含瓦斯煤滲透率影響因素敏感性試驗研究

周建辛，王 毅

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

我國現(xiàn)階段開采的礦井中有60%是高瓦斯礦井甚至是突出礦井，瓦斯事故也是煤礦安全事故中強度最大、傷害最嚴(yán)重的。煤儲層的滲透率是影響瓦斯事故的重要參數(shù)之一，因此近些年來滲透率隨各種因素的變化規(guī)律為諸多研究者所關(guān)注[1-9]。前人的研究成果豐富了煤巖體瓦斯的滲流理論[10]，但對影響含瓦斯煤滲透性的諸多因素的敏感性分析和理論的深入研究還鮮見報道。為了深入研究諸多因素對含瓦斯煤滲透率的影響，以山西官地礦3#煤層煤樣為試驗對象，利用電液伺服三軸滲流試驗裝置，進行了不同含水率、瓦斯壓力，溫度，軸壓和圍壓組合下的三軸滲流試驗，初步探討了含瓦斯煤滲透率的變化規(guī)律，研究結(jié)果為防治瓦斯災(zāi)害及高效開采煤層氣提供了一定的理論依據(jù)。

1 試驗過程

1.1 試件的制作及煤質(zhì)分析

試驗所用的煤樣取自山西官地礦3#煤層，將取回的煤樣利用砂線切割機取心并磨制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣并將其編號。接下來對煤樣進行煤質(zhì)分析，其主要參數(shù)有水分、灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量等，因為試驗需要重點考慮煤樣含水率對滲透率的影響，所以重點測定水分的大小即可。取一定量的試樣放置在干燥的空氣中48 h，再將試樣于一定溫度干燥到恒重，其失重占試樣重量的百分?jǐn)?shù)即為空干水分，便可得到煤樣的原始含水率為1.14%。在其基礎(chǔ)上，采用恒溫干燥箱給煤樣進行干燥，通過烘干時間的長短來制取含水率為0.19%的煤樣；在原始煤樣的基礎(chǔ)上利用手動試壓泵和壓力釜給煤樣注水，以此提高煤樣的含水率至2.12%。最終制得含水率為0.19%、1.14%、2.12%的3組試件，每組試件若干。

1.2 試驗設(shè)備

試驗在微機控制電液伺服三軸瓦斯?jié)B流試驗裝置上進行，試驗裝置主要由計算機測控系統(tǒng)、氣路供給控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和三軸加載系統(tǒng)組成。試驗設(shè)備三軸室結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 三軸室結(jié)構(gòu)圖

1.3 試驗步驟

1）試件安裝。在煤樣試件的側(cè)面均勻涂抹704硅橡膠，待硅橡膠干燥之后，用熱縮管將試件包裹，將試件放置在三軸室試樣座和試樣壓板之間。用電熱烘槍均勻加熱熱縮管，使其軟化收縮，包緊試件來隔離精密液壓油。試件安裝完畢。

2）試樣裝置排氣（檢查裝置的氣密性）。在滲流試驗開始之前，對氣路系統(tǒng)進行多次甲烷吸附，做法為當(dāng)煤樣試件第1次吸附瓦斯達(dá)到平衡狀態(tài)時，打開出口流量開關(guān)，將系統(tǒng)中的氣體排除，并測定瓦斯的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)束之后將出口流量開關(guān)關(guān)閉，再次進行吸附，達(dá)到平衡狀態(tài)之后，排除系統(tǒng)中的氣體并測量體積分?jǐn)?shù)，重復(fù)進行3次直到排除甲烷氣體的體積分?jǐn)?shù)為99%以上。這時可以近似地看做氣路系統(tǒng)中已無其他氣體。

3）三軸加載試驗方案。對煤樣以0.01 MPa/s的加載速度加載圍壓至3 MPa，然后以0.05 MPa/s的速度加載軸壓至4 MPa，待其穩(wěn)定后，交替加載軸圍壓至預(yù)定壓力，預(yù)定軸壓分別為 4、6、8、9、11、13、15 MPa，預(yù)定圍壓分別為 3、5、8、10 MPa。然后調(diào)節(jié) CH4氣瓶的閥門及CH4減壓閥，通入純濃度為99.9%的的CH4氣體，待煤樣充分吸附解吸，三軸室內(nèi)的氣體壓力不再變化，即可認(rèn)為煤樣吸附瓦斯達(dá)到平衡狀態(tài)。同時應(yīng)用溫度控制系統(tǒng)進行溫度調(diào)節(jié)，從室溫 20 ℃開始，分別調(diào)節(jié)至 30、40、50、60、70 ℃，進行不同含水率條件下的多因素滲流試驗。打開出口流量開關(guān)和出口流量調(diào)節(jié)閥，將出口排氣管外接量筒，待氣泡穩(wěn)定之后，用排水集氣法測量流量并記錄，測量之后關(guān)閉出口流量開關(guān)。三軸加載的同時進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，直至試驗結(jié)束。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 含水率對含瓦斯煤滲透率的影響

不同瓦斯壓力、不同圍壓下煤樣滲透率與含水率關(guān)系的擬合曲線如圖2和圖3。從圖2可以看出，瓦斯壓力為0.5 MPa時，煤樣的含水率從0.19%變化到2.12%的過程中，滲透率從12.598×10-13cm2降低到0.886×10-13cm2，滲透率降低幅度為92.9%。從圖3可以看出，圍壓為10 MPa時，煤樣的含水率從0.19%變化到2.12%的過程中，滲透率從3.413×10-13cm2降低到 0.266×10-13cm2，滲透率降低幅度為92.2%。經(jīng)試驗數(shù)據(jù)擬合可以看出，含水率對含瓦斯煤的滲透率具有很大的影響，隨著含水率的逐漸增加，含瓦斯煤的滲透率呈負(fù)指數(shù)變化規(guī)律。因為煤是一種很強的親水性物質(zhì)，隨著含水率的不斷增大，水分子吸附在了煤樣的表面，占了煤樣中的大部分孔隙，而瓦斯分子主要是通過進入煤樣中的孔隙進行滲透，使得滲流過程中瓦斯的滲流通道減少，因此滲透率隨著煤樣的含水率的增大而減小。

圖2 不同瓦斯壓力煤樣滲透率與含水率關(guān)系的擬合曲線

2.2 軸壓對含瓦斯煤滲透率的影響

圖3 不同圍壓煤樣滲透率與含水率關(guān)系的擬合曲線

不同瓦斯壓力、不同圍壓以及不同含水率煤樣滲透率和軸壓關(guān)系的折線圖如圖4～圖6。由圖4～圖6可知，在不同的條件下，含瓦斯煤的滲透率隨著軸壓的增加呈先減小后增加的趨勢。其原因是，隨著單一方向軸壓的不斷增加，含瓦斯煤先發(fā)生彈塑性變形然后發(fā)生剪切破壞，在彈塑性變形階段，含瓦斯煤內(nèi)部的微觀孔隙受到擠壓，滲透率降低，所以在煤樣發(fā)生剪切破壞之前，含瓦斯煤的滲透率隨軸壓的增加而變小。其后隨著軸壓的不斷增加，煤樣的固體骨架發(fā)生剪切破壞，內(nèi)部孔隙裂隙相互貫通，進而煤樣的滲透性增強，其滲透率略有回升，但是具體條件不同，滲透率回升的幅度也不相同。由圖6可知，含水率越低的煤樣，其滲透率隨軸壓變化的敏感性越強，其原因是含水率低的煤樣，內(nèi)部的孔隙裂隙中水分相對較少，當(dāng)單一方向軸壓增加時，內(nèi)部孔隙裂隙因擠壓密實，單位體積內(nèi)具有相對更高的含水率，對其滲透率具有更大的影響，而含水率高的煤樣則不同，盡管軸壓不斷增加，其單位體積內(nèi)水分的含量卻不會發(fā)生太大的變化，進而出現(xiàn)含水率越低的煤樣其滲透率隨軸壓變化的敏感性越強。

圖4 不同瓦斯壓力煤樣滲透率和軸壓關(guān)系的折圖

2.3 溫度對含瓦斯煤滲透率的影響

圖5 不同圍壓煤樣滲透率與軸壓關(guān)系的折圖

圖6 不同含水率煤樣滲透率與軸壓關(guān)系的折圖

不同圍壓、不同含水率煤樣滲透率與溫度關(guān)系的折線圖如圖7和圖8。由圖7可知，含瓦斯煤的滲透率隨溫度的變化，并不是簡單的單調(diào)遞增或單調(diào)遞減的關(guān)系，而是存在1個與外圍約束應(yīng)力（圍壓）有關(guān)的臨界區(qū)，在試驗中，當(dāng)圍壓小于3 MPa，溫度大于20℃時，含瓦斯煤的滲透率隨著溫度的升高而逐漸變大，其原因是溫度升高產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于外圍約束應(yīng)力而占主導(dǎo)地位，煤體體積向外膨脹，其內(nèi)部的孔隙裂隙充分發(fā)育，進而瓦斯?jié)B流通道數(shù)目變多，出現(xiàn)滲透率隨溫度的升高而逐漸變大的現(xiàn)象。當(dāng)圍壓大于5 MPa，溫度小于70℃時，溫度的升高所產(chǎn)生的熱應(yīng)力小于外圍約束應(yīng)力，此時外圍約束應(yīng)力占主導(dǎo)地位，煤體無法正常向外膨脹，只能向其內(nèi)部空間膨脹，瓦斯?jié)B流通道被擠壓密實，有效孔隙率減小，因而出現(xiàn)在較大外圍約束應(yīng)力的條件下，含瓦斯煤的滲透率隨溫度的升高而減小的現(xiàn)象，也說明在溫度一定的條件下，其滲透率對外圍約束應(yīng)力變化的敏感性更強。由圖8可知，在圍壓為 3 MPa時，不同含水率的煤樣均隨著溫度的升高，其滲透率逐漸增加，并且含水率越高的煤樣，其滲透率隨溫度變化的敏感性越強，因為外圍約束應(yīng)力較小時，溫度的升高不僅導(dǎo)致煤體外膨脹，增大孔隙通道，并且還會蒸發(fā)煤樣自身的水分，因此含水率越高的煤樣其滲透率隨溫度變化的敏感性越強。

圖7 不同圍壓煤樣滲透率與溫度關(guān)系的折線圖

圖8 不同含水率煤樣滲透率與溫度關(guān)系的折線圖

3 結(jié)論

1）在其他條件相同的情況下，煤樣的含水率對含瓦斯煤的滲透率具有很大的影響，含水率越高，含瓦斯煤的滲透率越小。

2）含瓦斯煤的滲透率均隨著單一方向軸壓的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢。但在不同的條件下，滲透率的回升幅度不同。同時發(fā)現(xiàn)，含水率越低的煤樣，其滲透率隨軸壓的變化更加敏感。

3）溫度對含瓦斯煤滲透率的影響與外圍約束應(yīng)力（圍壓）的大小有關(guān)，當(dāng)溫度所產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于外圍約束應(yīng)力時，熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位，滲透率隨著溫度的升高而增加；反之，外圍約束應(yīng)力占主導(dǎo)地位，煤體體積向內(nèi)收縮膨脹，滲透率隨溫度的升高而減小。說明在溫度一定的條件下，其滲透率對外圍約束應(yīng)力變化的敏感性更強，并且在外圍約束應(yīng)力較小時，含水率越高的煤樣，其滲透率隨溫度變化的敏感性越強。