含瓦斯煤滲透性影響分析

柴昊昊

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 三元煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 140400)

煤炭行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)前我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中最重要的一環(huán)。由于我國(guó)特殊復(fù)雜的地質(zhì)條件，在實(shí)際煤炭開(kāi)采中常常伴隨著較為嚴(yán)峻的瓦斯治理形勢(shì)，在開(kāi)采后三維應(yīng)力場(chǎng)平衡狀態(tài)被打破，使得煤體滲流特性發(fā)生巨大變化[1].關(guān)于瓦斯?jié)B流影響因素分析，許多專家學(xué)者作了大量的前期技術(shù)準(zhǔn)備和研究[2-5].林柏泉等[6]進(jìn)行了煤樣滲透性影響實(shí)驗(yàn)，得出煤體滲透率與載荷的關(guān)系可用負(fù)指數(shù)方程表示。尹光志等[7]研制了多場(chǎng)耦合滲流試驗(yàn)系統(tǒng)，為滲流機(jī)制研究提供了基礎(chǔ)。祝捷等[8]通過(guò)構(gòu)建滲透率演化模型分析了氣體壓力對(duì)滲透率的影響。薛燕光等[9]利用三軸伺服滲流裝置發(fā)現(xiàn)軸壓、圍壓、瓦斯壓力3種應(yīng)力因素與煤樣滲透率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。張翔[10]通過(guò)建立含瓦斯煤流固耦合模型，模擬了瓦斯?jié)B流過(guò)程，對(duì)滲流特征進(jìn)行了研究。

在實(shí)際開(kāi)采中，應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯?jié)B流場(chǎng)的變化是改變井下瓦斯?fàn)顟B(tài)的主要因素[11-12].分析影響含瓦斯煤滲透性因素的重要程度，對(duì)主導(dǎo)因素做針對(duì)性地控制，不僅可以節(jié)約煤礦生產(chǎn)成本，而且對(duì)于煤礦瓦斯的防治及利用有重要的意義。

1 試驗(yàn)裝置與方案

1.1 試驗(yàn)裝置

采用WYS-800電液伺服滲流裝置,軸向應(yīng)力加載最大為800 kN，圍壓最大加載為15 MPa.該試驗(yàn)裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滲流過(guò)程中的數(shù)據(jù)，測(cè)量精度高，可靠性好，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、處理已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

試驗(yàn)煤樣選自西山煤電集團(tuán)屯蘭礦8#煤層，在實(shí)驗(yàn)室，用砂線切割機(jī)將煤樣切成標(biāo)準(zhǔn)尺寸d50 mm×100 mm備用。

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究影響含瓦斯煤滲透率的主要因素，在室溫為20 ℃的基礎(chǔ)上進(jìn)行軸壓、圍壓與瓦斯壓力的交叉試驗(yàn)。通過(guò)煤粉干燥前后稱重測(cè)得煤樣的原始平均含水率為1.61%，通過(guò)烘干箱干燥脫水制備含水率分別為0.18%、0.76%的煤樣，并利用手動(dòng)試壓泵以及密閉釜進(jìn)行注水，得到含水率為3.15%的試件。

含水率為0.18%～3.15%的煤樣分別采用排水集氣測(cè)定方法，進(jìn)行固定圍壓2～8 MPa，改變瓦斯壓力0.5～1.4 MPa的試驗(yàn)。

2 含瓦斯煤滲透性影響因素分析

2.1 瓦斯壓力與圍壓對(duì)含瓦斯煤滲透性影響程度

試驗(yàn)部分是在基于不同含水率條件下通過(guò)改變應(yīng)力與瓦斯壓力研究煤體滲流特性，在不同瓦斯壓力條件下，測(cè)定煤體滲透率。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

由圖1可以看出，在恒定應(yīng)力條件下，煤體含水率變化與滲透率關(guān)系顯著，煤體滲透率隨含水率增加呈下降趨勢(shì)。由圖1 a)可以看出，恒定圍壓為2 MPa，在瓦斯壓力為0.8 MPa時(shí)，隨著含水率從0.18%升至3.15%，煤體滲透率從3.501×10-5μm2降低至1.58×10-5μm2，滲透率降低幅度為55%.由圖1 d)可以看出，當(dāng)圍壓恒定為8 MPa，瓦斯壓力1.4 MPa條件下，含水率改變,煤體滲透率從1.88×10-5μm2降低至0.62×10-5μm2，滲透率降幅為67%.這是由于煤體材料親水，水分充滿煤體孔隙內(nèi)部，阻斷了絕大多數(shù)瓦斯分子滲流通道，瓦斯運(yùn)移受阻，導(dǎo)致出現(xiàn)滲透性降低的現(xiàn)象。

黃啟翔等[13]認(rèn)為，煤體滲透率變化與煤體所受應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系，對(duì)圖1中的滲透率隨含水率變化曲線進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 固定圍壓條件下煤體滲透率與含水率關(guān)系曲線圖

表1 煤體滲透率隨含水率變化曲線擬合方程表

由表1可知，含瓦斯煤滲透率與含水率之間呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)函數(shù)變化，其表達(dá)式可表征為：

K=aebw

(1)

式中：

K—滲透率，10-5μm2；

a,b—擬合系數(shù)，其中a>0,b<0；

w—煤體含水率。

結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，式(1)中擬合系數(shù)a,b的大小隨著煤體加載應(yīng)力及瓦斯壓力的變化而變化，擬合系數(shù)值與應(yīng)力和瓦斯壓力密切相關(guān)。當(dāng)圍壓、軸壓一定時(shí)，瓦斯壓力改變，擬合系數(shù)a、b變化規(guī)律不同，瓦斯壓力增加，擬合系數(shù)a隨之變小，而擬合系數(shù)b隨之變大。

在兩個(gè)擬合系數(shù)中，a>0,b<0，因此可以用擬合系數(shù)a來(lái)表征圍壓與瓦斯壓力對(duì)煤體滲透率影響的重要程度。

不同瓦斯壓力及不同圍壓條件下擬合系數(shù)a的變化曲線見(jiàn)圖2，不同壓力、圍壓下得出的擬合方程見(jiàn)表2.

圖2 擬合系數(shù)a隨瓦斯壓力以及圍壓變化規(guī)律圖

表2 擬合系數(shù)a隨瓦斯壓力以及圍壓變化擬合表

據(jù)圖2和表2可知，隨圍壓、瓦斯壓力增大，擬合系數(shù)a呈線性下降趨勢(shì)。在多種壓力條件試驗(yàn)中，擬合系數(shù)a1平均值比擬合系數(shù)a2的平均值小1.194 042 5.據(jù)此結(jié)果對(duì)比圍壓與瓦斯壓力對(duì)含瓦斯煤滲透性影響效果后，得出了瓦斯壓力在影響滲透性變化中占主導(dǎo)因素的結(jié)論。這也解釋了工業(yè)性試驗(yàn)中煤層滲透率與實(shí)驗(yàn)室的滲透率有著數(shù)量級(jí)的差異，這是由于在煤體內(nèi)部發(fā)生滲流的同時(shí)，吸附解吸也在進(jìn)行，且始終朝著平衡的方向發(fā)展，煤層內(nèi)處處都存在滲流與吸附解吸，因此總流量要大于某一個(gè)區(qū)域的流量。

2.2 軸壓與圍壓對(duì)含瓦斯煤滲透性影響程度

地應(yīng)力分為軸壓和圍壓兩部分，軸壓變化對(duì)于煤體的滲流特性影響同樣顯著，見(jiàn)圖3.

圖3 含瓦斯煤滲透率隨軸壓及圍壓變化規(guī)律圖

對(duì)圖3中的曲線進(jìn)行擬合，得到的擬合方程見(jiàn)表3.

表3 含瓦斯煤滲透率隨軸壓及圍壓變化規(guī)律擬合方程表

由圖3和表3可知，在加載過(guò)程中，隨著軸向應(yīng)力的增加，煤體滲透率同樣呈負(fù)指數(shù)減小，在彈性階段，軸向應(yīng)力越大，煤體滲透率越小；恒定軸向應(yīng)力下，煤體滲透率隨圍壓的增大呈負(fù)指數(shù)形式減小，滲透率變化與軸壓、圍壓關(guān)系滿足式(1)，因此同樣可以通過(guò)判斷擬合系數(shù)a的大小來(lái)比較重要程度。

圍壓σ3擬合系數(shù)和軸壓σ1擬合系數(shù)分別為3.5、2.2，綜上所述，σ3>σ1，圍壓為影響含瓦斯煤滲透性的主要因素。分析其原因，這是由于煤體在施加圍壓后，表現(xiàn)為橫向壓縮，使得煤體內(nèi)部的孔隙裂隙被壓密，滲流通道變窄；而在施加軸壓后豎向壓縮，在力的表現(xiàn)作用上使得圍壓效應(yīng)減弱，煤體會(huì)在原有基礎(chǔ)上產(chǎn)生一定的膨脹效應(yīng)，撐大了煤體內(nèi)滲流通道，減緩滲透率的進(jìn)一步降低。

綜上所述，在采動(dòng)影響煤體滲透率最直觀的影響因素中，瓦斯壓力對(duì)于含瓦斯煤滲透性影響最大，圍壓的影響次之，軸壓最小。

3 結(jié) 論

1)煤體的含水率是影響滲透率變化的主要影響因素，在穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)中煤體滲透率相對(duì)含水率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。

2)采動(dòng)對(duì)于煤層最直接的影響是應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯?jié)B流場(chǎng)的改變，而地應(yīng)力及瓦斯壓力的變化對(duì)煤體滲透率影響顯著，煤體滲透率的變化與軸壓、圍壓同樣呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3)瓦斯壓力對(duì)于含瓦斯煤滲流特性影響最大，圍壓的影響次之，軸壓影響最小。