煤滲透特性及其氣體壓力敏感性試驗研究

李波波，邵國君，楊 康，袁 梅(.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 喀斯特山區優勢礦產資源高效利用國家地方聯合工程實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025；.國家電力投資集團公司貴州遵義產業發展有限公司，貴州 遵義 563000)

礦業縱橫

煤滲透特性及其氣體壓力敏感性試驗研究

李波波1，2，3，邵國君4，楊 康1，袁 梅1，2，3
(1.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 喀斯特山區優勢礦產資源高效利用國家地方聯合工程實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025；4.國家電力投資集團公司貴州遵義產業發展有限公司，貴州 遵義 563000)

為探索煤中孔隙流體壓力的變化導致滲透率的改變，引發煤滲透率壓力敏感性現象，利用自主研發的出口端壓力可調的三軸滲流裝置，對貴州3個礦區的煤開展不同吸附性氣體與不同氣體壓力下煤的敏感性試驗研究。研究結果表明：在較低氣壓范圍內(0～0.6 MPa)，隨氣體壓力的增加，煤滲透率下降明顯，當氣體壓力繼續上升煤的吸附作用逐漸趨于平衡，煤體骨架的吸附膨脹變形也越來越小，滲透率的下降速率逐漸減少并趨于平緩。在氣體壓力小于1.0 MPa時，煤滲透率損害率Dp變化較大，且隨氣體壓力增加快速增大，表現出較強的壓力敏感性。不同吸附性氣體條件下，氣體壓力指數關系敏感系數Cp均隨氣體壓力的增加而逐漸減小，煤滲透率對氣體壓力的敏感性降低。對于同一煤，在相同的條件下，CH4的氣體壓力乘冪關系敏感系數Sp的值最小，煤對氣壓的敏感性越差。乘冪關系的氣體壓力敏感系數Sp與滲透率損害率Dp有很好的線性相關性。

煤；有效應力；氣體壓力；滲透率；敏感系數

煤層氣開發及煤層瓦斯抽采等多種礦物氣體的開采對人類生存和安全越來越重要，而氣體在煤體孔隙和裂隙中的滲透系數則是工程設計與運行的重要參數。氣體可壓縮性和礦物氣體較強的吸附作用，對氣體滲透特性產生很大的影響。因此，對孔隙裂隙介質的煤滲透特性及氣體壓力敏感性的研究具有重要的工程指導意義。

煤滲透特性受到孔隙特征、應力和孔隙壓力等方面的影響。Nie等[1]通過計算機斷層掃描試驗系統分析了原煤裂隙發育，得到煤的密度隨應力的增加而增大。Li等[2]得出了低階煤樣孔隙結構具有多孔性且微孔和中孔比例最大。Liu等[3]采用SEM和低壓氮氣吸附，分析了CH4對煤樣吸附能力的影響。Ouyang等[4]利用核磁共振方法和分形的方法得出了煤化對孔裂隙特性的影響。Durucan.S等[5]給出了煤滲透率與應力之間的經驗關系式。趙陽升等[6]得出吸附作用表現為滲透系數隨孔隙壓呈負冪函數規律變化。曹樹剛等[7]得出孔隙壓力與滲透率之間呈二次多項式關系。王登科等[8]得出含瓦斯煤滲透率與軸向壓力、圍壓和瓦斯壓力均呈指數關系變化。

在滲透率對應力敏感性方面，Jones.F.O等[9]在提出了一種應力敏感評價指標。蘭林等[10]通過對大量巖心試驗數據擬合，運用該指標評價其儲層應力敏感性。張琰等[11]對低滲氣藏的應力敏感性評價方法進行研究，用滲透率損害率來評價應力敏感影響。黃遠智等[12]通過定義有效應力敏感系數，并推導出滲透率與有效應力之間的函數關系。羅瑞蘭等[13]得出應力敏感系數與初始滲透率的關系式。孟召平等[14]通過煤的應力敏感性試驗，分析了煤儲層應力敏感性及有效圍壓、煤中裂隙和含水情況等對煤儲層應力敏感性的影響。

氣體壓力對煤滲透特性的影響，目前已取得一定成果和認識，但煤的氣體壓力敏感性試驗以往儲層評價方法都難以滿足當前高精度煤儲層評價的要求。因此，從煤儲層特征出發，結合煤礦工程實際，開展氣體壓力敏感性試驗，同時改進以往的氣體壓力敏感系數評價方法，揭示煤滲透性的動態變化規律及合理的敏感性評價，為提高礦井瓦斯抽采和礦山安全等基礎研究提供一定的參考依據。

1 試驗方法

1.1 試樣的制備與物性

試驗用煤分別取自貴州六枝礦區四角田煤礦7#煤層、水城礦區木沖溝煤礦8#煤層及盤江礦區松河煤礦3#煤層。將取回的煤樣先在粉碎機上粉碎并篩選出60～80目的粉煤，再將粉煤與一定量的純凈水混合后在2 000 kN材料試驗機上以100 MPa的壓力壓制成Φ50 mm×100 mm的型煤試件，并將制作好的試件烘干后置于干燥皿內備用。

圖1為原煤煤樣放大2 000倍的SEM圖像。對孔裂隙特征進行分析，四角田7#煤層存在數條裂隙，其寬度大于1 μm且長度不均，木沖溝8#煤層存在一條裂隙，其寬度約為1.10 μm；松河3#煤層無孔隙，存在一條裂隙，平均寬度約為1.017 3 μm?？芍琢严栋l育程度為四角田7#煤層最發育，木沖溝8#煤層次之，松河3#煤層最不發育。

圖1 原煤煤樣SEM圖(2000×)

1.2 試驗裝置

試驗所用裝置為自主研發的、出口端正壓的三軸滲流裝置[15]。該裝置主要由試件夾具、高壓油泵、壓力表、流量計、恒溫水浴、出口壓力調節器等部分組成。

1.3 試驗方案

為探討氣體壓力對煤滲透率的影響，同時排除應力的干擾，進行恒定有效應力下改變氣體壓力的滲流試驗。本文所指的有效應力為平均有效應力[15]，其表達式見式(1)。

(1)

式中：σe為有效應力；σ1為軸壓；σ3為圍壓；P1為試件進口氣體壓力；P2試件出口氣體壓力。

設定有效應力為2.0 MPa，在試驗過程中在每個氣體壓力點達到吸附平衡后測量其流量值。氣體壓力均保持在較低范圍，進口端氣體壓力分別控制為0.2 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.4 MPa和1.8 MPa。同時考慮不同吸附性氣體CH4、CO2和He對其規律的影響，并采用3個典型礦區煤進行試驗(表1)。

2 試驗結果及分析

圖2為不同吸附性氣體的煤滲透率與氣體壓力的關系曲線，從圖中可以得到以下信息。

1) 對于同一氣體，在較低氣壓范圍內(0～0.6 MPa)，隨進口端氣體壓力的增加，煤滲透率先下降明顯，煤的吸附作用逐漸趨于平衡，煤體骨架的吸附膨脹變形也越來越小，因此滲透率的下降速率逐漸減少，并趨于平緩。當氣體壓力小于0.6 MPa時，煤滲透率隨氣體壓力增加的變化相對較大，而當氣體壓力大于0.6 MPa時，煤滲透率的變化將趨于平緩。He無吸附性，其滲透率降低主要受壓力的增大所致。CO2和CH4滲透率降低，由于低壓條件下當試驗開始體積應力增大使煤體被壓縮，顆粒直接越來越緊密，孔隙變小，滲透率劇降。隨氣體壓力的增加，煤吸附氣體量將增大，孔隙、裂隙表面的厚度增加，使滲透通道減小，氣體分子之間的傳遞阻力增加[16]。在氣壓較低和有效應力恒定時，煤吸附瓦斯向內部產生膨脹變形，擠壓煤中的孔隙裂隙，進而使滲流通道減少，滲透率降低。同時瓦斯的吸附促進煤表面能和吸附熱轉化為膨脹能，加劇了膨脹變形，孔裂隙變窄，煤孔隙率減小，導致滲透率降低。此時吸附性占支配地位，故滲透率呈現隨氣體壓力減小的規律。

表1 不同氣體壓力條件下的試驗方案

圖2 不同吸附性氣體煤滲透率隨氣體壓力的變化關系

2) 對于同一礦區的煤，在相同的條件下，吸附性越強的氣體，其滲透率越低。這是由于煤的滲透性與煤的孔隙、裂隙有關，一般情況下煤中微孔和超微孔隙構成了煤的吸附容積。吸附性越強的氣體，則越容易侵入煤體結構內部，減小了煤的表面張力，使得骨架越大，滲流通道越小，滲透性越差。當煤體在有效應力恒定，微孔隙或微裂隙在吸附氣體后所產生的變形向內發展，從而影響中孔和大孔及裂隙的容積，使滲透容積減小。試驗所用的三種氣體中CO2吸附性最強，CH4次之，He沒有吸附性。因此煤吸附CO2產生膨脹變形比CH4大，進而使煤滲流通道減小程度最大，滲透率最低，由于煤對He沒有吸附作用，所以其滲透率最大。

3) 在相同試驗條件下，不同礦區的煤對CH4、CO2和He的滲透率存在差異，其中四角田7#煤層的滲透率最大，木沖溝8#煤層次之，松河3#煤層最小。煤體滲透性取決于煤孔隙裂隙發育程度，即固體骨架的性態，其次取決于流體的性質。依據許江等[15]對該礦區前期研究，四角田7#煤層變質程度最高且內部孔隙最發育，木沖溝8#煤層次之，松河3#煤層變質程度最小且內部孔隙最不發育，可知松河3#煤層吸附性越小，滲透率最低。

3 氣體壓力敏感性

3.1 滲透率損害率

滲透率損害率反映在氣體壓力作用下煤的滲透率損害的百分數，按式(2)計算壓力敏感性引起的滲透性損害Dp。

(2)

式中：Dp為氣體壓力為iMPa時的滲透率損害率，10-3μm2；k0為初始壓力點對應的煤滲透率，10-3μm2；ki為各氣體壓力測點的煤滲透率，10-3μm2。

圖3為滲透率損害率與氣體壓力之間變化規律。隨著氣體壓力的增加，3種氣體試驗煤滲透率損害率均隨氣體壓力的增大而增加。在氣體壓力小于1.0 MPa時，煤滲透率損害率變化較大，且隨氣體壓力增加快速增大。滲透率損害率增幅在氣體壓力為0.6 MPa時達到最大。四角田7#煤層煤在0.6 MPa下，CO2、CH4、He滲透率損害率分別為67.22%、58.76%、64.24%。在氣體壓力大于1.0 MPa時，其變化減小，隨氣體壓力增加，滲透率損害率增長速度減緩，壓力敏感性減弱。這可能是由于有效圍壓增大使煤收縮變形量增大，孔隙裂隙被擠壓閉合的結果。

圖3 煤滲透率損害率與氣體壓力的關系

3.2 指數關系的氣體壓力敏感性

為定量探討隨著煤滲透率對氣體壓力的響應程度，考慮將其影響因素進行歸一化處理[12]，通過定義滲透率對氣體壓力的指數關系敏感系數Cp，即指在恒定有效應力下，每升高1.0 MPa的氣體壓力所引起的煤滲透率的相對變化量，計算見式(3)。

(3)

式中：Cp為氣體壓力指數關系敏感系數，MPa-1；?k為煤的滲透率變化量，10-3μm2；?p為氣體壓力變化量，MPa。Cp能夠反映煤滲透率隨氣體壓力的變化趨勢。Cp值越大，表明煤滲透率隨著氣體壓力的變化就越敏感，在氣體壓力相同變化幅度下，煤滲透率變化值越大。

為確定煤的氣體壓力敏感系數，首先需要對滲透率-氣體壓力曲線進行指數函數擬合，然后，將擬合結果代入式(2)，即可得到Cp與氣體壓力p之間的函數關系(式(4))。圖3顯示出不同吸附性氣體的氣體壓力敏感系數隨氣體壓力的變化服從冪函數關系。

Cp=mp-n

(4)

式中，m和n均為擬合系數。

表2為不同氣體條件下的擬合參數m和n，圖4為根據式(3)擬合結果繪制的不同吸附性氣體的氣體壓力指數關系敏感性系數隨氣體壓力的變化曲線。由圖4可知：不同吸附性氣體試驗條件下，氣體壓力指數關系敏感系數均隨氣體壓力的增加而逐漸降低，即氣壓越高，煤滲透率對氣體壓力的敏感性越差。究其原因，氣體壓力增加，煤吸附氣體量增加，由于保持有效應力恒定，由煤基質吸附膨脹變形明顯到吸附產生的膨脹變形越趨于穩定，煤中孔隙裂隙閉合速度由快到慢，煤吸附氣體累計量將增加，其孔隙、裂隙表面的厚度增加量減少，占據的孔道面積亦越大，從而使構成滲透的孔截面減小，而在氣體壓力較小時，氣體壓力增加導致孔隙的擴張要小于吸附氣體增加而導致的滲透孔隙的減小，因而在這一過程中滲透率變化量較大，氣體壓力的敏感性較強，隨著氣體壓力進一步升高，煤基質膨脹變形越趨于穩定，在相同氣壓變化幅度下，滲透率的變化量減小，即滲透率對氣體壓力的敏感性減小。

表2 Cp-p函數的擬合系數m、n取值

在相同試驗條件下，四角田7#煤層煤對3種氣體的氣體壓力敏感系數值最小。滲透率存在差異，規律性較明顯。其中四角田7#煤層的滲透率最大，木沖溝8#煤層次之，松河3#煤層最小。

圖4 氣體壓力敏感系數隨氣體壓力的變化關系

根據式(2)，可推導出氣體壓力從p0變化至p時的煤滲透率，見式(5)。

(5)

再將式(3)代入式(4)，得式(6)。

(6)

可見，若已知氣體壓力及其相應的擬合參數m和n，則可通過式(5)求得相應氣體壓力條件下的煤滲透率。

3.3 乘冪關系的氣體壓力敏感性

滲透率隨氣體壓力的增加，在較小氣壓下降低較快，并隨著氣體壓力的增加滲透率降低逐漸減緩，應用乘冪關系可較好的擬合滲透率與氣體壓力關系，得到式(7)。

(7)

式中：p為氣體壓力，MPa；p0為初始氣體壓力，MPa；k0為當氣體壓力為初始氣體壓力時的滲透率，10-3μm2；a、b為系數。當p=p0時，有k=k0，由此可以得出式(6)中a的值為1，則式(6)變為式(8)。

(8)

對式(8)兩邊取常用對數，得到式(9)。

(9)

把試驗系數Sp定義為氣體壓力乘冪關系敏感系數，即式(10)。

(10)

每一個試驗曲線對應一個b值，因此可以通過得到Sp值的大小來判斷試件的氣體壓力敏感程度。

圖5為繪制出的無因次滲透率與氣體壓力的關系，得到數學回歸式及相關系數見表3。對圖5、表3進一步分析，可以得到以下結果。

1) 對于同一煤，在相同的條件下，CH4的氣壓乘冪關系敏感系數的值最小，煤對氣壓的敏感性越差，CO2的氣壓敏感系數的值最大。主要是由于加載過程中有效應力恒定，氣體壓力增加會使煤孔隙結構擴張、瓦斯吸附量增加、孔隙吸附瓦斯層增厚，導致瓦斯滲流孔道縮小。在此過程中有效應力恒定和孔隙壓力增加共同作用導致煤孔隙擴張的程度小于因氣體壓力增大使得煤層增厚而阻礙氣體滲流的程度，滲透率減少。即煤體在較小的有效應力范圍內、氣體壓力不斷增加的加載過程中，吸附作用是影響滲透率的主控因素[17]。由于CH4比CO2吸附性低，CO2滲透率降低變化量大于CH4滲透率降低變化量，而He滲透率降低量介意兩者之間。因此，在3種煤層中CH4的氣體敏感系數的值均為最小。

2) 氣體壓力乘冪關系敏感系數是由試驗得到的全部數據進行擬合得到，每一煤對應一個敏感系數，該系數的大小就反映煤氣壓敏感性的強弱?？梢詮臄祿闯霾煌簶釉囼灥耐N氣體敏感性。

將式(9)代入式(7)可以推導出任意初始滲透率與氣體壓力的關系式，見式(11)。

(11)

表3 滲透率與氣體壓力敏感系數表

圖5 無因次滲透率與氣體壓力的關系

3.4 氣體壓力敏感系數與滲透率損害率的關系

氣體壓力敏感系數和滲透率損害率都可用于評價煤儲層氣體壓力敏感程度，建立兩者之間的關聯有助于進一步闡述壓力敏感性的評價問題。

1)氣體壓力乘冪關系敏感系數Sp與滲透率損害率Dp有很好的線性相關性。滲透率損害率越大，敏感系數Sp越大。利用Sp和不同吸附性氣體的平均滲透率損害率，進行線性回歸得到圖6，由圖6可以看出氣體壓力乘冪關系敏感系數Sp與滲透率損害率Dp有很好的線性相關性。

表4為擬合公式和相關系數，表明敏感系數Sp與各氣體壓力測點的滲透率損害率均有較強的相關性，反映出氣體壓力敏感系數表征了煤的整體氣體壓力敏感性強弱。選用的試驗煤取自不同區塊和煤層，將它們的試驗數據進行匯總擬合，在各氣體壓力測點都表現出滲透率損害率與敏感性系數強的線性相關性。因此，Sp就可作為不同區塊及煤層的氣體壓力敏感性強弱的對比依據。

圖6 氣體壓力敏感系數和滲透率損害率的線性關系

表4 敏感系數和滲透率損害率的相關關系

2) 不同形式擬合的Cp與Sp存在很好的對應關系，不同氣體壓力試驗下，運用乘冪函數擬合相關系數高。改進后的敏感系數Sp定義方式的優點使它具有唯一性，每個試件對應一個敏感系數，敏感系數的大小不受試驗中所測數據點多少的影響。而Cp能體現氣體壓力增大過程中的敏感性，不同的氣體壓力測點就會得到不同的值，不具有統一性。

4 結 論

1) 在較低氣壓范圍內，隨氣體壓力的增加，煤的CO2和CH4滲透率先下降明顯，煤的吸附作用逐漸趨于平衡，煤體骨架的吸附膨脹變形也越來越小，滲透率的下降速率逐漸減少，并趨于平緩。

2) 在氣體壓力小于1.0 MPa時，煤滲透率損害率變化較大，且隨氣體壓力增加快速增大，表現出較強的壓力敏感性。不同吸附性氣體試驗條件下，氣體壓力指數關系敏感系數Cp均隨氣體壓力增加而逐漸降低，即氣壓越高，煤滲透率對氣體壓力敏感性越差。四角田7#煤層煤對3種氣體的氣體壓力敏感系數值最小。滲透率存在差異，規律性較明顯。

3) 對于同一煤，在相同的條件下，CH4的氣體乘冪關系敏感系數Sp值最小，煤對氣壓的敏感性越差。推導出任意初始滲透率與氣體壓力的關系式。

4)氣體壓力乘冪關系敏感系數Sp與滲透率損害率Dp有很好的線性相關性。滲透率損害率越大，敏感系數Sp越大。但不同氣體壓力試驗下，運用乘冪函數擬合相關系數高。敏感系數Sp定義方式的優點是它具有唯一性，每個試件對應一個敏感系數，敏感系數大小不受試驗中所測數據點多少的影響。

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Experimental research on the gas pressure sensitivity to the permeability of coal

LI Bobo1，2，3，SHAO Guojun4，YANG Kang1，YUAN Mei1，2，3

(1.College of Mining，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.The National Joint Engineering Laboratory for the Utilization of Dominant Mineral Resources in Karst Mountain Area，Guizhou University，Guiyang 550025，China；3.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources，Guiyang 550025，China；4.State Power Investment Corporation Guizhou Zunyi Industry Development Co.，Ltd.，Zunyi 563000，China)

In order to explore the gas pressure changes caused changes of permeability of coal，leading to the phenomenon of pressure sensitivity.Using the self-developed triaxial seepage equipment with an adjustable outlet pressure，the experimental study of permeability sensitivity of coal sample from 3 mines in Guizhou province under different gases and gas pressure was performed.The results are show that at the lower pressure range (0～0.6 MPa)，the permeability decreases significantly when gas pressure increases，the adsorption of coal tends to balance and the rate of descent reduced and leveled off with the rising of gas pressure.When the gas pressure is less than 1.0 MPa，the damage rate of permeabilityDphas a great change，and it increases rapidly showed a significant sensitivity.Under the different gases condition，the sensitiveness coefficient of gas pressureCpdecreases when the gas pressure increases.The sensitiveness coefficient of gas pressureSpis minimum when filling CH4under the same condition.The sensitiveness coefficient of gas pressure has the power relationshipSpand damage rate of permeabilityDphas a better linear correlation.

coal；effective stress；gas pressure；permeability；sensitiveness coefficient

2017-01-20 責任編輯：劉艷敏

國家自然科學基金項目資助(編號：51574093)；貴州省科學技術基金項目資助(編號：黔科合J字〔2015〕2049號)；貴州省科技廳、貴州大學聯合資金計劃項目資助(編號：黔科合LH字〔2014〕7654)；貴州大學引進人才科研項目資助(編號：貴大人基合字〔2014〕57號)

李波波(1985-)，男，貴州修文人，博士，講師，主要從事礦井災害防治、煤層氣滲流方面的教研工作，E-mail：sbobo.0822@163.com。

TD713

A

1004-4051(2017)06-0142-07