含瓦斯煤滲透性影響分析

柴昊昊

(晉能控股煤業集團 三元煤業，山西 長治 140400)

煤炭行業是我國國民經濟的支柱性產業，是當前我國能源結構中最重要的一環。由于我國特殊復雜的地質條件，在實際煤炭開采中常常伴隨著較為嚴峻的瓦斯治理形勢，在開采后三維應力場平衡狀態被打破，使得煤體滲流特性發生巨大變化[1].關于瓦斯滲流影響因素分析，許多專家學者作了大量的前期技術準備和研究[2-5].林柏泉等[6]進行了煤樣滲透性影響實驗，得出煤體滲透率與載荷的關系可用負指數方程表示。尹光志等[7]研制了多場耦合滲流試驗系統，為滲流機制研究提供了基礎。祝捷等[8]通過構建滲透率演化模型分析了氣體壓力對滲透率的影響。薛燕光等[9]利用三軸伺服滲流裝置發現軸壓、圍壓、瓦斯壓力3種應力因素與煤樣滲透率呈指數函數關系。張翔[10]通過建立含瓦斯煤流固耦合模型，模擬了瓦斯滲流過程，對滲流特征進行了研究。

在實際開采中，應力場和瓦斯滲流場的變化是改變井下瓦斯狀態的主要因素[11-12].分析影響含瓦斯煤滲透性因素的重要程度，對主導因素做針對性地控制，不僅可以節約煤礦生產成本，而且對于煤礦瓦斯的防治及利用有重要的意義。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置

采用WYS-800電液伺服滲流裝置,軸向應力加載最大為800 kN，圍壓最大加載為15 MPa.該試驗裝置的最大優點是可以實時監測滲流過程中的數據，測量精度高，可靠性好，實驗數據記錄、處理已實現自動化。

試驗煤樣選自西山煤電集團屯蘭礦8#煤層，在實驗室，用砂線切割機將煤樣切成標準尺寸d50 mm×100 mm備用。

1.2 試驗方案

為了研究影響含瓦斯煤滲透率的主要因素，在室溫為20 ℃的基礎上進行軸壓、圍壓與瓦斯壓力的交叉試驗。通過煤粉干燥前后稱重測得煤樣的原始平均含水率為1.61%，通過烘干箱干燥脫水制備含水率分別為0.18%、0.76%的煤樣，并利用手動試壓泵以及密閉釜進行注水，得到含水率為3.15%的試件。

含水率為0.18%～3.15%的煤樣分別采用排水集氣測定方法，進行固定圍壓2～8 MPa，改變瓦斯壓力0.5～1.4 MPa的試驗。

2 含瓦斯煤滲透性影響因素分析

2.1 瓦斯壓力與圍壓對含瓦斯煤滲透性影響程度

試驗部分是在基于不同含水率條件下通過改變應力與瓦斯壓力研究煤體滲流特性，在不同瓦斯壓力條件下，測定煤體滲透率。試驗結果見圖1.

由圖1可以看出，在恒定應力條件下，煤體含水率變化與滲透率關系顯著，煤體滲透率隨含水率增加呈下降趨勢。由圖1 a)可以看出，恒定圍壓為2 MPa，在瓦斯壓力為0.8 MPa時，隨著含水率從0.18%升至3.15%，煤體滲透率從3.501×10-5μm2降低至1.58×10-5μm2，滲透率降低幅度為55%.由圖1 d)可以看出，當圍壓恒定為8 MPa，瓦斯壓力1.4 MPa條件下，含水率改變,煤體滲透率從1.88×10-5μm2降低至0.62×10-5μm2，滲透率降幅為67%.這是由于煤體材料親水，水分充滿煤體孔隙內部，阻斷了絕大多數瓦斯分子滲流通道，瓦斯運移受阻，導致出現滲透性降低的現象。

黃啟翔等[13]認為，煤體滲透率變化與煤體所受應力呈指數關系，對圖1中的滲透率隨含水率變化曲線進行擬合，擬合函數見表1.

圖1 固定圍壓條件下煤體滲透率與含水率關系曲線圖

表1 煤體滲透率隨含水率變化曲線擬合方程表

由表1可知，含瓦斯煤滲透率與含水率之間呈現負指數函數變化，其表達式可表征為：

K=aebw

(1)

式中：

K—滲透率，10-5μm2；

a,b—擬合系數，其中a>0,b<0；

w—煤體含水率。

結合表1可以發現，式(1)中擬合系數a,b的大小隨著煤體加載應力及瓦斯壓力的變化而變化，擬合系數值與應力和瓦斯壓力密切相關。當圍壓、軸壓一定時，瓦斯壓力改變，擬合系數a、b變化規律不同，瓦斯壓力增加，擬合系數a隨之變小，而擬合系數b隨之變大。

在兩個擬合系數中，a>0,b<0，因此可以用擬合系數a來表征圍壓與瓦斯壓力對煤體滲透率影響的重要程度。

不同瓦斯壓力及不同圍壓條件下擬合系數a的變化曲線見圖2，不同壓力、圍壓下得出的擬合方程見表2.

圖2 擬合系數a隨瓦斯壓力以及圍壓變化規律圖

表2 擬合系數a隨瓦斯壓力以及圍壓變化擬合表

據圖2和表2可知，隨圍壓、瓦斯壓力增大，擬合系數a呈線性下降趨勢。在多種壓力條件試驗中，擬合系數a1平均值比擬合系數a2的平均值小1.194 042 5.據此結果對比圍壓與瓦斯壓力對含瓦斯煤滲透性影響效果后，得出了瓦斯壓力在影響滲透性變化中占主導因素的結論。這也解釋了工業性試驗中煤層滲透率與實驗室的滲透率有著數量級的差異，這是由于在煤體內部發生滲流的同時，吸附解吸也在進行，且始終朝著平衡的方向發展，煤層內處處都存在滲流與吸附解吸，因此總流量要大于某一個區域的流量。

2.2 軸壓與圍壓對含瓦斯煤滲透性影響程度

地應力分為軸壓和圍壓兩部分，軸壓變化對于煤體的滲流特性影響同樣顯著，見圖3.

圖3 含瓦斯煤滲透率隨軸壓及圍壓變化規律圖

對圖3中的曲線進行擬合，得到的擬合方程見表3.

表3 含瓦斯煤滲透率隨軸壓及圍壓變化規律擬合方程表

由圖3和表3可知，在加載過程中，隨著軸向應力的增加，煤體滲透率同樣呈負指數減小，在彈性階段，軸向應力越大，煤體滲透率越小；恒定軸向應力下，煤體滲透率隨圍壓的增大呈負指數形式減小，滲透率變化與軸壓、圍壓關系滿足式(1)，因此同樣可以通過判斷擬合系數a的大小來比較重要程度。

圍壓σ3擬合系數和軸壓σ1擬合系數分別為3.5、2.2，綜上所述，σ3>σ1，圍壓為影響含瓦斯煤滲透性的主要因素。分析其原因，這是由于煤體在施加圍壓后，表現為橫向壓縮，使得煤體內部的孔隙裂隙被壓密，滲流通道變窄；而在施加軸壓后豎向壓縮，在力的表現作用上使得圍壓效應減弱，煤體會在原有基礎上產生一定的膨脹效應，撐大了煤體內滲流通道，減緩滲透率的進一步降低。

綜上所述，在采動影響煤體滲透率最直觀的影響因素中，瓦斯壓力對于含瓦斯煤滲透性影響最大，圍壓的影響次之，軸壓最小。

3 結 論

1)煤體的含水率是影響滲透率變化的主要影響因素，在穩定的應力場中煤體滲透率相對含水率呈負指數關系。

2)采動對于煤層最直接的影響是應力場和瓦斯滲流場的改變，而地應力及瓦斯壓力的變化對煤體滲透率影響顯著，煤體滲透率的變化與軸壓、圍壓同樣呈負指數函數關系。

3)瓦斯壓力對于含瓦斯煤滲流特性影響最大，圍壓的影響次之，軸壓影響最小。