煤體吸附過程中的變形－滲透特性試驗研究?

池佃益趙 東王 毅

(1.唐山開灤趙各莊礦業有限公司,河北省唐山市,063102; 2.太原理工大學,山西省太原市,030024)

★煤礦安全★

煤體吸附過程中的變形－滲透特性試驗研究?

池佃益1趙 東2王 毅2

(1.唐山開灤趙各莊礦業有限公司,河北省唐山市,063102; 2.太原理工大學,山西省太原市,030024)

采用自主研制的煤巖三軸變形—滲透試驗臺,針對取自山西沁水煤田3＃煤層的試驗煤樣進行煤體吸附過程中的應力應變和滲透特性試驗研究。結果表明:自由狀態和外部壓力加載狀態下,煤體的變形均隨吸附瓦斯壓力的增加而分階段地逐漸增加,直至較高壓力時變形趨于平衡;煤體變形量隨吸附量的增加而有規律地增加,表現為開始階段增長趨勢較慢,后期變化較快;在同等的瓦斯吸附壓力狀態下,吸附量及其對應的煤體滲透率隨軸壓和圍壓的上升而逐漸下降,下降規律接近線性;在相同的軸壓和圍壓的組合下,吸附瓦斯的煤體滲透率隨瓦斯壓力的增加而逐漸增加,規律是線性的。

變形—滲透 應力應變 滲透特性 吸附量 變形量 吸附壓力 煤體滲透率

我國70%以上的煤層為低滲透性煤層,這為煤層氣的高效和安全開采帶來了極大的困難。目前已經采取了諸如水力沖孔、水力壓裂、高壓水力割縫、松動爆破和交叉鉆孔等技術措施,但是并沒有從根本上有效地解決低滲透帶來的一系列問題,且費用較大。煤層中,煤層氣在裂縫系統中以游離狀態存在;在孔隙和裂隙表面則主要以吸附狀態存在,且90%以上的煤層氣都被吸附在煤體孔隙中。瓦斯在吸附和解吸的同時,煤體會發生相應的膨脹和收縮,并且吸附態的瓦斯在一定程度上會影響煤體本身的滲透特性。

國內外有關學者進行了煤體變形或滲透特性方面的研究,李玉濤等在自主研究的巖石力學試驗系統上進行了煤的單軸壓縮、三軸壓縮及孔隙水作用下全應力應變試驗及聲發射檢測;姜波等通過對不同溫度、壓力試驗條件下的不同煤級煤的應力—應變曲線的特征分析,深入探討了不同煤化程度煤的變形行為,論述了溫度和壓力是影響煤變形的重要因素;楊永杰等利用MTS815.03電液伺服巖石力學試驗系統和S250Mk3掃描電鏡對三種煤巖性能及形貌進行分析觀察,采用損傷力學分析方法對煤巖強度和變形特征的微細觀機理進行了研究;張志剛利用自行研制的出入口壓差可調煤巖滲透試驗系統測定了在不同壓差和氣體介質條件下,不同吸附性能煤樣的滲透性,對含瓦斯煤體的滲透規律進行了研究。以上研究針對煤吸附過程中的變形或滲透特性進行了相關試驗,但現實中更需要將兩種因素共同研究,闡明吸附過程中的變形和滲透規律。

由于煤體在吸附過程中,會伴隨著煤基質的變形以及滲透特性的變化,因此,本文設計了一系列的試驗,用以說明煤體在吸附過程中,煤體的變形與滲透特性的變化規律。

1 試驗研究

1.1 試驗介紹

試驗設備采用自主研制的煤巖三軸變形—滲透試驗臺,它是由煤樣放置裝置、三軸應力加載裝置、應力應變測試裝置和孔隙壓力加載裝置組成。試驗樣品取自山西沁水煤田3＃煤層,現場取樣后就地進行蠟封,以免試樣在運輸過程中發生氧化等反應,試樣運抵實驗室后,采用精細切磨加工的方式加工成100 mm×100 mm×200 mm的長方體標準試件,對于破裂處采用充填石膏的方式加以成型,以免在加壓過程中出現壓力泄漏的現象。

加壓方式采取軸壓加圍壓相交替的加壓方式來產生所要求的三向壓力或者是自然狀態下的煤體。對于自然狀態下,煤體在吸附瓦斯后變形量的研究,可以通過在煤體表面粘貼應變片的方式加以判定;對于三向壓力下的煤體變形量測定,可以在恒定壓力的狀態下,通過對外部加壓裝置加裝應變片的方式來測定。

應力應變測試裝置采用精確的應變測定儀加粘貼在煤體或裝置外表面的應變片來測定煤體的實際變形量隨吸附瓦斯量的增加而變化的情況。并通過與自然狀態下煤體在吸附瓦斯后的變形試驗來對比說明煤體在吸附瓦斯后表面的變形特征。

孔隙壓力加載裝置采用上部進氣、下部排氣的方式,上部進氣時,煤樣在吸附瓦斯的同時由煤樣下部排出瓦斯氣體,等壓力平衡后,可以通過排出的氣體量與注入的氣體量之差來計算煤體實際的吸附瓦斯量,集氣裝置采用排水集氣的方式,收集氣體的量具精度至10 ml,滿足試驗要求。試驗原理如圖1所示。

圖1 實驗原理圖

1.2 試驗過程

變形試驗過程:第一階段是三向壓力下變形量隨吸附量的變化試驗,是待煤樣加工成型后,用專用圍壓橡膠套包裹后放置于試驗臺內,煤體在自由狀態下分別依次逐漸加載軸壓和圍壓,軸壓和圍壓均按0.1 MPa的梯度進行加載,通過軸壓和圍壓的交替增加以及壓力的保持,模擬出實際地層煤體的三向受壓狀態,隨著吸附瓦斯量的不斷增加,煤體會逐漸產生形變,直至吸附瓦斯達到飽和;第二階段是自由狀態下的煤體表面變形量隨吸附瓦斯量的變化試驗,是將煤樣表面粘貼應變片后放置在氣密性良好的密閉容器中,通過向裝置內注入瓦斯(定量分階段注氣)來得出不同瓦斯吸附量下的煤體變形量。通過試驗結果最終能夠模擬出實際地層條件下,煤體的變形量與吸附瓦斯量之間的關系。

滲透試驗過程:煤體在自由狀態下分別按順序加載軸壓和圍壓,軸壓和圍壓的加載分階段按次序循環加載,以防止壓力加載過快造成試樣破壞,軸壓按1.0 MPa的梯度進行加載,圍壓按0.5 MPa的梯度進行加載,通過軸壓與圍壓的不同組合,模擬出許多的實際情況分析模型,在每一種加載壓力下,待瓦斯吸附平衡后,計算此時的滲透率和瓦斯吸附量,最終能夠模擬出實際煤層條件下,不同狀態下的瓦斯滲透率與瓦斯賦存之間的關系。

2 試驗結果

2.1 變形試驗結果

2.1.1 不同狀態下吸附量隨吸附瓦斯壓力的變化

不同狀態下吸咐量隨吸附壓力的變化如圖2所示。選擇這兩種軸壓和圍壓是為了體現出不同的三軸應力狀態下,吸附量隨吸附壓力的變化,差別正是體現了不同外部壓力對煤體吸附性的影響,相同的軸壓和圍壓反映了靜水壓力下的煤體狀態。由于該類試驗耗時較長,試樣加工較困難,一次試驗能夠反映該狀態下煤體的吸附狀態,故每種條件下只進行一次試驗。軸壓和圍壓的選擇是參照煤層地應力來選擇的,5 MPa代表200 m埋深的煤層, 10 MPa代表400 m埋深的煤層。由圖2可以看出,煤體的吸附量隨吸附壓力的增加逐漸增加,趨勢是先快速增加然后增加緩慢,最后當壓力趨于某一值時達到穩定。相同吸附壓力下,自由狀態的吸附量最多,軸壓和圍壓最大時,吸附量最小。

圖2 不同狀態下吸咐量隨吸附壓力的變化

由此可得,當煤體外部存在壓力約束時,煤體中的孔隙裂隙會發生閉合,繼而在一定程度上降低煤的有效孔容,使得煤體的吸附能力降低。

2.1.2 不同狀態下變形量隨吸附瓦斯壓力的變化

不同狀態下煤體變形量隨吸附瓦斯壓力的變化如圖3所示,煤體的變形量隨吸附壓力的增加呈現階段性的增加,第一個增加階段是吸附壓力1.5 MPa以內,之后至2.0 MPa趨于穩定;第二個增加階段出現在2.0～3.0 MPa,但不同狀態表現不同;第三個增加階段出現在3.5～4.5 MPa,同樣不同狀態表現不同;但共同點是有外部壓力存在前提下的趨勢相似。

圖3 不同狀態下煤體變形量隨吸附瓦斯壓力的變化

煤體在無外部壓力約束時,產生形變的能力最大,同等吸附壓力下的變形最大。存在外部壓力時,預先對煤體產生了一定的形變約束,這種約束限制了煤體的自由膨脹,使得同等條件下,形變能力降低。隨著外部壓力的增加,這種約束或限制作用越大,煤體的形變也就越小。

2.1.3 變形量與吸附量之間的關系

不同狀態下煤體變形量隨吸附量的變化如圖4所示,煤體的變形量隨吸附量的變化呈現先勻速增加,然后到達某一數值時突然增加,在吸附量小于10 L時,增長速率較低,超過該值時,迅速增加,這說明煤體變形量與吸附量的關系,存在一個變化閾值,低于此值,增長緩慢,而一旦高于此值,呈現快速增長。

圖4 不同狀態下煤體變形量隨吸附量的變化

說明煤體對瓦斯的吸附隨吸附壓力的增加作用于煤體中的機制會發生變化。吸附壓力較低時,瓦斯在煤中的主要賦存方式是充填煤體的孔隙。隨著吸附壓力的增加,煤中孔隙的瓦斯會逐漸趨于飽和。在這種情況下,瓦斯壓力的繼續增加,會使得煤體需要多余的空間來貯存瓦斯,也就產生了煤體的膨脹變形。所以煤體膨脹的根源是吸附態瓦斯在煤中賦存的結果。

2.2 滲透試驗結果

2.2.1 同等吸附壓力下吸附量隨體積應力的變化

為了更加形象具體地描述外部壓力作用對煤體吸附性的影響,引入了體積應力的概念,就是指煤體所承受的軸向壓力與徑向壓力之和(體積應力,即煤體3個方向的應力總和)等于軸壓和兩個垂直方向的圍壓之和。同等吸附壓力下吸附量隨體積應力的變化如圖5所示,圖中顯示在各自吸附壓力下,吸附量均隨體積應力的增加而逐漸下降。由圖5可以得出,隨著體積應力的增加,煤體發生一定量的收縮變形,使得吸附瓦斯的孔隙體積有所減小,從而導致吸附量的下降;隨著吸附壓力的增加,抵抗外界壓力產生的形變能力會越強,也就是在同等條件下吸附量越多。

圖5 同等吸附壓力下吸附量隨體積應力的變化

2.2.2 同等吸附壓力下滲透率隨體積應力的變化

同等吸附壓力下滲透率隨體積應力的變化如圖6所示,圖中在各自吸附壓力下,滲透率隨體積應力的增加逐漸降低。由于體積應力的逐漸增加,煤體的孔隙發生收縮變形的程度會越高,也就導致用于滲透的孔隙數量或體積逐漸減少,使得煤體的滲透率下降。

圖6 同等吸附壓力下滲透率隨體積應力的變化

說明煤體滲透的關鍵在于煤中孔隙裂隙的發育程度,良好的孔裂隙發育可以有效促進煤體的滲透性,所以本試驗也說明,提高煤層滲透率的關鍵是增加煤體本身的孔隙發育程度。

2.2.3 相同軸壓和圍壓下吸附量隨瓦斯壓力的變化

相同軸壓和圍壓下吸附量隨瓦斯壓力的變化如圖7所示,在同等的軸壓與圍壓條件下,吸附量隨瓦斯壓力的增加逐漸增加,呈現出非常良好的線性關系。說明同等的外部壓力環境下,吸附量只與吸附瓦斯的氣體壓力有關。較高的吸附壓力說明煤中賦存的瓦斯越多,此時煤貯存瓦斯的能力越強。

圖7 相同軸壓和圍壓下吸附量隨瓦斯壓力的變化

3 結論

(1)自由狀態和外部壓力加載狀態下,煤體的變形均隨吸附瓦斯壓力的增加而分階段地逐漸增加,直至較高壓力時變形趨于平衡;煤體變形量隨吸附量的增加而有規律地增加,表現為開始階段增長趨勢較慢,后期變化較快。

(2)在同等的瓦斯吸附壓力狀態下,吸附量及其對應的煤體滲透率隨軸壓和圍壓的上升而逐漸下降,下降規律接近線性。

(3)在相同的軸壓和圍壓的組合下,吸附瓦斯的煤體滲透率隨瓦斯壓力的增加而逐漸增加,增長規律呈現線性。

[1] 趙東,馮增朝,趙陽升.煤層瓦斯解吸影響因素的試驗研究[J].煤炭科學技術,2010(5)

[2] 趙陽升.礦山巖石流體力學[M].北京:煤炭工業出版社,1994

[3] 李玉濤,楊永杰,楊圣奇.三軸及孔隙水作用下煤的變形和聲發射特性[J].北京科技大學學報, 2011(6)

[4] 姜波,秦勇,金法禮.煤變形的高溫高壓實驗研究[J].煤炭學報,1997(1)

[5] 楊永杰,王德超,王凱.煤巖強度及變形特征的微細觀損傷機理[J].北京科技大學學報,2011(6)

[6] 張志剛.含瓦斯煤體滲透規律的實驗研究[J].煤礦開采,2011(5)

[7] 閆凱,趙東.水分對煤吸附瓦斯特性影響及微觀機理實驗研究[J].中國煤炭,2013(3)

Experimental study on the characteristics of deformation and permeation during coal-bed methane adsorption

Chi Dianyi1,Zhao Dong2,Wang Yi2
(1.Zhaogezhuang Mining Co.,Ltd.,Kailuan Group,Tangshan,Hebei 063102,China; 2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

Coal triaxial deformation-permeation experimental system developed independently had been implied to research the stress-strain and permeability characteristics of coal sample in process of coal-bed methane adsorption,and the coal sample was taken from No.3 coal seam of Qinshui coalfield in Shanxi Province.The results showed that in a state of free or external pressure loading,coal transformation increased gradually by stages following the increase of absorbed gas pressure,the transformation tended to balance until the pressure became higher.Coal deformation increased regularly following the increase of adsorbing capacity,it had slower growth trend in incipient stage and faster in later stage.Under the same absorbed gas pressure,coal adsorbing capacity and permeability decreased gradually following the increase of axle load and confining pressure,and the decline law was close to linear;if the axle load and confining pressure were invariable,the permeability of coal increased regularly following the increase of gas pressure,and the law was linear.

deformation and permeation,stress and strain,permeability characteristics,adsorbing capacity,deformation,adsorption pressure,coal permeability

TD712.52

A

池佃益(1972－),男,山西天鎮人,工學學士,煤礦通風與安全工程師,主要從事礦井一通三防方面的技術管理工作。

(責任編輯 張艷華)

國家自然科學基金(21373146, 51304142),山西省基礎研究計劃項目(2013011009－1, 2013021029－3),山西省高等學校創新人才支持計劃(2014)