潞安礦區(qū)煤層滲透率的各向異性特征實驗研究*

牛麗飛,曹運興,石 玢，張 震，賈天讓

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學 瓦斯地質(zhì)研究所，河南 焦作 454000；3.河南理工大學 煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南 焦作 454000；4.中原經(jīng)濟區(qū)煤層/頁巖氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；5.河南省非常規(guī)能源地質(zhì)與開發(fā)國際聯(lián)合實驗室，河南 焦作 454000)

0 引言

煤是一種疏松多孔介質(zhì)，存在著大量的裂隙和層理，在很大程度上影響煤層變形和瓦斯?jié)B流[1-2]。當開采煤層時，煤層中的裂隙和層理會發(fā)生改變，煤層中的應(yīng)力重新分布，導致煤體變形，進而影響瓦斯的抽采[3-4]。

在有關(guān)煤體層理裂隙對煤體變形和滲透率影響方面，相關(guān)學者進行了大量的研究。煤體在變形方面，在應(yīng)力作用方向上，煤體的變形具有顯著的差異性，煤體的變形量沿應(yīng)力作用方向呈現(xiàn)近似指數(shù)關(guān)系衰減的特征[5]，在改變軸壓加載變形破壞中，煤體變形可分為壓密、穩(wěn)定發(fā)展、非穩(wěn)定破裂發(fā)展和破裂后4個階段；改變軸壓加載前，煤體滲透率與軸壓的加載速率呈負相關(guān)變化，中后期滲透率變化速率與軸壓加載速率相關(guān)性不大[6]，而在循環(huán)加載過程中，煤樣滲透率的變化趨勢與應(yīng)變累積量增速的變化趨勢具有一致性[7-8]；煤體在滲透率方面，煤體結(jié)構(gòu)各向異性對煤體滲透特性具有重要影響[9]，煤體平行層理(割理)方向滲透性高于垂直層理方向，造成這種現(xiàn)象的原因在于煤體中平行層理方向的裂隙度大于垂直層理方向[10]，并且滲透率隨著有效應(yīng)力的增大而呈負指數(shù)減小[11-13]。相關(guān)學者還建立了層理裂隙煤體滲透率與有效應(yīng)力之間的理論模型[14]，有效應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系[15]以及基于體積應(yīng)變含瓦斯煤體滲透率模型[16]。

上述研究探究了層理對煤體滲透率的影響，但未具體描述不同層理方向煤體的變形，煤層在受到不同應(yīng)力的作用時，平行層理和垂直層理方向會存在很大的差異，進而2個方向的滲透性也會存在較大差異。針對上述情況，本文對平行層理和垂直層理2個方向的原煤試樣進行不同應(yīng)力條件下的滲流實驗。

1 樣品及實驗裝置

1.1 樣品準備

試驗煤樣選自山西潞安礦區(qū)常村煤礦山西組3號煤層2302掘進工作面，埋深500～562 m。按照《工程巖體試驗方法標準GB/T 50266-99》，沿平行層理和垂直層理方向上將原煤樣加工成φ50 mm×100 mm的圓柱體，煤樣的煤質(zhì)參數(shù)見表1，標準試件見圖1。

表1 煤樣的煤質(zhì)參數(shù)Table 1 Coal quality parameters of coal sample

圖1 實驗煤樣Fig.1 Experimental coal samples

1.2 實驗設(shè)備

試驗在河南理工大學瓦斯/煤層氣地質(zhì)工程研究中心進行，采用氣相驅(qū)替增產(chǎn)實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由真空脫氣系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、應(yīng)力加載控制系統(tǒng)、氣體組分分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6部分組成，見圖2。該裝置可模擬圍/軸壓為0～40 MPa及注氣壓力0～40 MPa條件下的煤層滲透性、吸附及煤巖變形特性。

2 實驗方法

本實驗采用高純度氮氣代替甲烷氣體，氮氣注氣恒定壓力為2.0 MPa；軸壓和圍壓初始壓力均為4.0 MPa，以2.0 MPa的壓力梯度加載至16.0 MPa，共計7個壓力點，見表2。

表2 煤樣實驗方案Table 2 Experimental scheme of coal samples

按照下述步驟測試煤樣在不同軸壓和圍壓條件下，平行和垂直層理方向的應(yīng)變和滲透率變化規(guī)律。

1)煤樣為φ50 mm×100 mm煤柱，實驗前將試件在真空干燥箱內(nèi)(100 ℃)干燥12 h，用酒精把煤柱表面擦拭干凈，再用502膠和玻璃膠把應(yīng)變片粘貼到煤柱表面，保持垂直，不能交叉；使用工具測量煤體的長度，將粘貼好應(yīng)變片的煤柱放入φ50 mm的夾持器中。

圖2 煤層氣相驅(qū)替增產(chǎn)實驗裝置Fig.2 Test device of gas phase displacement for increasing production of coal seam

2)對夾持器(含煤樣)進行抽真空：打開真空泵抽真空不少于12 h，或者真空壓力表示數(shù)為0.1 Pa時，完成抽真空。

3)把應(yīng)變片的另一頭與應(yīng)變儀相連，對滲透率和應(yīng)變進行監(jiān)測。

4)根據(jù)實驗設(shè)計，按照上述的軸壓圍壓和注氣壓力進行設(shè)置，打開流量計，進行監(jiān)測，直至滲透率穩(wěn)定，進行下一項軸壓和圍壓的設(shè)置。

3 滲透率實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

煤體在加載作用下，沿平行和垂直層理方向2個煤樣的滲透率和應(yīng)變實驗結(jié)果分別見表3和表4。

表3 加載過程煤樣滲透率Table 3 Permeability of coal samples during loading process

表4 加載過程煤樣應(yīng)變情況Table 4 Strain of coal samples during loading process

3.2 滲透率實驗結(jié)果分析

根據(jù)表3滲透率實驗結(jié)果，分別繪制加載過程中平行層理方向和垂直層理方向滲透率-有效應(yīng)力演化特征曲線，如圖3和表5所示。

表3和圖3表明：煤樣在加載過程中，平行和垂直層理方向煤樣的滲透率均隨有效應(yīng)力的增加而不斷減小，平行層理方向的滲透率從0.029 342 mD降至0.001 07 mD，垂直層理方向的滲透率從0.004 016 mD降至0.000 484 mD，有效應(yīng)力是決定滲透率的重要因素。平行層理方向和垂直層理方向滲透率與有效應(yīng)力的變化趨勢是相似的，加載初期滲透率的減少量最大，后期隨著有效應(yīng)力的增加滲透率逐漸趨于平緩。原因在于在加載初期，內(nèi)部裂隙容易受壓縮閉合，滲透率的下降較為急??；后期已受壓縮的裂隙難以進一步壓縮閉合，滲透率下降趨于平緩。平行層理方向滲透率的下降幅度最大，且始終大于垂直層理方向，可推斷平行層理方向的裂隙度[13]大于垂直層理方向的。因此，煤層進行瓦斯抽放時，鉆孔應(yīng)盡量沿著平行層理方向布置，以提高瓦斯抽放效果。

圖3 煤樣加載過程滲透率變化特征Fig.3 Characteristics of permeability change during loading process of coal samples

層理擬合結(jié)果R2平行Y=0.285xexp(-2.036)0.999 25垂直Y=0.002 3xexp(-1.582)0.982 68

3.3 不同層理應(yīng)變增加量與滲透率變化關(guān)系

加載過程中平行層理方向與垂直層理方向的應(yīng)變增加量與滲透率的變化關(guān)系，如圖4所示。

實驗煤樣的滲透率反映軸向方向的裂隙結(jié)構(gòu)特征，實驗過程中滲透率主要受徑向方向變形的影響。由表4和圖4可知，隨著加載，徑向方向應(yīng)變增加量不斷減小，累積應(yīng)變量不斷增加，滲透率不斷減小，滲透率與應(yīng)變增量呈正相關(guān)性，平行層理方向的正相關(guān)性更明顯，主要是由于平行層理方向的裂隙度大，相同壓力條件下，平行層理的徑向應(yīng)變量大于垂直層理，這也表明了煤體滲透率各項異性受煤層不同方向孔隙結(jié)構(gòu)和有效應(yīng)力大小控制。

圖4 不同層理應(yīng)變增加量與滲透率的關(guān)系Fig.4 Relationship between increment of strain under different bedding and permeability

4 煤樣變形特征實驗結(jié)果與分析

4.1 平行與垂直層理方向的變形對比特征

加載過程中平行層理方向與垂直層理方向的變形量與有效應(yīng)力的變化關(guān)系，如圖5所示。

圖5 應(yīng)變與有效應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 Relationship between strain and effective stress

圖5表明：平行和垂直層理方向的應(yīng)變趨勢是一致的。在整個加載過程中，平行層理徑向應(yīng)變增加量是垂直層理的1.16倍，垂直層理的軸向應(yīng)變增加量是平行層理的1.76倍，由于煤樣軸向方向的裂隙是徑向方向的壓縮空間，徑向方向的裂隙是軸向方向的壓縮空間，因此平行層理方向的裂隙發(fā)育程度大于垂直層理方向。

4.2 不同層理應(yīng)變增加量與有效應(yīng)力的關(guān)系

不同層理的煤樣，在加載過程中應(yīng)變增加量與有效應(yīng)力的關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同層理應(yīng)變增加量與有效應(yīng)力變化特征Fig.6 Change characteristics of strain increment and effective stress under different bedding

圖6表明：煤樣在加載過程中，平行和垂直層理方向的變化量均隨有效應(yīng)力的增大而不斷減??；2個方向上應(yīng)變增加量的變化趨勢是相同的，開始加載時，煤體變形的增加量急劇下降，然后趨于平緩。原因在于煤樣原位埋深500 m左右，所受地應(yīng)力大約為12 MPa，當煤樣受采動影響并采集出后不再受地應(yīng)力影響，發(fā)生變形，當煤樣重新受到軸壓和圍壓后，隨著有效應(yīng)力地不斷增加，累積變形量不斷增加，煤體內(nèi)部的裂隙不斷減小，12 MPa之前應(yīng)變增加量的變化很劇烈，12 MPa之后，煤樣接近原始地應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)變增加量趨于平緩。

5 結(jié)論

1)煤樣在加載過程中，不論平行層理還是垂直層理煤樣的滲透率均隨著有效應(yīng)力的增大而減小，變化趨勢是相同的，應(yīng)力加載初期滲透率下降最為急劇，后期逐漸趨于平緩；平行層理滲透率下降幅度比垂直層理要大；整個過程中，平行層理滲透率始終大于垂直層理。因此，原始煤層中抽放鉆孔盡量沿平行層理方向布置。

2)平行層理的徑向應(yīng)變大于垂直層理，垂直層理的軸向應(yīng)變大于平行層理，應(yīng)變量的增加量均隨有效應(yīng)力的增加而不斷減小，平行層理裂隙發(fā)育程度大于垂直層理。

3)煤樣在加載過程中，2種方向煤樣的應(yīng)變增加量的變化趨勢是一致的；煤體應(yīng)變的增加量與滲透率變化的趨勢相對應(yīng)，都是逐漸下降；煤樣的徑向應(yīng)變增加量與滲透率具有正相關(guān)性。