潞安礦區煤層滲透率的各向異性特征實驗研究*

牛麗飛,曹運興,石 玢，張 震，賈天讓

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學 瓦斯地質研究所，河南 焦作 454000；3.河南理工大學 煤層氣/瓦斯地質工程研究中心，河南 焦作 454000；4.中原經濟區煤層/頁巖氣協同創新中心，河南 焦作 454000；5.河南省非常規能源地質與開發國際聯合實驗室，河南 焦作 454000)

0 引言

煤是一種疏松多孔介質，存在著大量的裂隙和層理，在很大程度上影響煤層變形和瓦斯滲流[1-2]。當開采煤層時，煤層中的裂隙和層理會發生改變，煤層中的應力重新分布，導致煤體變形，進而影響瓦斯的抽采[3-4]。

在有關煤體層理裂隙對煤體變形和滲透率影響方面，相關學者進行了大量的研究。煤體在變形方面，在應力作用方向上，煤體的變形具有顯著的差異性，煤體的變形量沿應力作用方向呈現近似指數關系衰減的特征[5]，在改變軸壓加載變形破壞中，煤體變形可分為壓密、穩定發展、非穩定破裂發展和破裂后4個階段；改變軸壓加載前，煤體滲透率與軸壓的加載速率呈負相關變化，中后期滲透率變化速率與軸壓加載速率相關性不大[6]，而在循環加載過程中，煤樣滲透率的變化趨勢與應變累積量增速的變化趨勢具有一致性[7-8]；煤體在滲透率方面，煤體結構各向異性對煤體滲透特性具有重要影響[9]，煤體平行層理(割理)方向滲透性高于垂直層理方向，造成這種現象的原因在于煤體中平行層理方向的裂隙度大于垂直層理方向[10]，并且滲透率隨著有效應力的增大而呈負指數減小[11-13]。相關學者還建立了層理裂隙煤體滲透率與有效應力之間的理論模型[14]，有效應力與應變的關系[15]以及基于體積應變含瓦斯煤體滲透率模型[16]。

上述研究探究了層理對煤體滲透率的影響，但未具體描述不同層理方向煤體的變形，煤層在受到不同應力的作用時，平行層理和垂直層理方向會存在很大的差異，進而2個方向的滲透性也會存在較大差異。針對上述情況，本文對平行層理和垂直層理2個方向的原煤試樣進行不同應力條件下的滲流實驗。

1 樣品及實驗裝置

1.1 樣品準備

試驗煤樣選自山西潞安礦區常村煤礦山西組3號煤層2302掘進工作面，埋深500～562 m。按照《工程巖體試驗方法標準GB/T 50266-99》，沿平行層理和垂直層理方向上將原煤樣加工成φ50 mm×100 mm的圓柱體，煤樣的煤質參數見表1，標準試件見圖1。

表1 煤樣的煤質參數Table 1 Coal quality parameters of coal sample

圖1 實驗煤樣Fig.1 Experimental coal samples

1.2 實驗設備

試驗在河南理工大學瓦斯/煤層氣地質工程研究中心進行，采用氣相驅替增產實驗系統，該系統主要由真空脫氣系統、注氣系統、溫度控制系統、應力加載控制系統、氣體組分分析系統和數據采集系統6部分組成，見圖2。該裝置可模擬圍/軸壓為0～40 MPa及注氣壓力0～40 MPa條件下的煤層滲透性、吸附及煤巖變形特性。

2 實驗方法

本實驗采用高純度氮氣代替甲烷氣體，氮氣注氣恒定壓力為2.0 MPa；軸壓和圍壓初始壓力均為4.0 MPa，以2.0 MPa的壓力梯度加載至16.0 MPa，共計7個壓力點，見表2。

表2 煤樣實驗方案Table 2 Experimental scheme of coal samples

按照下述步驟測試煤樣在不同軸壓和圍壓條件下，平行和垂直層理方向的應變和滲透率變化規律。

1)煤樣為φ50 mm×100 mm煤柱，實驗前將試件在真空干燥箱內(100 ℃)干燥12 h，用酒精把煤柱表面擦拭干凈，再用502膠和玻璃膠把應變片粘貼到煤柱表面，保持垂直，不能交叉；使用工具測量煤體的長度，將粘貼好應變片的煤柱放入φ50 mm的夾持器中。

圖2 煤層氣相驅替增產實驗裝置Fig.2 Test device of gas phase displacement for increasing production of coal seam

2)對夾持器(含煤樣)進行抽真空：打開真空泵抽真空不少于12 h，或者真空壓力表示數為0.1 Pa時，完成抽真空。

3)把應變片的另一頭與應變儀相連，對滲透率和應變進行監測。

4)根據實驗設計，按照上述的軸壓圍壓和注氣壓力進行設置，打開流量計，進行監測，直至滲透率穩定，進行下一項軸壓和圍壓的設置。

3 滲透率實驗結果與分析

3.1 實驗結果

煤體在加載作用下，沿平行和垂直層理方向2個煤樣的滲透率和應變實驗結果分別見表3和表4。

表3 加載過程煤樣滲透率Table 3 Permeability of coal samples during loading process

表4 加載過程煤樣應變情況Table 4 Strain of coal samples during loading process

3.2 滲透率實驗結果分析

根據表3滲透率實驗結果，分別繪制加載過程中平行層理方向和垂直層理方向滲透率-有效應力演化特征曲線，如圖3和表5所示。

表3和圖3表明：煤樣在加載過程中，平行和垂直層理方向煤樣的滲透率均隨有效應力的增加而不斷減小，平行層理方向的滲透率從0.029 342 mD降至0.001 07 mD，垂直層理方向的滲透率從0.004 016 mD降至0.000 484 mD，有效應力是決定滲透率的重要因素。平行層理方向和垂直層理方向滲透率與有效應力的變化趨勢是相似的，加載初期滲透率的減少量最大，后期隨著有效應力的增加滲透率逐漸趨于平緩。原因在于在加載初期，內部裂隙容易受壓縮閉合，滲透率的下降較為急劇；后期已受壓縮的裂隙難以進一步壓縮閉合，滲透率下降趨于平緩。平行層理方向滲透率的下降幅度最大，且始終大于垂直層理方向，可推斷平行層理方向的裂隙度[13]大于垂直層理方向的。因此，煤層進行瓦斯抽放時，鉆孔應盡量沿著平行層理方向布置，以提高瓦斯抽放效果。

圖3 煤樣加載過程滲透率變化特征Fig.3 Characteristics of permeability change during loading process of coal samples

層理擬合結果R2平行Y=0.285xexp(-2.036)0.999 25垂直Y=0.002 3xexp(-1.582)0.982 68

3.3 不同層理應變增加量與滲透率變化關系

加載過程中平行層理方向與垂直層理方向的應變增加量與滲透率的變化關系，如圖4所示。

實驗煤樣的滲透率反映軸向方向的裂隙結構特征，實驗過程中滲透率主要受徑向方向變形的影響。由表4和圖4可知，隨著加載，徑向方向應變增加量不斷減小，累積應變量不斷增加，滲透率不斷減小，滲透率與應變增量呈正相關性，平行層理方向的正相關性更明顯，主要是由于平行層理方向的裂隙度大，相同壓力條件下，平行層理的徑向應變量大于垂直層理，這也表明了煤體滲透率各項異性受煤層不同方向孔隙結構和有效應力大小控制。

圖4 不同層理應變增加量與滲透率的關系Fig.4 Relationship between increment of strain under different bedding and permeability

4 煤樣變形特征實驗結果與分析

4.1 平行與垂直層理方向的變形對比特征

加載過程中平行層理方向與垂直層理方向的變形量與有效應力的變化關系，如圖5所示。

圖5 應變與有效應力的關系Fig.5 Relationship between strain and effective stress

圖5表明：平行和垂直層理方向的應變趨勢是一致的。在整個加載過程中，平行層理徑向應變增加量是垂直層理的1.16倍，垂直層理的軸向應變增加量是平行層理的1.76倍，由于煤樣軸向方向的裂隙是徑向方向的壓縮空間，徑向方向的裂隙是軸向方向的壓縮空間，因此平行層理方向的裂隙發育程度大于垂直層理方向。

4.2 不同層理應變增加量與有效應力的關系

不同層理的煤樣，在加載過程中應變增加量與有效應力的關系如圖6所示。

圖6 不同層理應變增加量與有效應力變化特征Fig.6 Change characteristics of strain increment and effective stress under different bedding

圖6表明：煤樣在加載過程中，平行和垂直層理方向的變化量均隨有效應力的增大而不斷減小；2個方向上應變增加量的變化趨勢是相同的，開始加載時，煤體變形的增加量急劇下降，然后趨于平緩。原因在于煤樣原位埋深500 m左右，所受地應力大約為12 MPa，當煤樣受采動影響并采集出后不再受地應力影響，發生變形，當煤樣重新受到軸壓和圍壓后，隨著有效應力地不斷增加，累積變形量不斷增加，煤體內部的裂隙不斷減小，12 MPa之前應變增加量的變化很劇烈，12 MPa之后，煤樣接近原始地應力狀態，應變增加量趨于平緩。

5 結論

1)煤樣在加載過程中，不論平行層理還是垂直層理煤樣的滲透率均隨著有效應力的增大而減小，變化趨勢是相同的，應力加載初期滲透率下降最為急劇，后期逐漸趨于平緩；平行層理滲透率下降幅度比垂直層理要大；整個過程中，平行層理滲透率始終大于垂直層理。因此，原始煤層中抽放鉆孔盡量沿平行層理方向布置。

2)平行層理的徑向應變大于垂直層理，垂直層理的軸向應變大于平行層理，應變量的增加量均隨有效應力的增加而不斷減小，平行層理裂隙發育程度大于垂直層理。

3)煤樣在加載過程中，2種方向煤樣的應變增加量的變化趨勢是一致的；煤體應變的增加量與滲透率變化的趨勢相對應，都是逐漸下降；煤樣的徑向應變增加量與滲透率具有正相關性。