三轴应力作用下煤体渗流规律实验_工程实践

摘要

摘要：为了弄清三轴应力作用下煤体的渗流规律，运用CGMS煤层瓦斯气液相对渗透率测试系统准三轴渗透仪及恒温系统，以山西省沁水煤田阳泉固庄煤矿的煤样为例，进行了如下内容的实验研

摘要：为了弄清三轴应力作用下煤体的渗流规律，运用CGMS煤层瓦斯气液相对渗透率测试系统准三轴渗透仪及恒温系统，以山西省沁水煤田阳泉固庄煤矿的煤样为例，进行了如下内容的实验研究：①煤样在相同孔隙压力不同体积应力下煤样的渗透率变化；②相同轴压和围压下不同温度下煤样的渗透率变化。实验结果表明，当孔隙压力不变时，煤体渗透率随体积应力增加呈负指数规律变小；当体积应力不变时，煤体渗透率随着温度的增加而增加。

关键词：煤体；渗流规律；三轴；体积应力；温度；渗透率；瓦斯突出；孔隙压力；实验室试验

煤的渗透性研究对于研究瓦斯在煤层中的运移非常重要^[1～8]，煤矿开采中的各种瓦斯动力现象如煤与瓦斯突出、煤层气开采过程、瓦斯抽放等均与煤层的渗透性有关。我国煤层的渗透率一般为0.1～10mD，仅个别矿井测试数据达数十毫达西。与常规天然气在岩层孔隙内呈游离态的赋存状态不同，煤层瓦斯在煤层裂缝系统中是游离状态，在孔隙和裂隙表面则以吸附状态存在且90%以上都被吸附在煤基质块中。当煤层温度升高时，部分吸附瓦斯要解吸出来，变为游离瓦斯，而温度降低时，部分游离瓦斯变为吸附瓦斯，煤层瓦斯的这种吸附解吸特性对煤层渗透性能有重要影响。另外，在煤矿生产过程中，因采动影响，煤层应力重新分布，形成应力降低区、集中区和原始区，应力的降低和集中使部分煤体伸张和压缩变形，煤的渗透性发生变化，从而影响瓦斯的流动。因此，笔者实验研究了应力和温度影响下煤体的渗流规律，以期为煤矿瓦斯突出机理、瓦斯抽放的设计和优化提供一定的理论参考。

1 煤样的制取及实验方案步骤

1.1 实验系统

实验系统为CGMS煤层瓦斯气液相对渗透率测试系统准三轴渗透仪及恒温系统。CGMS煤层瓦斯气液相对渗透率测试系统主要包括6个子系统：物理模拟系统、流程管汇系统、环压系统、计量系统、数据自动采集控制系统、实验数据处理系统。相应的系统实物图、示意图及结构图如图1～3所示。

1.2 煤样的制取

实验煤样取自阳泉固庄煤矿，其煤层位于山西沁水煤田。在井下人工采集未受扰动的典型地质单元的煤体，运到地面后进行蜡封、装箱，在煤炭科学研究总院加工成Φ50×100mm的试件(图4)。

1.3 买验方案及步骤

1.3.1实验内容。

① 利用准三轴实验研究煤样在相同孔隙压力不同体积应力下煤样的渗透率变化；②研究相同轴压和围压下不同温度下煤样的渗透率变化。

考虑到甲烷的危险性，加之CO₂在煤样中也具有吸附特性，比甲烷的吸附能力略强，表现出的吸附特性与甲烷相似。因此本实验气体采用CO₂代替。

1.3.2实验步骤

① 将煤样加工成Φ50×100mm规格的标准煤试样；②将制好的煤样置于真空干燥箱内，加热到50℃时恒温24h，再冷却至室温后取出密封备用；③将煤样放入三轴渗透仪内，连接好管路；④先对煤样施加轴压至设定值，然后施加围压和孔隙压力，要保证孔隙压力小于围压，防止试件内的气体由于较大孔隙压力而溢出；⑤当气体排出速度稳定后，分别测定进口压力，瓦斯渗流量等，计算煤样渗透率；⑥施加下一级轴压和围压并测定渗透率；⑦在上述实验步骤完毕后，重复步骤①～③，同时打开恒温系统；⑧测定不同温度下煤样的渗透率。

2 实验结果及分析

2.1 计算公式

对于瓦斯在煤体里的流动，一般研究认为其服从达西定律，即

根据式(1)可得煤体的渗透率计算公式，即

式中：K为渗透率，mD；p₀为测量点的大气压力，MPa；Q₀为渗流量，cm³/s；μ为气体黏性系数，mPa·s；L为试样长度，cm；p₁为进口的气体压力，MPa；p₂为出口的气体压力，MPa；A为试样横截面积，cm²。在渗透率计算中参数取值如下：L=10cm；A=19.635cm²；p₀=p₂=0.1MPa。

2.2 体积应力与煤体渗透率的关系

体积应力是轴压加上2个侧压之和^[9]。图5为不同煤样、不同气体进口压力(p₁)煤体渗透率与体积应力的变化关系图，从中可以看出煤体渗透率随体积应力的增加呈负指数规律衰减。这是因为煤体作为岩石的一种，煤中气体的渗流主要受孔隙和各种裂隙控制，基质中的孔隙主要是储气空间，其渗透率很低，气体在其中主要通过扩散运移到割理、裂隙中。煤体在体积应力的作用下，裂隙有闭合的趋势，从而导致孔隙减小，气体扩散速度减慢，渗透率也随之降低。

2.3 温度与煤体渗透率的关系

图6为同一体积应力和气体进口压力时煤体渗透率与温度的变化关系。从图6可看出，随着温度的升高，煤体气体的渗透率升高。这是因为温度升高，气体分子活性和内能增大，部分吸附气体解吸，煤中吸附气体量尤其是对吸附膨胀变形起主要作用的吸附气体量减小，引起吸附膨胀变形减小，渗流通道增大，气体分子的扩散加速，从而使煤体气体的渗透率随之升高。

3 结论

1) 实验研究了体积应力变化情况下煤体的渗流规律。结果表明，煤体渗透率随体积应力的增加呈负指数规律衰减。

2) 实验研究了温度变化情况下煤体的渗流规律。结果表明，随着温度的升高，煤体瓦斯的渗透率升高。

参考文献

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[9] 赵阳升.矿山岩石流体力学[M].北京：煤炭工业出版社，1994.

(本文作者：李祥春^1，2，3 聂百胜^1，2 刘芳彬⁴ 周春山⁵ 1.中国矿业大学资源与安全工程学院；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室；3.新疆工业高等专科学校；4.煤炭工业规划设计研究院 5.太原理工大学矿业工程学院)