效應(yīng)力σ0之間的關(guān)系，從相關(guān)系數(shù)可以看出兩者具有較高的擬合精度。

Cσ=ασ0- β

(10)

式中，α、β為擬合系數(shù)。

(2)型煤滲透率對溫度敏感性系數(shù)分析

溫度也是影響煤層瓦斯?jié)B透特性主要因素之一，可以類比煤層滲透率對平均有效應(yīng)力的敏感系數(shù)Cσ，定義一個煤層滲透率對溫度T的敏感系數(shù)CT，定義一個敏感系數(shù)，并將滲透率對溫度的影響進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而分析煤樣滲透率對溫度變化的變化規(guī)律。

(11)

式(11)即為定義的煤層滲透率對溫度的敏感系數(shù)，其中CT單位為℃-1；K為滲透率，10-3μm2；K0為基準(zhǔn)滲透率；T為煤層溫度，℃；CT為滲透率T時的溫度敏感性系數(shù)；CT同理反映了滲透率隨溫度的變化趨勢，CT值越大，表明滲透率對溫度的變化就越敏感，反之亦然。

圖5 煤樣各平均有效應(yīng)力水平下溫度敏感系數(shù)擬合曲線

各型煤試件在不同平均有效應(yīng)力條件下，其滲透率對溫度敏感系數(shù)的變化規(guī)律具有很大的相似性，圖5為型煤試件滲透率對溫度的敏感系數(shù)擬合曲線，在各平均有效應(yīng)力條件下，平均有效應(yīng)力較低時，其敏感系數(shù)相對較大，但是2MPa與4MPa時的曲線非常接近(幾乎相交)，敏感性數(shù)據(jù)表明平均有效應(yīng)力和溫度敏感系數(shù)之間不完全具有一致性的單調(diào)變化關(guān)系。在各平均有效應(yīng)力條件下，型煤滲透率對溫度的敏感系數(shù)與溫度之間具有式(12)所示的冪函數(shù)關(guān)系。

表4列出了型煤試件在平均有效應(yīng)力2MPa、4MPa及6MPa水平下，溫度與滲透率對溫度敏感系數(shù)的擬合方程。CT與溫度T之間滿足冪函數(shù)的關(guān)系：

CT=αT-β

(12)

式中，α、β為擬合系數(shù)。

表4 煤樣滲透率對溫度敏感系數(shù)的擬合方程

4 結(jié)論

本文以貴州煤礦1號煤層型煤試件為研究對象，實驗研究了不同平均有效應(yīng)力及不同溫度條件下型煤滲透率的變化規(guī)律，利用文中定義的敏感性系數(shù)，推導(dǎo)出平均有效應(yīng)力及溫度對型煤滲透率敏感性變化規(guī)律，得出以下主要研究成果：

(1)型煤滲透率隨平均有效應(yīng)力的增加而減小，滲透率變化趨勢比較明顯，說明平均有效應(yīng)力對型煤滲透率的變化起主導(dǎo)作用。

(2)型煤滲透率隨溫度的升高也呈現(xiàn)減小趨勢，但減小幅度不大。溫度升高，型煤骨架產(chǎn)生熱膨脹，煤體之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力指向滲透通道，使得煤體滲透通道減小，表現(xiàn)為煤體滲透率隨溫度的升高而減小。

(3)在各恒溫條件下，30℃時，型煤滲透率敏感系數(shù)較大，但50℃與70℃的曲線出現(xiàn)了交叉，說明滲透率對溫度的敏感性不大，在現(xiàn)場實踐中盡量考慮改變其他對滲透率敏感性影響較大的因素提高煤層的滲透特性。

(4)在各平均有效應(yīng)力條件下，同樣平均有效應(yīng)力較低時，其敏感系數(shù)相對較大，但是2MPa與4MPa時的敏感性曲線非常接近，說明平均有效應(yīng)力較大時型煤滲透率更敏感，這表明平均有效應(yīng)力敏感系數(shù)之間作用機(jī)理較為復(fù)雜。

[1] 程瑞端,陳海焱,鮮學(xué)福,等.溫度對煤樣滲透系數(shù)影響的實驗研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,1998,(1):13-16.

[2] 楊勝來,崔飛飛,楊思松,等.煤層氣滲流特征實驗研究[J].中國煤層氣,2005,2(1):36-39.

[3] 張廣洋,胡耀華,姜德義,等. 煤的滲透性實驗研究[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1995,24(4):65-68.

[4] 易俊,姜永東,鮮學(xué)福. 應(yīng)力場、溫度場瓦斯?jié)B流特性實驗研究[J].中國礦業(yè),2007,16(5):113-116.

[5] 李志強(qiáng),鮮學(xué)福.煤體滲透率隨溫度和應(yīng)力變化的實驗研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,28(增):156-159.

[6] 熊偉.流固耦合滲流規(guī)律研究[D].北京:中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所,2002.

[7] 黃遠(yuǎn)智,王恩志. 低滲透巖石滲透率對有效應(yīng)力敏感系數(shù)的試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(2)：410-414.

[8] 賀玉龍,楊立中.圍壓升降過程中巖體滲透率變化特性的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(3):415-419.

[9] 趙志成.應(yīng)力敏感性低滲透地層滲流規(guī)律研究[J].中國西部科技，2009,08(26):04-06.

[10] 陳振宏,王一兵,郭凱，等.高煤階煤層氣藏儲層應(yīng)力敏感性研究[J].地質(zhì)學(xué)報,2008, (82) 10:1390-1395.

[11] 孟召平,侯泉林.煤儲層應(yīng)力敏感性及影響因素的試驗分分析[J].煤炭學(xué)報,2012,37(3):430-436.

[12] 蘭林,康毅力,陳一健，等.儲層應(yīng)力敏感性評價試驗方法與評價指標(biāo)探討[J].鉆井液與完井液,2005,22(3):

[13] 袁梅,許江,李波波,等.氣體壓力加載過程中無煙煤變形及滲透特性的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014,33(10):2138-2143.

(責(zé)任編輯 劉 馨)

Sensitivity Analysis of Coal Permeability to Temperature and Average Effective Stresses

WANG Zhen1， YUAN Mei2,3,4,5

(1.Guizhou Vocational Technology Institute, Guizhou 550023; 2.Mining College of Guizhou University, Guizhou 550025; 3.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources, Guizhou 550025; 4.Guizhou Engineering Lab of Advantage Mineral Resources Efficient Utilization, Guizhou 550025; 5.Engineering Center for Safe Mining Technology Under Complex Geologic Conditions, Guizhou 550025)

Taken the number one coal samples coming from Guizhou as experimental subjects, the paper makes the advantage of self-made tri-axis seep instrument to conduct a series of experiments on conditions that temperature and average effective stresses. It normalizes the influential factors to find out the changing law and principles between coal mine rate of seep, average effective stresses and temperatures. Experimental results show that for the same coal samples, the average effective stresses sensitive coefficient and evolution rules of temperature sensitive coefficient are similar, but the temperature for the evolution of sensitive coefficient is relatively small. Between the temperature and average effective stresses sensitive coefficient mechanism is more complicated, and there is no strict monotonous change rule.

Permeability; temperature; average effective stress; sensitivity coefficient

貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院職業(yè)教育研究所(青年研究項目)——貴州高瓦斯地區(qū)煤礦生產(chǎn)安全體系架構(gòu)探析(15QN02)

王珍，女，講師，從事煤礦安全的教學(xué)工作。