2種原煤樣滲透性對比試驗研究*

宮偉東，解學才，梁躍強，崔金雷

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院， 北京 100083)

0　引言

含瓦斯煤體滲透性演化規律對于瓦斯抽放、煤層氣開發、煤與瓦斯突出防治具有重要意義[1]。我國眾多學者對含瓦斯煤體的力學性質、煤樣滲透率與圍壓或孔隙壓力之間的變化關系等進行了系列研究[2-6]。許江等[7]探討了地應力、孔隙壓力、溫度等因素對煤樣滲透率的影響；孫培德[8]擬合出煤樣滲透率隨有效應力和孔隙壓力變化的關系式；尹光志等[9]研究了加載條件下硬煤滲透率與有效應力的關系；魏建平等[10]對比分析了受載含瓦斯型煤與原煤2種煤樣的滲透性之間的異同。由于構造煤原煤煤樣制作困難，前人對構造煤滲透性的認識主要是來自型煤煤樣的研究成果，但型煤與構造煤原煤樣內部的孔裂隙結構存在差異，不能真實的描述構造煤的滲透性變化規律[11]，得出的結論對于構造煤發育礦井安全生產的指導作用不可預知；且之前的研究多是針對圍壓、孔隙壓力及軸壓加載過程對于煤樣滲透性的影響，針對卸壓過程中的研究比較少。基于此，筆者制取了構造煤與硬煤2種原煤樣，使用三軸滲流裝置進行滲透性試驗，分別研究了圍壓、瓦斯壓力對2種煤樣滲透率的影響，并在恒定圍壓及瓦斯壓力條件下，研究了2種煤樣在軸壓加載及卸載過程中的滲透率動態變化規律，為研究構造煤煤樣的滲透性及構造煤發育煤層的瓦斯流動規律提供一種思路。

1　試驗裝置與試驗方法

1.1　2種原煤樣的制作

構造煤煤樣取自登封市國投新登煤礦，構造煤煤樣孔隙率范圍為10%～12%，f值為0.4；硬煤煤樣取自焦作方莊煤礦，硬煤煤樣孔隙率范圍為4%～5%，f值為1.2。2種原煤樣的制作方法相同，構造煤煤樣制取步驟：1)井下取得規則的構造煤大煤塊；2)對構造煤煤塊進行機械加工。

1)井下規則的大煤塊的制取。用手鋸在工作面將煤體鋸成規則正方體，用鐵框(尺寸為220 mm×220 mm×220 mm，如圖1)罩住正方體煤塊，煤塊與鐵框之間的間隙用聚氨酯填充，聚氨酯凝結后用手鋸將煤塊底部鋸斷并帶至地面并蠟封。

2)對構造煤煤塊進行機械加工。用鋼絲鋸將固態聚氨酯鋸通，取下大煤塊；將大煤塊用鋼絲鋸切割成多個規格為45 mm×45 mm×100 mm的長方體煤樣，用鋼絲鋸將長方體煤樣打磨成類圓柱體，并用紗布打磨圓滑，選擇一種合適的填充材料來將類圓柱體補充成標準煤樣。填充材料應滿足：①填充材料凝固基本不發生膨脹，在模具中凝固不能影響到煤樣的原始孔裂隙結構；②凝固后要富有彈性，可以避免在加壓時影響煤樣的受力和煤樣內部的孔隙分布，造成所測滲透率的不準確。在選用了橡膠、聚氨酯、硅酮酸性玻璃膠(下文用玻璃膠簡稱)等材料進行試驗后，玻璃膠滿足上述條件，澆筑制作的煤樣成功率高。

3)加工一個內徑為φ50 mm×130 mm的模具(如圖2)，將類圓柱體煤樣放進模具中，用玻璃膠將煤樣補充成標準煤樣(φ50 mm×100 mm)，每個煤樣玻璃膠用量大概在15 ml，且玻璃膠凝固過程幾乎不發生膨脹，因此對煤樣原始孔裂隙結構影響較小；待玻璃膠凝固后將煤樣推出晾干，將煤樣底部、頂部的膠體打磨干凈，標準的構造煤煤樣制作成功，硬煤煤樣采用同樣的方法制作。

圖2　不銹鋼模具Fig.2　The stainless steel molds

圖3　原煤煤樣Fig.3　Raw coal sample

1.2　試驗裝置

本文所用三軸滲流裝置(如圖4)主要由瓦斯氣體系統、應力加載系統、三軸滲透儀和流量采集分析系統4部分組成。瓦斯氣體系統供給純度為99.999%的瓦斯，并可調節通入瓦斯壓力；應力加載系統是由液壓泵分別給煤樣加載軸壓和圍壓，軸壓范圍為0～100 MPa，軸壓精度為0.1 MPa，圍壓范圍為0～60 MPa，圍壓精度為0.1 MPa；三軸滲透儀是固定煤樣進行試驗的場所；流量采集分析系統是采集試驗系統出口的瓦斯流量，實驗所用流量計型號為CS200-A型流量計，量程為0～500 sccm(sccm表示每分鐘流過的標準毫升)，精度為±0.2%FS。

圖4　三軸瓦斯滲透性試驗裝置示意Fig.4　The schematic diagram of the three-axis gas permeability experimental system device

1.3　試驗步驟

選擇瓦斯壓力分別為0.2 MPa，0.4 MPa，0.6 MPa，圍壓為2 MPa，3 MPa，5 MPa的交叉對比試驗，試驗組合一共有3×3共9組，具體的試驗步驟如下：

1)對試驗裝置進行氣密性檢驗，確保試驗數據的準確性。

2)將煤樣放入橡膠套中，煤樣側面抹上密封膠，以防止氣體從煤樣與橡膠套之間流過，等密封膠晾干以后將橡膠套放入三軸滲透儀中的夾持器上，煤樣兩端用壓頭壓好。連接瓦斯氣罐，按試驗方案對煤樣進行加載圍壓，調節瓦斯壓力，圍壓要大于瓦斯壓力，再次檢測試驗裝置的氣密性，一切正常后使煤樣充分吸附24 h。

3)打開出氣閥，待瓦斯流量流出穩定后，按試驗方案，進行軸壓加載卸載試驗。

2　試驗結果分析

2.1　圍壓對瓦斯滲透性的影響

恒定瓦斯壓力條件下，圍壓對2種原煤樣滲透率的影響結果如圖5所示。

圖5　固定瓦斯壓力下滲透率隨圍壓的變化規律Fig.5　The law of permeability changes over confining pressure with the gas pressure fixed

恒定瓦斯壓力狀態下，2種原煤樣的瓦斯滲透率都隨圍壓的增大而減小。增加圍壓使滲透率減小的原因主要有：(1)增加圍壓將整個煤樣煤體壓密壓實，使其內部原有孔隙裂隙閉合，阻塞了瓦斯流動通道；(2)在圍壓作用下，煤樣被壓實壓密，煤體承受破壞變形能力增大，新的裂隙、孔隙難以形成。

在2～5 MPa圍壓范圍內，2種煤樣的滲透率變化量有一定的差別，構造煤煤樣在圍壓從2 MPa增大到5 MPa的過程中，3種氣體壓力下滲透率分別減小了60%，69%，74%，而硬煤煤樣滲透率減小量分別為31%，54%，65%，說明圍壓增大對構造煤滲透性的影響要大于其對硬煤原煤樣的影響。煤體結構主要由微觀孔隙和骨架結構組成，硬煤及構造煤內部都存在孔隙結構，但硬煤骨架結構強度比構造煤結構大，抵抗外界應力變形能力較構造煤強，這點從下文中圖7破碎試驗中也可以得出，因此圍壓增大導致硬煤煤樣的變形量小于構造煤煤樣，硬煤內部孔隙裂隙等瓦斯流動通道閉合程度小于構造煤煤樣，導致其由圍壓增大引起的滲透率下降量比構造煤煤樣小。

2.2　圍壓恒定瓦斯壓力對瓦斯滲透性的影響

瓦斯壓力對2種原煤樣瓦斯滲透性的對比試驗分析結果如圖6所示。

圖6　固定圍壓下滲透率隨瓦斯壓力的變化規律Fig.6　The law of Permeability changes over gas pressure with the confining pressure fixed

由圖6可以看出，在圍壓固定及0.2～0.6 MPa的瓦斯壓力范圍內，2種原煤樣的滲透率都隨瓦斯壓力的增大而減小，且2種原煤樣滲透率在瓦斯壓力從0.4～0.6 MPa的過程中的減小量在普遍小于0.2～0.4 MPa的減小量，主要是由于Klinkenberg效應所導致，即在本試驗瓦斯壓力范圍內，2種原煤樣瓦斯吸附過程占大部分，煤體吸附瓦斯導致其結構發生膨脹，在圍壓恒定的條件下煤體很難沿徑向向外壁膨脹變形，因此煤體發生向內膨脹，使孔隙裂隙等通道發生一定程度的閉合，導致滲透率下降。而隨瓦斯壓力的繼續增大，當煤體吸附瓦斯達到飽和狀態后，游離瓦斯逐漸增多，Klinkenberg效應減弱，超過一定值時，較大的瓦斯壓力成為控制煤樣滲透率的主導因素，煤樣的滲透率回升。不同的煤樣，滲透率回升的臨界瓦斯壓力值不一樣，李祥春等[15]和周世寧等[12]的研究結果是1 MPa(圍壓2.5 MPa)，孫培德[13]的研究結果是3 MPa(圍壓大于2.5 MPa)，在臨界瓦斯壓力值以下，煤樣的滲透率隨瓦斯壓力的增大而減小，圍壓為4 MPa和5 MPa 時，在P<0.8 MPa時煤樣有明顯的Klinkenberg效應[14]。以上研究中，滲透率回升的瓦斯壓力臨界值集中在1 MPa左右，本次試驗最大瓦斯壓力0.6 MPa，圍壓在5 MPa以內，試驗中2種煤樣的滲透率均沒有回升，說明瓦斯壓力處于臨界瓦斯壓力之下；瓦斯壓力越低，Klinkenberg效應越明顯，造成滲透率0.4 MPa到0.6 MPa的過程中的減小量在普遍小于0.2 MPa到0.4 MPa的減小量。

3　軸壓加載卸載過程中的瓦斯滲透性動態變化分析

3.1　構造煤與硬煤原煤樣的承載應力極限測定

在加卸載軸壓研究煤樣的滲透率變化規律過程中，必須保證加載階段煤樣不發生破碎，因此要確定2種煤樣能承受的極限軸向應力。圍壓增大，煤樣強度增大；瓦斯壓力升高，煤體強度減小，圍壓對煤樣強度的影響遠大于瓦斯壓力的影響，因此本次試驗忽略瓦斯壓力影響，只考慮圍壓的影響，故采用圍壓2 MPa，瓦斯壓力0.2 MPa的條件下測試2種煤樣所能承受的極限軸向應力，試驗結果如圖7所示。

圖7　2種煤樣滲透率-軸壓試驗結果Fig.7　The permeability-axial pressure experiment results of two coal samples

由圖7可以得出，構造煤與硬煤煤樣分別在應力達到17 MPa和28 MPa時，滲透率突然增大，此時煤樣已經破裂，因此構造煤煤樣的極限軸向應力約為17 MPa，硬煤煤樣所能承受的極限軸向應力約為28 MPa，構造煤破碎所需的應力遠小于硬煤，煤體破碎是發生突出的前提，這說明了構造煤容易發生突出事故的原因。在試驗中為了保持煤樣不發生破碎，將構造煤和硬煤煤樣加載的軸壓最大值分別設為16 MPa和26 MPa。

3.2　2種煤樣的加載卸載過程中的滲透性變化對比分析

根據已經測定的煤樣所能承受的極限應力，對2種煤樣進行軸壓加載卸載試驗，根據試驗結果繪制9組軸壓-滲透率曲線，從中選取了2組具有代表性的試驗結果，如圖8所示。

圖8　軸壓變化對2種煤樣滲透率的影響Fig.8　The influence of changing axial pressure on permeability of two coal samples

從圖8可以得出：

1)在軸壓加載階段，2種煤樣滲透率總體趨勢都是隨軸壓增大滲透率減小，構造煤滲透率減少量在85%～89%，而硬煤滲透率減少量在72%～77%，整個過程構造煤煤樣滲透率減少量要更大。

2)根據煤樣滲透率變化趨勢，將加載階段分為初期、中期及后期3個階段。加載初期，構造煤滲透率減小速率較硬煤小。構造煤內部存在大量的孔隙裂隙結構，且構造煤在形成過程中受到不同方向應力的擠壓、揉搓及破碎等作用，層理紊亂，其內部一部分孔裂隙結構在原始條件下并不相通，即瓦斯不能在這部分結構中流通。加載初期的軸向應力導致構造煤煤樣內部并不相通的一部分孔隙結構發生了滑移、錯位，使得這些孔隙結構互相連通，該效應抵消了一部分由于應力作用導致的滲透率減小，因此構造煤煤樣在軸向應力加載初期滲透率減小速率較硬煤煤樣小；而硬煤內部結構致密，層理清晰一致，原始裂隙孔隙結構中出現孔隙裂隙結構不相通的比例遠小于構造煤，因此硬煤煤樣的滲透率隨軸壓的增大而一直減小，且減小速率遠大于構造煤煤樣。加載中期2種煤樣的滲透率都隨軸壓增大而減小，構造煤煤樣由于軸壓的進一步加載，滲透率較小速率比初期稍微有所增大，而硬煤的滲透率減小速率較加載初期有所降低；加載后期2種煤樣滲透率較小速率低于加載中期，曲線最為平緩。

3)在卸載過程中，2種原煤樣滲透率都隨軸壓的減小不斷增大，但直至軸壓卸載至0 MPa，2種煤樣滲透率均沒有完全恢復到加載前的狀態。由圖8可以看出，構造煤原煤樣和硬煤原煤樣滲透率分別恢復到應力加載前25%左右及45%左右，即硬煤原煤樣滲透率的恢復率大于構造煤原煤樣。在軸壓加載過程中，2種煤樣內部既發生彈性破壞，也有塑性破壞，2種破壞均使煤樣內部孔裂隙結構都發生部分閉合，但彈性破壞閉合的孔隙裂隙結構在應力卸載后能重新恢復，而塑性破壞引起的孔隙裂隙閉合是不能恢復的永久性閉合，因此2種煤樣在應力卸載后滲透率均沒有恢復到加載前的初始值；且由于構造煤煤樣在加載過程中發生的塑性破壞比例大于硬煤煤樣，因此在軸壓卸載后，其滲透率恢復程度遠小于硬煤。

4　結論

1)在圍壓為2～5 MPa的范圍內及恒定瓦斯壓力的試驗條件下，2種煤樣的瓦斯滲透率都隨圍壓的增大而減小，但硬煤抵抗外界應力變形能力較構造煤強，導致硬煤由圍壓增大引起的滲透率減小量比構造煤煤樣小；在0.2～0.6 MPa的瓦斯壓力及恒定圍壓的試驗條件下，由于Klinkenberg效應的影響，2種煤樣的瓦斯滲透率均隨瓦斯壓力的增大而減小。

2)保持瓦斯壓力及圍壓恒定，在構造煤及硬煤煤樣最大加載軸壓分別為16 MPa及26 MPa的試驗條件下，2種煤樣滲透率都隨軸壓的增大而減小。加載初期，構造煤煤樣滲透率減少速率較硬煤緩慢；加載中期2種煤樣的滲透率均隨軸壓增大而減小，構造煤煤樣滲透率較小速率比初期稍微有所增大，而硬煤煤樣較加載初期有所降低；加載后期2種煤樣滲透率減小速率低于加載初期和中期，滲透率曲線最為平緩。

3)在軸壓卸載階段，保持瓦斯壓力及圍壓恒定，2種原煤樣均從各自的最大加載軸壓開始卸載，2種煤樣滲透率都隨軸壓的減小而增大，但2種煤樣滲透率都沒有恢復到原始滲透率，說明2種煤樣內部孔裂隙結構均發生了永久性損傷；構造煤煤樣滲透率恢復程度小于硬煤，說明構造煤煤樣在加載過程中發生塑性破壞比例要大于硬煤煤樣。

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