保德礦區(qū)煤體滲透率對層理夾角的響應規(guī)律試驗研究

趙美成，葉慶樹，馬衍坤，張 馳，徐 超

（1.神東煤炭集團公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001；3.中國礦業(yè)大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

煤體滲透率是煤層瓦斯抽采的重要基礎參數(shù)，對煤體滲透率的研究能夠獲得影響瓦斯抽采的關鍵因素及影響規(guī)律。層理、節(jié)理、應力、氣體壓力等均為影響煤體滲透率的重要因素，而且由于煤層賦存的非均勻性，煤體的滲透率呈現(xiàn)明顯的層理效應[1]。Gash 等發(fā)現(xiàn)不同方向含瓦斯煤滲透率差異較大，沿割理方向滲透率差異較小，而沿垂直層理面方位滲透率較小[2]；黃學滿進行了不同瓦斯壓力下的滲透率測定，發(fā)現(xiàn)考慮垂直與平行層理面方位下滲透率差異可達一個數(shù)量級[3]；姜婷婷等通過實驗發(fā)現(xiàn)影響煤體滲透率的主要因素是裂紋及裂縫的連通度，其次就是層理角度[4]；鄧博知等針對垂直于平行層理2 個類型煤體，發(fā)現(xiàn)在滲流過程中煤體發(fā)生變形，平行層理方面煤體裂隙度大、滲透率高[5]；潘榮琨等測試了加卸載過程中的煤體滲透率，發(fā)現(xiàn)隨著有效應力的增大，層理面間隙寬會變小，造成滲透率永久性損傷，即使圍壓卸除，滲透率也無法完全恢復[6]。孫國文等通過實驗發(fā)現(xiàn)，垂直層理方向瓦斯?jié)B流速度增長趨勢大于平行層理方向，但平行層理方向瓦斯?jié)B流速度明顯大于垂直層理方向[7]；王登科等則發(fā)現(xiàn)受有效應力變化的影響，煤體滲透率優(yōu)勢方向會發(fā)生改變，平行層理方面滲透率不一定是最大值[8]。岳高偉等則發(fā)現(xiàn)不同方向鉆孔抽采半徑存在差異，平行于層理方向的抽采半徑明顯大于垂直于層理方向[9]。閆志銘[10]、范超軍[11]等的研究也同樣發(fā)現(xiàn)在不同的方位上瓦斯抽采效率差異明顯。保德礦區(qū)瓦斯抽采主要沿平行于層理方向布置鉆孔，但瓦斯抽采效果不理想。為探索合理的布置方式，研究得到保德礦區(qū)煤體滲透率對層理的響應規(guī)律意義重大。然而不同礦區(qū)煤體滲透率對層理的響應特征差異明顯，因此利用利用QTS-2 型煤巖滲透率測試系統(tǒng)，針對保德礦區(qū)的試樣，測試分析了不同地應力及瓦斯壓力條件下，煤樣滲透率對層理角度的響應規(guī)律，研究成果對煤層瓦斯抽采具有重要指導意義。

1 試驗系統(tǒng)及方案

1.1 試樣制備

試樣取自山西省保德煤礦81310 工作面，利用取回的大塊煤體，在取心設備上鉆取煤樣，加工成為φ50 mm×100 mm 標準試樣。

在加工不同層理角度的試樣時，先沿平行層理方向一側找平，用夾具固定，確保鉆取試樣軸線方向與層理方向成一定角度。由于煤巖裂隙發(fā)育，在鉆取中降低鉆取速度，減少擾動，最后再打磨其表面，將試樣打磨成符合標準的試樣。

鉆心方向與層理分別呈 0°、30°、45°、60°、90°。加工后的標準試樣如圖1，圖中虛線表示煤巖層理。試樣端面平整度誤差控制在0.03 mm 內(nèi)，尺寸的誤差不大于0.5 mm，端面垂直于試件軸線，最大偏差角度不超過0.25°。

圖1 加工后的標準試樣Fig.1 Standard sample after processing

1.2 試驗系統(tǒng)

滲透率試驗采用QTS-2 煤巖滲透率測試儀，該設備采用穩(wěn)態(tài)法。試驗前將煤巖試樣進行烘干，烘烤時間24 h。試驗選用瓦斯作為測試氣體，忽視其吸附效應的影響。滲透率計算如下：

式中：K 為氣體滲透率，m2；Q 為煤樣出口端的氣體流量，mL/s；L 為煤樣長度，cm；μ 為瓦斯氣體黏度，mPa·s；A 為煤樣的橫截面積，m2；p1、p2分別為煤樣入口端、出口端的氣體壓力，MPa。

1.3 試驗方案

考慮到取樣點的地應力和瓦斯壓力，試驗擬采用 5、8、10、12 MPa 的圍壓和 0.5、1.0、1.5 MPa 的進氣壓力。

對樣品首先施加5 MPa 的圍壓；然后向夾持器中充入 0.5 MPa 的瓦斯氣體；測試出口流量，并計算滲透率。試驗結束后，提高瓦斯壓力到1.0 及1.5 MPa，再次計算滲透率。最后將圍壓提高到更高的壓力，再次分別進行0.5、1.0、1.5 MPa 進氣壓力下的試驗。每個試樣均要經(jīng)歷12 次試驗。

2 試驗結果及討論

2.1 不同層理角度下滲透率變化

將不同圍壓下所得到的數(shù)據(jù)進行分析，不同進氣壓力下煤體滲透率對比如圖2。隨著層理角度的增大，煤體滲透率急劇下降。

圖2 不同進氣壓力下煤體滲透率對比圖Fig.2 Permeability of coal under different inlet pressures

進氣壓力為1.5 MPa 時，0°角與90°時滲透率相差1 個數(shù)量級。0°角煤樣在5 MPa 時滲透率達到0.090 1 mD，90°煤樣在 5 MPa 時的滲透率僅為0.021 9 mD，降低了75.7%。

對數(shù)據(jù)進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)不同圍壓下的煤體滲透率與層理角度存在線性負相關的關系，圍壓增大，初始滲透率與下降速率均變小。由于煤是沉積而成，層理之間存在較為理想的氣流通道。當層理夾角增大后，氣流的有效通道明顯減小，層與層之間的煤體基質(zhì)成為氣體必須流經(jīng)的區(qū)域。

因此，當層理夾角不是0°時，煤體基質(zhì)的滲透率成為影響煤體滲透率的關鍵。從90°角煤樣滲透率可以得到，煤體基質(zhì)的滲透率極低。當層理夾角一旦不為0°時，氣體必須流經(jīng)極低滲透率的煤體基質(zhì)區(qū)域，因而煤體滲透率呈現(xiàn)迅速降低的現(xiàn)象。

尿液是由腎小球濾過,其腎小管和集合管重吸收、排泄、分泌最終產(chǎn)生的產(chǎn)物,而尿液的組成直接反應患者的身體狀態(tài),因此采用尿標本檢查,能有效觀察患者的代謝情況,特別為腎經(jīng),其能提供準確的數(shù)值,所以準確、及時的尿標本在臨床治療中有重要的意義[4]。

2.2 圍壓對滲透率影響規(guī)律

將不同層理角度試樣在不同進氣壓力、不同圍壓下所得到的數(shù)據(jù)進行分析，不同層理夾角煤體滲透率對比如圖3。隨層理角度增大，煤體滲透率急劇下降。

圖3 不同層理夾角煤體滲透率對比圖Fig.3 Permeability of coal under different bedding angles

角度相同時，圍壓導致滲透率快速下降。例如0°角煤樣在5 MPa 時滲透率達到0.090 1 mD，但在12 MPa 時滲透率僅為0.027 9 mD，降低了69%。

相同進氣壓力時，煤體滲透率與圍壓呈現(xiàn)冪指數(shù)減小關系，圍壓的存在大幅減小了氣體的有效流動通道。而進氣壓力的增大并沒有完全導致煤體滲透率增大，特別是1.5 MPa 時，在部分試驗中煤體的滲透率值不如1.0 MPa 進氣壓力時大。這可能是由于氣體吸附導致煤體基質(zhì)膨脹，從而使有效流動通道減小而導致。

2.3 討 論

保德礦區(qū)煤體存在明顯的層理結構，層與層之間存在較好的貫通裂隙，是良好的氣流通道。

2.3.1 層理導致的滲流困難區(qū)

可將氣體沿在層間裂隙內(nèi)流動的滲透系數(shù)視為ki，而在煤基質(zhì)內(nèi)滲透系數(shù)視為kj。相對應的，可將氣體在層間裂隙內(nèi)滲流阻力視為1/ki，而在煤基質(zhì)內(nèi)的滲流阻力視為1/kj。由于煤基質(zhì)中含有大量微孔隙或微裂紋，也能為氣體滲透提供通道，限于其較差的連通性，其滲透能力遠小于層間裂隙內(nèi)，即kj＞＞ki或 1/ki＜＜1/kj，不同層理角度氣流方向通道示意圖如圖4。

圖4 不同層理角度氣流方向通道示意圖Fig.4 Schematic diagram of air flow direction channel under different bedding angles

當氣流方向與層理平行時，此時夾角為0°。在兩端氣體壓差的作用下，氣體沿煤基質(zhì)內(nèi)的微孔隙及層間裂隙流動，此時流動網(wǎng)絡可視為煤基質(zhì)與層間裂隙的并聯(lián)網(wǎng)絡，滲流阻力為式中：Li為裂隙長度；n 為分層數(shù)量。

當氣流方向與層理垂直時，夾角為90°。此時流動網(wǎng)絡可視為煤基質(zhì)與層間裂隙的串聯(lián)網(wǎng)絡，滲流阻力為與0°角時的滲流阻力相比，當氣流方向與層理垂直時的滲流阻力大得多。

當氣流方向與層理存在其他夾角時，可將試樣的滲流分為2 個區(qū)域，試樣兩端三角形區(qū)域為滲流容易區(qū)，試樣中部灰色區(qū)域為滲流困難區(qū)。

對于滲流容易區(qū)，由于層間裂隙的存在，氣體容易從裂隙內(nèi)進入，并迅速積聚在層間裂隙內(nèi)。氣體在滲流困難區(qū)內(nèi)則必須先后滲透過各個分層和裂隙，才能再次進入下端的滲流容易區(qū)。

滲流困難區(qū)的寬度l 計算如下：

式中：l 為煤樣滲流困難區(qū)的寬度，m；d 為試樣的直徑，m；α 為氣流方向與煤體的層理的夾角，（°）。

在 0°～90°范圍內(nèi)，當 α 增大時，sinα 增大，而分母cosα 減小，滲流困難區(qū)寬度增大。表現(xiàn)在煤樣的滲透率上，則是滲透率隨α 增大而迅速減小。當α為0°時，l 為0，此時均為滲流容易區(qū)；當α 為90°時，l 趨于無窮大，此時整個試樣均為困難區(qū)。氣流方向的滲流困難區(qū)示意圖如圖5。

圖5 氣流方向的滲流困難區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of seepage difficult area in the direction of air flow

2.3.2 層理效應對瓦斯抽采的影響

雖然0°角煤樣的滲透率值最大，但測試結果反映出的是氣流在某一方向上流動的難易程度。

在實際煤層抽采孔布置中，垂直層理方向布置的鉆孔內(nèi)，瓦斯流動方向平行于層理，氣流方向?qū)ν咚钩椴捎绊懯疽鈭D如圖6，鉆孔穿過無數(shù)個煤層層理，氣體從煤基質(zhì)解吸進入層理裂隙，并從層理裂隙內(nèi)大量涌出。由圖6 可知，平行于層理方向的順層鉆孔恰好相反。煤層內(nèi)的瓦斯向鉆孔空間內(nèi)運移必須流經(jīng)層層之間的煤基質(zhì)，這個方向的滲透率測試結果正好是最小值。

當鉆孔與層理夾角小于90°時，瓦斯仍由煤基質(zhì)解吸進入層間裂隙，然后進入鉆孔內(nèi)。瓦斯運移的最佳通道仍然是層間裂隙，但與垂直層理鉆孔不同的是，此時鉆孔所穿過的層理數(shù)量要明顯少。

圖6 氣流方向?qū)ν咚钩椴捎绊懯疽鈭DFig.6 Schematic diagram of influence of air flow direction on gas drainage

在工程實踐中，當鉆孔平行于層理布置時，瓦斯由外部煤體向孔內(nèi)運移的阻力最大，抽采影響半徑最小。當鉆孔垂直于層理布置時，瓦斯運移的阻力最小，抽采影響半徑最大、抽采總量也最大。當鉆孔與層理夾角小于90°時，瓦斯運移阻力也最小，但是鉆孔所穿越層理數(shù)量減小，此時為提高抽采效果，可將鉆孔長度盡量延長。

3 結 論

1）保德礦區(qū)煤體滲透率對層理角度的響應規(guī)律明顯，隨著氣流方向與層理角度的增大，煤體滲透率呈線性減小的規(guī)律，0°角與90°角煤樣的滲透率差1～2 個數(shù)量級；隨著圍壓的增大，煤體滲透率呈冪指數(shù)減小規(guī)律。

2）煤體內(nèi)氣流方向存在明顯的滲流容易區(qū)和困難區(qū)，困難區(qū)的寬度隨氣流方向與層理夾角的增大而不斷增大，當夾角為90°時，整個煤樣均為氣體流動的滲流困難區(qū)。

3）在實際的瓦斯抽采工程中，當鉆孔平行于層理布置時，煤體瓦斯流動的方向反而使垂直于層理，滲透率最小；當鉆孔垂直于層理布置時，煤體瓦斯流動的方向反而平行于層理，滲透率最大。研究成果對保德礦區(qū)或國內(nèi)具有明顯層理特征高瓦斯煤層的瓦斯抽采工作具有重要的指導價值。