不同含水率煤樣瓦斯?jié)B流特性的實(shí)驗(yàn)研究

張國(guó)華，畢業(yè)武，王 磊，高明星，蒲文龍

(1.黑龍江科技大學(xué) 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022; 3.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

0 引 言

煤層滲透率及其演化直接影響著地下流體的滲流行為，其影響因素和作用機(jī)制一直為眾多學(xué)者所關(guān)注[1-4]。目前，有眾多專(zhuān)家學(xué)者從應(yīng)力、煤基質(zhì)收縮及溫度等角度探討了滲透率的變化規(guī)律[5-7]。周軍平等[8]根據(jù)煤基質(zhì)的壓縮效應(yīng)以及有效應(yīng)力的影響，建立了滲流數(shù)學(xué)模型。孟召平等[9]提出了滲透率和應(yīng)力之間的量化關(guān)系式及其相關(guān)模型。劉永茜等[10]研究了含水率對(duì)煤層裂隙變形及煤層氣運(yùn)移的控制作用。趙繼濤[11]研究了不同含水率對(duì)低滲煤層氣體的滲流影響。賀玉龍等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探討了溫度和應(yīng)力對(duì)巖石的滲透特性的影響。張志剛[13]研究了煤體在受到瓦斯吸附與應(yīng)力共同影響下的瓦斯?jié)B透特性變化特征。趙俊龍等[14]對(duì)氣-水兩相煤體有效滲透率動(dòng)態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。潘一山等[15]運(yùn)用無(wú)損檢測(cè)NMRI成像技術(shù)對(duì)煤層中氣-水兩相滲流規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

上述研究主要是針對(duì)含水率對(duì)煤樣滲透特性的影響，但是，對(duì)于含水率和應(yīng)力共同影響下的煤樣滲透率研究較少。鑒于此，筆者以黑龍江龍煤集團(tuán)某礦高瓦斯煤樣制備的型煤試件為研究對(duì)象，借助自制的滲流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了多種應(yīng)力、瓦斯壓力條件下，不同含水率煤樣瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)研究，分析了含瓦斯煤在水-力耦合作用下滲透率演化規(guī)律，以期對(duì)瓦斯災(zāi)害治理和煤層氣開(kāi)采工作有一定的借鑒意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 煤樣制備

該實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的煤樣取自龍煤集團(tuán)某礦高瓦斯煤層。將煤樣打碎，篩分粒度為40～80目的煤粒，添加適量的水，放入模具中壓制成尺寸為φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件(允許誤差為±1 mm)。將試件放入恒溫干燥箱內(nèi)以65 ℃烘干24 h除水，編號(hào)后放入養(yǎng)護(hù)箱中備用，見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)煤樣Fig. 1 Coal samples

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

自制的三軸滲流裝置，包括高壓氣瓶、煤樣室、恒溫水浴、提供應(yīng)力環(huán)境的圍壓/軸壓加載裝置、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)及流量計(jì)等單元。實(shí)驗(yàn)時(shí)，外部應(yīng)力由兩個(gè)油泵提供，恒溫水域的功能是消除溫度的影響，瓦斯壓力由高壓氣瓶的減壓閥來(lái)控制，實(shí)驗(yàn)試件流經(jīng)的瓦斯氣體由流量計(jì)測(cè)定，最后流經(jīng)尾氣處理裝置，保證實(shí)驗(yàn)的安全性。圖2為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig. 2 Diagram of experimental system

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

分別制備4組不同含水率煤樣進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具規(guī)律性，所配試件的含水率盡量等分，最終制備含水率分別為0%、2%、4%、6%的型煤試件。每試件組設(shè)置4組不同瓦斯壓力實(shí)驗(yàn)，分別為0.5、1.0、1.5和2.0 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃?？紤]應(yīng)力對(duì)煤樣瓦斯?jié)B流特性的影響，故實(shí)驗(yàn)設(shè)置軸壓/圍壓分別壓為6、8和10 MPa。為方便描述，在文中用σ來(lái)代表外部應(yīng)力，用p來(lái)表示瓦斯壓力，用w來(lái)表示含水率。

2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)瓦斯流量利用式(1)進(jìn)行滲透率計(jì)算：

(1)

式中：K——煤體滲透率,μm2；

q——?dú)怏w流量,ml/s；

μ——?dú)怏w的絕對(duì)黏度，室溫20 ℃時(shí)瓦斯黏度為1.087×10-6Pa·s；

p1——入口壓力,MPa；

p2——出口壓力，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為 0.101 MPa；

A——滲透率有效面積,m2；

L——煤體試件長(zhǎng)度,mm。

2.1 含水率對(duì)煤體瓦斯?jié)B透特性的影響

圖3為不同含水率煤樣滲透率隨應(yīng)力和瓦斯壓力變化情況，以p=0.5 MPa為例進(jìn)行分析。當(dāng)σ為6 MPa時(shí)，K隨著w的增加在逐漸減小，且σ各梯度下K的減小量在逐漸變小。即，煤樣試件的滲透率隨含水率增大而逐漸減小，滲透率隨含水率的變化趨勢(shì)逐漸趨緩。由此可見(jiàn)，含水率對(duì)煤樣的滲透率有著重要的影響。

圖3 不同含水率煤樣滲透率變化規(guī)律Fig. 3 Permeability of coal samples under different water contents

眾所周知，煤孔隙結(jié)構(gòu)直接影響著煤體的滲流特性，將其細(xì)化分出了微孔、小孔、中孔、大孔、可見(jiàn)孔及裂隙，又根據(jù)它們功能的差異分為吸附孔和滲流孔。煤層瓦斯?jié)B透率大小主要受其滲流孔的影響，由于水分子很難進(jìn)入到微孔內(nèi)，故水分對(duì)煤層滲流特性的影響主要是通過(guò)對(duì)其滲流孔的影響而改變其滲透率。

水分對(duì)滲透率影響可以表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。首先，煤體孔隙內(nèi)吸附的水分子會(huì)導(dǎo)致一定形變，同時(shí)煤體塑性增強(qiáng)，在受載的過(guò)程中更容易發(fā)生變形，使得煤體滲流孔變小，進(jìn)一步導(dǎo)致了滲流能力的下降；其次，當(dāng)水進(jìn)入到滲透孔隙時(shí)，占據(jù)了瓦斯的滲流通道，導(dǎo)致瓦斯氣體流過(guò)煤樣更加困難，使其滲透率減??；當(dāng)煤體含水率增大時(shí)，可供瓦斯?jié)B流通道進(jìn)一步變窄，其滲透率繼續(xù)減小；當(dāng)水分完全充滿(mǎn)煤樣滲流孔后，瓦斯氣體無(wú)法通過(guò)煤樣，滲透率降為零。由此可知，這兩個(gè)作用都會(huì)導(dǎo)致滲透率的降低。

2.2 外部應(yīng)力對(duì)煤體瓦斯?jié)B流特性的影響

為探究不同含水率與瓦斯壓力耦合作用下煤樣滲透率變化情況，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變軸壓與圍壓模擬不同地應(yīng)力對(duì)煤層瓦斯?jié)B透率的影響。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定溫度為30 ℃。

從圖4可以看出，當(dāng)瓦斯壓力與含水率保持恒定時(shí)，隨著應(yīng)力的不斷加大，型煤試件的瓦斯?jié)B透率在逐漸減小。即瓦斯?jié)B透率與應(yīng)力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

應(yīng)力在6～10 MPa變化，不同含水率及瓦斯壓力條件下的瓦斯?jié)B透率下降幅度約為30%～50%。從各組下降幅度來(lái)看，同一瓦斯壓力下不同含水率、同一含水率中不同瓦斯壓力煤樣滲透率下降幅度與應(yīng)力增大無(wú)明顯規(guī)律，但同一含水率及瓦斯壓力條件下，外部應(yīng)力持續(xù)的增大對(duì)滲透率的影響程度在逐漸的減弱。

由前述可知，煤樣滲透率的改變主要是由其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化引起的，外部應(yīng)力對(duì)于煤樣滲透特性的影響可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行討論：首先，從孔隙的角度來(lái)分析，當(dāng)應(yīng)力升高時(shí)，煤體內(nèi)部的孔隙空間壓縮、孔徑變小，致使氣體在煤體中的滲流阻力變大，直觀表現(xiàn)就是滲透率的降低；其次，從裂隙的角度來(lái)看，當(dāng)煤體所受的應(yīng)力升高時(shí)，部分裂隙出現(xiàn)閉合，開(kāi)度降低，導(dǎo)致滲流通道減少，滲透率表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)；最后，從吸附解吸的角度來(lái)看，當(dāng)應(yīng)力升高時(shí)，煤體的瓦斯吸附量減小，對(duì)應(yīng)的煤體吸附瓦斯膨脹變形量減小，對(duì)裂隙的閉合起到反向作用，可以導(dǎo)致滲透率增大。因此，應(yīng)力增加對(duì)于瓦斯?jié)B流的效果來(lái)說(shuō)，存在負(fù)效應(yīng)的同時(shí)又有正效應(yīng)，而滲透率表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律受到了這兩方面的作用，為二者競(jìng)爭(zhēng)作用的結(jié)果。從圖4滲透率變化規(guī)律來(lái)看，隨著應(yīng)力的增加，滲透率反向變化，這就說(shuō)明了應(yīng)力對(duì)滲透率的負(fù)效應(yīng)更加顯著。

圖4 不同應(yīng)力下含水煤樣滲透率變化規(guī)律Fig. 4 Permeability of water-containing coal samples under different stresses

2.3 孔隙壓力對(duì)煤體瓦斯?jié)B流特性的影響

圖5為相同應(yīng)力和含水率下，滲透率隨瓦斯壓力變化結(jié)果。從圖5可以看出，隨著瓦斯壓力的不斷增加，含瓦斯煤滲透率呈現(xiàn)V字型變化，即先下降后上升，表現(xiàn)出了明顯的克林伯格效應(yīng)。

圖5 不同瓦斯壓力下含水煤樣滲透率變化規(guī)律Fig. 5 Permeability of water-containing coal samples under different gas pressures

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，煤樣在煤體瓦斯壓力增大的初期，煤體骨架吸附瓦斯膨脹變形，導(dǎo)致氣體流動(dòng)通道變窄受阻，導(dǎo)致滲透率的下降。同時(shí)，由于煤體本身的吸附效應(yīng)使得甲烷吸附孔隙結(jié)構(gòu)表層，從而減小了瓦斯通道的體積，也促進(jìn)了滲透率的下降。隨著瓦斯壓力的繼續(xù)增大，煤體吸附與解吸的動(dòng)態(tài)變化逐漸趨向平衡，瓦斯壓力的影響凸顯，此時(shí)滲透率會(huì)逐漸增大。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)，滲透率初始階段下降的速率要大于之后上升的速率，是由于煤體在吸附膨脹后很難在相同狀況下恢復(fù)到膨脹前狀態(tài)，故后期較前期相同瓦斯壓力梯度內(nèi)滲透率的值要低。并且，含水率、應(yīng)力的變化只改變煤樣滲透率的大小，并沒(méi)有改變其克林伯格效應(yīng)?？梢?jiàn)，煤樣的瓦斯吸附能力受含水率影響有限，不足以克服克林伯格效應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)含水率上升時(shí)，煤樣滲透率隨之減小。水分吸附導(dǎo)致微孔至大孔的滲流孔被占據(jù)，當(dāng)含水率繼續(xù)上升時(shí)，由于煤樣還有可見(jiàn)孔隙與裂隙，親水程度有限，此時(shí)瓦斯氣體主要流過(guò)可見(jiàn)孔、裂隙，因此隨著含水率的增加滲透率減小趨勢(shì)變緩。

(2) 當(dāng)瓦斯壓力恒定時(shí)，增大外部應(yīng)力，不同含水率煤樣滲透率減小，兩者呈負(fù)效應(yīng)。當(dāng)初始階段處于低應(yīng)力時(shí)，煤樣內(nèi)部的裂隙受到壓縮，滲透率快速下降。但是隨著應(yīng)力的繼續(xù)增加，裂隙閉合達(dá)到了一定程度，孔隙難以壓縮，滲透率降低速度減緩。

(3) 當(dāng)應(yīng)力恒定時(shí)，增大瓦斯壓力，不同含水率煤樣滲透率隨之先減小后增大，呈現(xiàn)出V字型變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出的克林伯格效應(yīng)較為顯著。