三軸應力作用下煤體滲流規律實驗

摘 要

摘要：為了弄清三軸應力作用下煤體的滲流規律，運用CGMS煤層瓦斯氣液相對滲透率測試系統準三軸滲透儀及恒溫系統，以山西省沁水煤田陽泉固莊煤礦的煤樣為例，進行了如下內容的實驗研
摘要：為了弄清三軸應力作用下煤體的滲流規律，運用CGMS煤層瓦斯氣液相對滲透率測試系統準三軸滲透儀及恒溫系統，以山西省沁水煤田陽泉固莊煤礦的煤樣為例，進行了如下內容的實驗研究：①煤樣在相同孔隙壓力不同體積應力下煤樣的滲透率變化；②相同軸壓和圍壓下不同溫度下煤樣的滲透率變化。實驗結果表明，當孔隙壓力不變時，煤體滲透率隨體積應力增加呈負指數規律變小；當體積應力不變時，煤體滲透率隨著溫度的增加而增加。
關鍵詞：煤體；滲流規律；三軸；體積應力；溫度；滲透率；瓦斯突出；孔隙壓力；實驗室試驗
    煤的滲透性研究對于研究瓦斯在煤層中的運移非常重要[1～8]，煤礦開采中的各種瓦斯動力現象如煤與瓦斯突出、煤層氣開采過程、瓦斯抽放等均與煤層的滲透性有關。我國煤層的滲透率一般為0.1～10mD，僅個別礦井測試數據達數十毫達西。與常規天然氣在巖層孔隙內呈游離態的賦存狀態不同，煤層瓦斯在煤層裂縫系統中是游離狀態，在孔隙和裂隙表面則以吸附狀態存在且90%以上都被吸附在煤基質塊中。當煤層溫度升高時，部分吸附瓦斯要解吸出來，變為游離瓦斯，而溫度降低時，部分游離瓦斯變為吸附瓦斯，煤層瓦斯的這種吸附解吸特性對煤層滲透性能有重要影響。另外，在煤礦生產過程中，因采動影響，煤層應力重新分布，形成應力降低區、集中區和原始區，應力的降低和集中使部分煤體伸張和壓縮變形，煤的滲透性發生變化，從而影響瓦斯的流動。因此，筆者實驗研究了應力和溫度影響下煤體的滲流規律，以期為煤礦瓦斯突出機理、瓦斯抽放的設計和優化提供一定的理論參考。
1 煤樣的制取及實驗方案步驟
1.1 實驗系統
   實驗系統為CGMS煤層瓦斯氣液相對滲透率測試系統準三軸滲透儀及恒溫系統。CGMS煤層瓦斯氣液相對滲透率測試系統主要包括6個子系統：物理模擬系統、流程管匯系統、環壓系統、計量系統、數據自動采集控制系統、實驗數據處理系統。相應的系統實物圖、示意圖及結構圖如圖1～3所示。
 

1.2 煤樣的制取
    實驗煤樣取自陽泉固莊煤礦，其煤層位于山西沁水煤田。在井下人工采集未受擾動的典型地質單元的煤體，運到地面后進行蠟封、裝箱，在煤炭科學研究總院加工成Φ50×100mm的試件(圖4)。
 

1.3 買驗方案及步驟
1.3.1實驗內容。
    ① 利用準三軸實驗研究煤樣在相同孔隙壓力不同體積應力下煤樣的滲透率變化；②研究相同軸壓和圍壓下不同溫度下煤樣的滲透率變化。
    考慮到甲烷的危險性，加之CO2在煤樣中也具有吸附特性，比甲烷的吸附能力略強，表現出的吸附特性與甲烷相似。因此本實驗氣體采用CO2代替。
1.3.2實驗步驟
    ① 將煤樣加工成Φ50×100mm規格的標準煤試樣；②將制好的煤樣置于真空干燥箱內，加熱到50℃時恒溫24h，再冷卻至室溫后取出密封備用；③將煤樣放入三軸滲透儀內，連接好管路；④先對煤樣施加軸壓至設定值，然后施加圍壓和孔隙壓力，要保證孔隙壓力小于圍壓，防止試件內的氣體由于較大孔隙壓力而溢出；⑤當氣體排出速度穩定后，分別測定進口壓力，瓦斯滲流量等，計算煤樣滲透率；⑥施加下一級軸壓和圍壓并測定滲透率；⑦在上述實驗步驟完畢后，重復步驟①～③，同時打開恒溫系統；⑧測定不同溫度下煤樣的滲透率。
2 實驗結果及分析
2.1 計算公式
對于瓦斯在煤體里的流動，一般研究認為其服從達西定律，即
 
    根據式(1)可得煤體的滲透率計算公式，即
 
式中：K為滲透率，mD；p0為測量點的大氣壓力，MPa；Q0為滲流量，cm3/s；μ為氣體黏性系數，mPa·s；L為試樣長度，cm；p1為進口的氣體壓力，MPa；p2為出口的氣體壓力，MPa；A為試樣橫截面積，cm2。在滲透率計算中參數取值如下：L=10cm；A=19.635cm2；p0=p2=0.1MPa。
2.2 體積應力與煤體滲透率的關系
    體積應力是軸壓加上2個側壓之和[9]。圖5為不同煤樣、不同氣體進口壓力(p1)煤體滲透率與體積應力的變化關系圖，從中可以看出煤體滲透率隨體積應力的增加呈負指數規律衰減。這是因為煤體作為巖石的一種，煤中氣體的滲流主要受孔隙和各種裂隙控制，基質中的孔隙主要是儲氣空間，其滲透率很低，氣體在其中主要通過擴散運移到割理、裂隙中。煤體在體積應力的作用下，裂隙有閉合的趨勢，從而導致孔隙減小，氣體擴散速度減慢，滲透率也隨之降低。
2.3 溫度與煤體滲透率的關系
    圖6為同一體積應力和氣體進口壓力時煤體滲透率與溫度的變化關系。從圖6可看出，隨著溫度的升高，煤體氣體的滲透率升高。這是因為溫度升高，氣體分子活性和內能增大，部分吸附氣體解吸，煤中吸附氣體量尤其是對吸附膨脹變形起主要作用的吸附氣體量減小，引起吸附膨脹變形減小，滲流通道增大，氣體分子的擴散加速，從而使煤體氣體的滲透率隨之升高。

3 結論
    1) 實驗研究了體積應力變化情況下煤體的滲流規律。結果表明，煤體滲透率隨體積應力的增加呈負指數規律衰減。
   2) 實驗研究了溫度變化情況下煤體的滲流規律。結果表明，隨著溫度的升高，煤體瓦斯的滲透率升高。
參考文獻
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(本文作者：李祥春1，2，3 聶百勝1，2 劉芳彬4 周春山5 1.中國礦業大學資源與安全工程學院；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室；3.新疆工業高等專科學校；4.煤炭工業規劃設計研究院 5.太原理工大學礦業工程學院)