煤層透氣性系數測定方法優化★

宋　譯　蔡　璐　譚正華

(1．湖南科技大學能源與安全工程學院，湖南湘潭　411201; 2．湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南湘潭　411201;3．湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭　411105)

?

煤層透氣性系數測定方法優化★

宋譯1，2蔡璐1譚正華3

(1．湖南科技大學能源與安全工程學院，湖南湘潭411201; 2．湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201;3．湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭411105)

摘要:針對實驗室測定傳統煤樣透氣性系數方法上存在的問題，優化設計了一種不規則塊狀原煤試件滲透試驗裝置，通過實驗，分析了其測定煤層透氣性系數的準確程度，指出改良后的測定方法保證了原煤特有的理化特質，其測定結果的精確度更高。

關鍵詞:煤層，透氣性，實驗裝置，酚醛樹脂

隨著改革開放和國民經濟的快速發展，社會的不斷進步，工業生產對能源的需求量越來越多。在我國一次能源構成中，煤炭依靠其儲量大，易采取等優越性，顯得尤為重要。20世紀90年代至今的大量開采，致使煤炭開采深度不斷增加，煤與瓦斯突出事故也出現多次，在煤礦事故中越發凸顯。與此同時，煤與瓦斯突出事故造成的后果又往往是慘痛的，會造成巨大的財產損失以及人員傷亡。所以，瓦斯的防治與治理已經成為許多高瓦斯礦井安全防治工作的主要對象。在瓦斯防治與治理的方法中，預抽煤層瓦斯是一個重要方法，其瓦斯抽采效果主要評價指標是煤層透氣性系數，同時該指標也是煤層突出危險性的一個重要指標［1，2］。所以，如何準確地測定煤層透氣性系數具有非常重要的意義。目前階段，測定煤層透氣性系數的方法分為現場和實驗室測定。在工程應用中采用的數據要求是通過現場測定才能確定，大多采用徑向鉆孔流量法來進行測定，之所以不采用實驗室方法來測定，主要由于煤層本身是非均質各向異性介質，在目前的實驗室條件下很難模擬井下的實際情況，往往測定出來的結果和現場測定結果相差幾十倍甚至上百倍，另外現場實際測定結果往往也只能反映局部情況，費工費時［3-6］。因此，如何去發現一種實驗室即可準確計算出穩定數值的方法對于煤礦安全生產和降低成本有著重要的意義。本文將對煤層透氣性系數的計算進行理論分析，對現有的實驗室不加圍壓時的煤樣透氣性系數的測定方法進行探討，以期解決其中存在的問題和不足之處，給出科研工作需要的準確優化方法。

1　傳統煤樣透氣性系數的實驗室測定方法及其存在的問題

從需要測定的煤層中隨機撿取若干煤樣，然后在實驗室中將煤樣制成一定規格的試樣，放入與之兩端面相仿的夾具中。為了使煤樣和夾具壁之間密切接觸不漏氣，一般外加一個膠皮套或硅橡膠務使其不漏氣，然后放在特制的儀器中，測定在一定的壓差中，通過煤樣的瓦斯流量。

根據煤樣的幾何尺寸，兩端壓差的大小和流量，利用達西定律計算其透氣性系數。其實驗裝置如圖1所示。

測定方法為:在測定過程中先保持入口壓力Pk和出口壓力Pr不變的情況下，記錄下此進氣壓力情況下煤樣的流量Q。此時煤樣中穩定流動的瓦斯符合達西定律;我們假設煤樣均質，同時實驗過程沒有任何漏氣，則有:

其中，Q為流量計流量，m/d;F為煤樣的截面面積，m;L為煤樣長度，m;Pk為入口壓力即煤層瓦斯壓力，MPa;Pr為出口壓力即大氣壓力，MPa;K為煤樣滲透率，1×10-15m2;λ為透氣性系數，m2/(MPa·d);μ為流過氣體絕對粘度，10-4Pa·s;U為流過煤樣流速，cm/s;j為單位換算系數;Pat為煤樣中的瓦斯壓力，MPa;1 mD=8．4 m2/(MPa·d)=42 m2/(MPa2·d)。

圖1　實驗裝置示意圖

當對同一個煤層的若干煤樣進行測定計算后，取平均值作為該煤層的透氣性系數。

但是用以上實驗方法測定的煤樣透氣性系數與現場測定值誤差較大，結合前人在理論和實驗的研究，分析誤差的出現主要是由于以下幾點原因:1)預測公式是基于達西定律的線性滲透模型，而其又與實際煤層環境有一定差異。2)煤樣中瓦斯流動的通道除了經過煤體本身的微孔隙外，煤層中節理裂隙起著很重要的作用，在實驗室對于軟煤需要打碎后重新壓制成型煤，這就改變了煤原有的裂隙節理。另外，原煤煤樣與型煤煤樣之間變形程度及其峰值強度在數量上也存在很大差異，并不能很好的反映原煤的滲透特性，因此實際情況中煤層的滲透性實驗室無法準確反映。3)在制作煤樣的過程中，煤樣受到外界環境的影響，失去原有的有效應力作用，可能產生新的裂隙或使原有裂隙加大，此外，取樣一般在煤層的暴露面上采集，而在暴露面上的煤都是經過礦山壓力破壞后的煤體，所以其透氣性顯然與原始煤層中有所不同。另外傳統實驗方法對于規則原煤試件的制取還會遇到一些別的問題，例如，試樣夾具很難將其夾持住，保證不從夾具處漏氣，從而影響測定結果;對于強度小、易破碎的煤巖塊體，由于煤巖塊體只受加持力，所受外力不均衡，再加上氣壓的作用，在實驗的過程中隨著氣壓的增大容易受到損傷而破碎，從而影響測定結果。

2　優化設計

針對傳統煤樣透氣性系數實驗室測定方法存在的問題，優化設計主要是設計一種不規則塊狀原煤試件滲透試驗裝置，利用酚醛樹脂將不規則煤塊澆筑成透明、可承受一定壓力的規則試件，可實現原煤滲透試驗，理論上對于測定結果的準確性會有較大的提高，優化后的實驗裝置如圖2所示。

圖2　優化后實驗裝備示意圖

3　實驗分析

根據上述優化設計制備試樣、搭建實驗平臺、采集實驗數據并對其進行計算分析，最后對優化后的設計進行評估。

1)試件制備。采用取自河南義安煤礦11061工作面的軟煤煤樣。該煤層煤樣強度低、脆性大、含水量低，且煤樣有明顯的層狀節理裂隙方向，如表1所示。

表1　試件圖樣表

首先把煤樣加工成若干塊長寬高約為100 mm～150 mm的立方體原煤煤塊，然后用透明樹脂澆筑原煤煤樣形成200 mm× 200 mm×200 mm的原煤包裹體試件，如圖3所示。把在煤塊層狀節理裂隙方向呈水平方向的試件兩個面上鉆φ14 mm孔直至煤樣10 mm深的位置。

圖3　原煤包裹體試件

2)實驗平臺的搭建。考慮到試驗安全性的有關原則，本試驗之中采用的試驗氣體是氮氣，規格為40 L瓶裝高壓氮氣，加裝減壓閥以此來控制出氣壓力，形成了氣壓加載系統;試驗的出氣流量監測，采用的是北京七星華創電子股份有限公司生產的型號為D08-8CM流量積算儀。實驗平臺如圖4所示。

3)實驗內容。進行氮氣滲透試驗，根據現場數據收集得到的相關參數，取樣煤層的瓦斯壓力為0．4 MPa～0．45 MPa，根據現場實際測量的煤層透氣性系數0．781 m2/(MPa·d)。所以，實驗設定滲透氣壓分別為0．4 MPa，待進氣氣壓穩定至預設值后，讀取穩定的流量積算儀讀數。根據滲透率計算公式測得三塊煤樣在0．4 MPa進氣壓力時的滲透率。

其中，K為滲透率，mD;Q0為滲透量，cm3/s;μ為氣體動力粘性系數，其值為1．08×10-5Pa·s;A為試樣的截面面積，cm2;P0為測點大氣壓力，Pa;P1為進口氣體壓力，Pa;P2為出口氣體壓力，Pa。

結合本實驗，可以認為P0=P2為一個標準大氣壓力。

4)測定結果。根據實驗內容測得的三塊煤樣在0．4 MPa進氣壓力時的滲透率，如表2所示。

表2　煤樣的滲透率測定結果

5)結果計算分析。式(1)中μ值由于實驗采用的是N2，實驗溫度為20℃時氮氣的絕對粘度為17．58×10-4Pa·s。

根據現場資料，取樣煤層的瓦斯壓力為0．4 MPa～0．45 MPa，實驗過程中，當進氣壓力為0．4 MPa時，測得的滲透率和20℃時氮氣絕對粘度代入λ=可以得到試件的透氣性系數，得到試件A的透氣性系數為0．926 m2/(MPa·d)、試件B的透氣性系數0．883 m2/(MPa·d)、試件C的透氣性系數0．584 m2/(MPa·d)，取其三個煤樣的平均值0．797 m2/(MPa·d)。

根據現場實際測量的煤層透氣性系數0．781 m2/(MPa·d)，實驗室測量的結果與實際測量的結果僅相差0．016 m2/(MPa·d)，準確度上有了很大的提高。

4　結語

在深入討論現有傳統煤樣透氣性實驗室測定方法的基礎上，針對其進行實驗裝置的改良。新的實驗裝備具備原有方法所不具備的效果:

1)經不飽和酚醛樹脂加工出的試件，能最大程度保持原煤巖塊體的原有裂隙和節理，該方法簡單，加工方法容易操作，且試模可以重復使用，具有很強的實用性。2)因為酚醛樹脂具有很強的抗壓力，可間接給煤巖施加不同方向的應力，方便研究不同應力狀態下原煤的滲透變化規律。3)酚醛樹脂成型后，具有良好的可視性，可以在實驗過程中觀察煤巖的變化。4)實驗裝置從進氣到出氣均緊密連接，在較大的進氣壓力情況下，可以保證不出現漏氣情況，有效的保證了實驗數據的真實準確，也使得測定結果更加真實可靠，穩定性強。5)根據義安礦原煤煤樣進行的實驗，實驗室測量的結果與實際測量的結果僅相差0．016 m2/(MPa·d)，準確度上有了明顯的提高。6)這種透氣性系數測定方法仍舊存在煤樣本身與煤層有差別，同時，沒有考慮模擬地應力的作用，也為今后的研究指明了方向。

參考文獻:

［1］李建敏．煤與瓦斯突出防治技術手冊［M］．徐州:中國礦業大學出版社，2006:80-90．

［2］劉明舉，何學秋．煤層透氣性系數的優化計算方法［J］．煤炭學報，2004，29(1):74-77．

［3］胡殿明，林柏泉．煤層瓦斯賦存規律及防治技術［M］．徐州:中國礦業大學出版社，2006:100-109．

［4］馮增朝．低滲透煤層瓦斯抽放理論與應用研究［D］．太原:太原理工大學，2005．

［5］余楚新，鮮學福，譚學術．煤層瓦斯流動理論及滲流控制方程的研究［J］．重慶大學學報，1989，12(5):1-10．

［6］賈文青，劉寧華．煤層瓦斯壓力的測定及分析［J］．山西煤炭，2011，31(10):22-24．

Optimization of determination method about permeability coefficient of coal seam★

Song Yi1，2Cai Lu1Tan Zhenghua3
(1．School of Energy and Safety Engineerring，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China; 2．Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China; 3．Information Engineering College，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China)

Abstract:According to some problems in the measuring methods of the traditional coal sample permeability coefficient，the paper optimizes the trial permeability test equipment for some irregular coal，analyzes the accuracy of the measurement for the seam permeability coefficient，and points out the improved method can ensure the physiochemical property of the former coal，and indicates the result has higher accuracy．

Key words:coal seam，permeability，experiment equipment，phenolic resin

作者簡介:宋譯(1979-)，女，碩士，講師

收稿日期:2015-10-24★:湖南省自然科學基金資助項目(項目編號:2015JJ4023，14JJ3077);湖南省教育廳項目資助項目(項目編號:13C308，13C917);河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室開放基金(項目編號:WS2013A07);煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室開放基金資助項目(項目編號:201005)

文章編號:1009-6825(2016)01-0068-03

中圖分類號:TD823．2

文獻標識碼:A