瓦斯隧道中煤的滲透性研究

張 鵬，岳廣義，梁衛(wèi)國

（太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

瓦斯隧道中煤的滲透性研究

張 鵬，岳廣義，梁衛(wèi)國

（太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

煤的滲透率是反應(yīng)煤體中氣、水等流體的滲透性的重要參數(shù)，決定著煤體中瓦斯等氣體產(chǎn)出量大小及產(chǎn)出的速度。煤的滲透率除受自身裂隙程度影響外，還受外部因素（如有效應(yīng)力、Klinkenberg效應(yīng)、基質(zhì)收縮效應(yīng)等）的影響，其中煤體自身裂隙系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用。本文以山西省臨吉高速松卜嶺隧道穿過的煤層為試驗(yàn)煤樣，分析研究了煤的滲透率與體積應(yīng)力和滲透壓力的變化規(guī)律，為隧道的開挖、瓦斯監(jiān)控、通風(fēng)量大小等現(xiàn)場(chǎng)施工工作提供指導(dǎo)，并為以后注入二氧化碳?xì)怏w驅(qū)替煤層甲烷的研究工作提供理論參考。

瓦斯隧道；滲透率；體積應(yīng)力；滲透壓

1 概述

近年來，煤礦開采和隧道開挖中，瓦斯爆炸事故較多，造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，煤的滲透性是引發(fā)事故的重要因素。關(guān)于瓦斯?jié)B透這方面，國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究。前人研究成果中，試驗(yàn)煤樣大多是型煤或小尺度的煤樣，不能準(zhǔn)確反應(yīng)煤層實(shí)際賦存狀態(tài)。鑒于大煤樣包含更多的煤體內(nèi)部信息，能更真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況，故本研究采用100mm×100mm×200mm的大煤樣。

山西省臨吉高速松卜嶺隧道，左右線長(zhǎng)度為2404 m和2396 m，隧道90%區(qū)段伴隨煤層及采空區(qū)，先后兩次穿越煤層及采空區(qū)，受煤層及采空區(qū)影響較復(fù)雜。為了隧道施工安全穩(wěn)定、避免隧道開挖中穿越煤層或打眼放炮時(shí)煤層瓦斯突出甚至爆炸事故的發(fā)生，故對(duì)隧道穿越煤層研究了媒體對(duì)甲烷氣體的滲透特性。通過研究此處煤層甲烷等氣體滲透率的大小及其隨體積應(yīng)力的變化規(guī)律，為隧道的開挖、瓦斯監(jiān)控、通風(fēng)量大小等現(xiàn)場(chǎng)施工工作提供指導(dǎo)，并為以后注入二氧化碳?xì)怏w驅(qū)替煤層甲烷的研究工作提供理論參考。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件加工以及試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)是現(xiàn)場(chǎng)取樣后在太原理工大學(xué)采礦工藝研究所的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)裝置是用太原理工大學(xué)自行研制的剛性三軸滲透儀，見圖1。試件所受軸壓由手動(dòng)油泵施加，圍壓由手動(dòng)水泵通過氣水瓶施加，瓦斯氣體從高壓瓦斯氣瓶通過反應(yīng)釜底部的注氣口注入煤體試件的空裂隙中，相應(yīng)部位裝有壓力表、可讀取軸壓圍壓滲透壓力的大小，出氣口采用排水集氣法、測(cè)量排出氣體體積的大小。試驗(yàn)之前嚴(yán)格檢查試驗(yàn)裝置的氣密性，以保證試驗(yàn)準(zhǔn)確。煤樣取自臨吉高速松卜嶺隧道10號(hào)煤層，煤階屬于焦煤，加工成100 mm×100mm×200mm的大煤樣。試件高度方向沿煤層的層理方向，沿試件高度方向?qū)⒃嚰?個(gè)側(cè)面做蠟封處理，以保證滲透試驗(yàn)中氣體流動(dòng)、沿試件高度方向（煤層的層理方向）由下向上進(jìn)行。本次試驗(yàn)共加工了兩塊煤樣，標(biāo)記為1號(hào)和2號(hào)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

將成品煤樣放在試驗(yàn)用的反應(yīng)釜中，然后檢查試驗(yàn)裝置的氣密性，要在裝置氣密性完好的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。先略加軸壓，再逐步由低到高把軸壓和圍壓加到試驗(yàn)的設(shè)定值，加壓過程中始終保持軸壓大于圍壓。關(guān)閉反應(yīng)釜出氣口，打開進(jìn)氣口，向煤體充入甲烷氣體，滲透壓要低于圍壓，以免氣體從煤的側(cè)面滲透。在恒壓下，向煤體中注入氣體達(dá)到飽和，以免吸附影響滲透率的大小。打開出氣口，采用排水取氣法測(cè)量滲透出的氣體體積，試驗(yàn)過程中使用手動(dòng)水泵保持滲透壓的恒定，待氣體流量穩(wěn)定后記錄排出1000 ml體積的水所用的時(shí)間，計(jì)算出這組壓力條件下氣體的滲透率。然后將軸壓、圍壓、滲透壓分別調(diào)節(jié)到試驗(yàn)的設(shè)定條件，依次測(cè)量出氣體在不同壓力條件下的滲透率。

3 試驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)據(jù)處理

3.1 煤滲透率的理論基礎(chǔ)

按照達(dá)西定律(Darcy’s law)[1]：

得到煤樣瓦斯?jié)B透率計(jì)算公式:

式中:k為氣體的滲透率，cm2；Q為氣體流量(cm3/s)；μ為氣體的動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa·s；氮?dú)獾膭?dòng)力粘度是0.176×10-4Pa·s；二氧化碳的動(dòng)力粘度是0.148×10-4Pa·s；甲烷的動(dòng)力粘度系數(shù)是1.087×10-5Pa·s；L為試件高度，cm；ΔP為進(jìn)氣口的壓力即滲透壓，MPa；A為試件截面積，cm2。

3.2 三軸應(yīng)力作用下的煤樣滲透規(guī)律

按照式2，將1號(hào)樣煤對(duì)甲烷進(jìn)行滲透性試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。圖3和圖4分別是滲透率隨體積應(yīng)力和滲透壓力的變化曲線。

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出一號(hào)煤樣在不同滲透壓力條件下甲烷滲透率隨體積應(yīng)力的變化曲線，見圖2。從圖看出，當(dāng)甲烷氣體的滲透壓力不變或在很小范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著煤樣所受體積應(yīng)力的逐漸增加，煤樣對(duì)瓦斯?jié)B透率呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。從煤本身的結(jié)構(gòu)分析，煤是一種由固體骨架、基質(zhì)孔隙、裂隙孔隙組成的雙重多孔介質(zhì)，它自身含有豐富的孔裂隙系統(tǒng)，這是影響煤體滲透特性的主要因素[2]。當(dāng)煤樣所受的壓力逐級(jí)增加時(shí)，煤樣的壓實(shí)程度越來越大，孔隙和裂隙被壓縮，有效孔隙及瓦斯?jié)B流通道越來越小，甲烷通過煤體的能力逐漸減弱，導(dǎo)致煤體對(duì)甲烷的滲透性逐漸減小。相反，隨著煤樣所受體積應(yīng)力的減小，煤體對(duì)甲烷氣體的滲透率會(huì)升高。所以工程實(shí)際中煤層大面積卸壓以后，此時(shí)的應(yīng)力會(huì)急劇下降，煤層中氣體滲透率相應(yīng)增加，煤層中所含瓦斯等易燃易爆氣體短時(shí)間內(nèi)大量涌出，很可能造成重大的瓦斯爆炸事故。所以高瓦斯隧道或者井下采煤工作面放炮之前應(yīng)該事先采取相應(yīng)措施，以保證工作安全。

表1 三軸壓力下煤體對(duì)甲烷的滲透率

圖3為一號(hào)煤樣在不同體積應(yīng)力水平下甲烷滲透率隨滲透壓力的變化曲線，當(dāng)體積應(yīng)力一定時(shí)，隨著滲透壓力的逐漸增加，煤體甲烷滲透性逐漸減小。原因在于：當(dāng)體積應(yīng)力一定時(shí)，隨著滲透壓力的升高，煤體骨架產(chǎn)生的內(nèi)向吸附膨脹變形增大，使有效孔隙和滲流通道縮小，滲透率降低。再者，由于滲透壓力逐漸增加，煤樣吸附甲烷量越來越多，導(dǎo)致構(gòu)成滲透通道的有效孔隙截面減小，也會(huì)使?jié)B透率下降。這一結(jié)論正好符合孫培德[4]三軸應(yīng)力作用下煤滲透率變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論，當(dāng)孔隙壓力與體積應(yīng)力的比值很小時(shí),滲透率隨孔隙壓力增大而變小。也即Klinbenberg效應(yīng)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在低瓦斯壓力條件下煤的滲透率先是隨著瓦斯壓力的增加而逐漸降低；當(dāng)瓦斯壓力達(dá)到一定程度后，滲透率才隨著瓦斯壓力的增加而逐漸升高。

3.3 甲烷氣體強(qiáng)注吸附前后 煤體滲透性的變化規(guī)律

首先對(duì)二號(hào)煤樣進(jìn)行了氮?dú)獾臐B透性試驗(yàn)，然后關(guān)閉試驗(yàn)裝置的出氣口，向煤體內(nèi)連續(xù)注入24 h的甲烷氣體，打開裝置出氣口釋放掉游離的瓦斯氣體，最后再對(duì)煤樣做氮?dú)獾臐B透性試驗(yàn)，以便觀察注入甲烷氣體前后煤樣的滲透性變化。從試件所受的有效應(yīng)力和孔隙壓力兩方面分析煤樣滲透率變化的原因，以便在工程實(shí)際或理論研究方面有所應(yīng)用。表2是對(duì)二號(hào)煤樣進(jìn)行甲烷氣體強(qiáng)注吸附前后、煤體對(duì)氮?dú)獾臐B透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4和圖5分別是吸附瓦斯氣體前后、煤體滲透率隨體積應(yīng)力和滲透壓力的變化曲線。

圖2 不同滲透壓力條件下甲烷滲透率隨體積應(yīng)力的變化

圖3 不同體積應(yīng)力條件下甲烷滲透率隨滲透壓的變化

表2 吸附甲烷前后的煤體滲透率

煤體滲透率會(huì)受很多因素影響，例如外界環(huán)境的溫度等等，但是主要是由煤體本身所受的有效應(yīng)力和煤體內(nèi)的孔隙決定。有效應(yīng)力即體積應(yīng)力的分量，由其承受的軸壓和圍壓決定。孔隙壓力是因?yàn)闅怏w通過煤體內(nèi)部的孔裂隙時(shí)帶壓氣體給煤體傳遞的壓力，即本次試驗(yàn)中氣體的滲透壓力。圖5曲線中滲透壓力為1 MPa，體積應(yīng)力從6 MPa、6.5 MPa、7 MPa、8 MPa逐漸增大，體積應(yīng)力是滲透壓的6倍到8倍（相比滲透壓很大），在孔隙壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有效應(yīng)力的情況下，孔隙壓力對(duì)煤體固體骨架的變形及煤體內(nèi)部孔裂隙的張開度影響不大，滲透率主要由體積應(yīng)力決定，隨著體積應(yīng)力的增大，煤體內(nèi)部孔裂隙和氣體通道逐漸壓實(shí)甚至閉合，滲透率逐漸減小。當(dāng)往煤體內(nèi)注入甲烷氣體以后，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，在相同的體積應(yīng)力和滲透壓力條件下，煤體的滲透率增加平均0.12MPa左右，究其原因，當(dāng)煤體吸附足夠多的甲烷氣體直到飽和的狀態(tài)下，煤體內(nèi)的孔隙壓力比吸附氣體之前是增大的，孔隙壓力對(duì)煤體所受總應(yīng)力的作用比之體積應(yīng)力的作用開始顯現(xiàn)，從煤體結(jié)構(gòu)上說就是在孔隙壓力作用下煤體內(nèi)部的孔裂隙張開度逐漸增大，滲流通道逐漸打開貫通，因此吸附甲烷氣體之后煤體的滲透率增大。

圖4 煤體滲透率隨體積應(yīng)力的變化曲線

圖5 煤體滲透率隨滲透壓力的變化曲線

4 結(jié)論

（1）本次試驗(yàn)對(duì)臨吉高速松卜嶺瓦斯隧道10號(hào)煤層100mm×100mm×200mm的大煤樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室的滲透性研究試驗(yàn)，從體積應(yīng)力和滲透壓力兩方面分析了煤樣滲透率的變化規(guī)律。（2）在三軸應(yīng)力作用下，當(dāng)氣體的滲透壓力一定時(shí)，隨著煤體所受體積應(yīng)力的增大，滲透率逐漸減小；當(dāng)煤樣所受的體積應(yīng)力一定時(shí)，煤樣滲透率呈現(xiàn)出隨滲透壓力的增大逐漸減小的規(guī)律，剛好印證了Klinkenberg效應(yīng)。（3）對(duì)煤樣注入甲烷氣體使其對(duì)甲烷的吸附達(dá)到飽和以后，同等試驗(yàn)條件下煤體滲透率增大。

[1]趙陽升.礦山巖石流體力學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社.1994：52-67.

[2]周世寧，林柏泉.煤礦瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治理論及控制技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2007.

On Coal Permeability in Gas Tunnel

ZHANG Peng,YUE Guang-yi,LIANG Wei-guo
(Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

Permeability rate of coal is an important parameter reflecting the permeability of gas and water in coal and it determines yield volume and velocity of gases.Besides the influence from self-fissure degree,the coal permeability is also affected by other exterior facts including effective stress,Klingenberg Effect,and matrix shrinking effect.Self-fissure system plays a key role.Taking as a sample the seam through which Songbuling Express Tunnel passes,Linji Shanxi,the article studies the changing regularity of permeability,volume stress and osmotic pressure in order to provide field guidance for tunnel digging as well as gas and ventilation monitoring.The study can offer theoretic reference for methane release by carbon dioxide injection.

gas tunnel;permeability;volume stress;osmotic pressure

TD712+.54

A

1672-5050（2012）02-0051-04

2011-11-01

張 鵬（1987—），男，山西晉城人，在讀碩士研究生，從事煤礦開采等研究工作。

徐樹文