圍壓對原煤和型煤滲透特性影響實驗研究

李增慧

（唐山陸凱科技有限公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

隨著煤礦開采深度及開采強度的增加，煤層瓦斯賦存條件更加復雜，瓦斯防治難度也隨之增大，嚴重制約了礦井的生產安全。煤層瓦斯抽采是治理瓦斯災害的主要技術措施之一，而科學合理地確定煤層瓦斯抽采參數需研究掌握煤層瓦斯的滲流規律。

目前諸多學者對煤體的滲透率變化規律開展了大量研究。孫亮、賈男等對原煤與型煤的滲透特性進行實驗測定，比較了型煤與原煤在相同滲透率下的各孔隙參數之間的差異[1]。張丹丹測定了不同溫度條件下型煤及原煤的滲透率，通過定義溫度敏感性系數，進一步研究了2種煤樣的滲透率對溫度的敏感性差異[2]。李佳偉、劉建等利用巖石力學試驗系統，對原煤和型煤試件進行滲流試驗，分析了2種試件的力學性能和滲透特性[3]。王珍、袁梅進行了三軸滲流實驗，考察了煤層滲透率對平均有效應力敏感系數的變化規律[4]。胡雄、梁為等通過試驗對原煤及型煤的滲流特性從尺寸效應、溫度及應力三方面進行了分析[5]。魏建平、王超等研究了煤體滲透性實驗中型煤和原煤的差異，分析了不同圍壓和瓦斯壓力對型煤和原煤滲透性的影響差異[6]。賈恒義、王凱等以原煤和型煤煤樣為研究對象，進行了圍壓等幅循環加卸載滲流試驗，分析了滲透率對應力的響應特征[7]。

該實驗通過在實驗室制取原煤和型煤試樣，使用MZY-Ⅰ型煤層滲透率測定儀，研究不同圍壓和瓦斯壓力作用下對原煤及型煤煤樣滲透率的影響。分析實驗數據，總結圍壓和瓦斯壓力對煤體滲透率的影響，掌握煤層滲透性的變化規律，有助于合理有效的開發煤層氣資源。

1 實驗方法

1.1 原煤制樣

煤樣制備：①從采煤工作面選取長度大于150 mm且寬度和厚度大于100 mm較為規則的煤塊，采用保鮮膜對選取的煤塊逐一進行密封；②為保證鉆取煤樣的完整性，選用規格為50 mm×100 mm巖芯管鉆沿煤樣層理的垂直方向勻速緩慢鉆取；③鉆取結束后將煤樣上下兩端打磨光滑、平整，以確保煤樣上下端面受力均勻且穩定，制作規格為50 mm×100 mm的煤柱試樣；④將煤柱放入真空烘干箱烘干1 h后（水鉆鉆取煤柱表層過濕）標號并放入密封袋保存（每個標號煤柱取2～3個）。

1.2 型煤制樣

利用破碎機將鉆取煤芯后的塊煤粉碎成煤粉顆粒，通過振動篩篩取粒徑為0.18～0.38 mm的煤粉顆粒用于煤柱制備。稱取260 g左右篩分出的煤粉顆粒倒入型煤模具中，將模具置于剛性液壓壓力機上，設置加壓速率為0.5 MPa/s，加壓壓力為150 MPa，當壓力加載至150 MPa時保持30 min，煤樣制備完成。

1.3 實驗設備

實驗采用MZY-Ⅰ型煤層滲透率測定儀，測定原理如圖1所示。測定裝置由巖心前處理部分和氣、液測定部分組分，實驗主要應用的氣測部分主要由調壓閥、定值器、氣體質量流量計和壓力傳感器4部分組成。

圖1 滲透率自動測定原理Fig.1 Principle of automatic permeability measurement

1.4 實驗方案

為研究圍壓、瓦斯壓力與原煤和型煤滲透率變化之間的關系，制定如下實驗方案。

在圍壓4、8、12 MPa的條件下，將瓦斯壓力依次設定為0.2、0.4、0.6、0.8、1 MPa，測量原煤和型煤試樣的滲透率變化規律。

（1）測量并記錄煤樣長度和直徑后將煤樣放入裝置的夾持器中，進行裝置安裝并檢查裝置氣密性。

（2）依次將圍壓、瓦斯壓力、溫度設定為4 MPa和0.2 MPa和室溫。保持夾持器中的瓦斯壓力恒定，煤樣充分吸附12 h后將進氣閥門與出氣閥門同時關閉，觀察夾持器內瓦斯壓力減少量。如果瓦斯壓力在1 h內的減少量小于系統泄露的氣體量，則說明該實驗試件吸附已達到平衡狀態；如果不小于系統泄漏氣體量則繼續吸附2 h后再按如上步驟檢驗裝置的氣密性，直至煤樣達到吸附平衡狀態。

（3）設置進氣端氣體壓力為所需實驗值，出氣端氣體壓力為0.1 MPa（大氣壓力），待實驗穩定后測出單位時間內通過的瓦斯流量。

（4）選用適宜的轉子流量計，記下實驗所需氣壓值時通過的流量值，間隔相同變化值時記錄對應的流量至該組實驗結束。

（5）將進氣端氣體壓力值調為0；打開放空閥，待圍壓降至0后方可取出煤樣，一次實驗結束。

（6）重復步驟（2）～步驟（5），依次完成不同條件下滲透率的測定。實驗結束后將儀器還原并關閉所有閥門，測試完畢。

1.5 煤樣滲透率計算

實驗室在測定試樣滲透率時應基于達西定律穩定流法對其進行計算，計算公式見式（1）[8]。

式中：K為氣體滲透率，10-4μm2；P0為大氣壓力，MPa；Q0為大氣壓力下的氣體流量，mL/s；μ為瓦斯氣體粘度系數，Pa·s；L為試樣的長度，cm；A為試樣的橫截面積，cm2；P1為進口氣體壓力，MPa；P2為出口氣體壓力，MPa。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

按照上述實驗方案進行瓦斯滲流實驗，進氣端通入瓦斯氣體，待進氣口壓力穩定后，每20 s計量一次氣體流量，代入式（1）中，可得到不同條件下原煤與型煤試樣的滲透率。原煤與型煤滲透率隨圍壓和瓦斯壓力變化情況如圖2所示。

圖2 不同瓦斯壓力下的試樣滲透率Fig.2 Sample permeability under different gas pressures

由圖2可知，瓦斯壓力一定時，原煤及型煤煤樣的滲透率均隨圍壓的升高而降低；圍壓一定時，2種煤樣的滲透率均隨著瓦斯壓力的增大而減小，且在瓦斯壓力0.6～1 MPa的滲透率衰減量小于0.2～0.6 MPa的衰減量。這種現象主要與Klinkenberg效應有關[9]，在瓦斯壓力升高的初期，煤體骨架因吸附瓦斯而膨脹變形，導致在周圍壓力不變的情況下難以沿徑向向外壁膨脹變形，因此煤體內部結構向內膨脹，導致氣體流動的通道變得狹窄、堵塞，最終造成滲透率下降的結果。另外，因為煤體自身具有吸附作用，使得孔隙結構的表層吸附了少量氣體，造成氣體通道體積有所縮小，導致煤體的滲透率降低[10]。原煤滲透率低于型煤滲透率是因為Klinkenberg效應在低壓狀態下對原煤樣品的滲透率影響比型煤大；Klinkenberg效應隨氣體壓力升高而逐漸減弱，因此0.6～1 MPa的滲透率衰減量小于0.2～0.6 MPa的滲透率衰減量。

2.2 原煤與型煤滲流特性分析

在不同圍壓和瓦斯壓力條件下，型煤和原煤的滲透率變化如圖3所示。

圖3 型煤與原煤滲透率對比Fig.3 Comparison of permeability between briquette and rawcoal

由圖3可以看出，在同一圍壓和瓦斯壓力條件下，型煤的滲透率均大于原煤滲透率。在不同圍壓條件下，型煤的滲透率隨瓦斯壓力的增加衰減幅度較大，而原煤滲透率的衰減幅度則較為平緩；型煤與原煤滲透率的差值均隨瓦斯壓力的增加而逐漸減小。

對不同圍壓下的原煤與型煤滲透率實驗數據進行擬合分析，擬合結果見表1、表2。

由表1、表2可知，不同圍壓條件下的原煤和型煤煤樣滲透率均隨瓦斯壓力的增加呈負指數函數變化。孔隙結構是影響煤體滲透性的主要因素，圍壓對煤體內部孔隙結構產生影響，使得煤體滲透率發生變化[11]。滲透率的降低是由于煤樣的內部孔隙體積在圍壓的作用下逐漸減少，從而阻礙了孔隙間的連通。原煤由于骨架強度大，抗壓能力強，內部孔隙變化量也比型煤少，所以滲透率下降較小。在相同的實驗條件下，型煤的滲透率是原煤的9～70倍，這說明型煤的內部孔隙體積比原煤大得多，型煤的孔隙和裂隙連通性較好。雖然原煤內部存在較多的原生裂隙和孔隙結構，但因為連通性較差，氣體的有效流動通道較少，單位時間內氣體流量少，因此其滲透率低于型煤。與此相反的是，型煤由特定粒度的煤粉顆粒制作而成，雖然煤體內部的裂隙結構與原煤相比較少，但其內部孔隙結構連通性比原煤樣品好，氣體滲透空間大，導致滲透率大于原煤。

表1 原煤滲透率與瓦斯壓力的擬合方程Table 1 Fitting equation of rawcoal permeability and gas pressure

3 結 論

為研究原煤與型煤滲透率變化規律，在實驗室中制取了50 mm×100 mm的原煤和型煤煤樣，并對2種煤樣進行了滲透率實驗。分析了不同圍壓、不同瓦斯壓力條件下原煤和型煤煤樣滲透率的變化規律。

（1）瓦斯壓力一定時，原煤及型煤煤樣的滲透率均隨圍壓的升高而降低，煤樣滲透率與圍壓呈負相關關系；圍壓一定時，原煤和型煤的滲透率隨瓦斯壓力的增加呈負指數函數變化。Klinkenberg效應對原煤煤樣滲透率的影響更大，Klinkenberg效應隨瓦斯壓力升高而逐漸減弱。

（2）在相同試驗條件下，型煤的滲透率遠大于原煤的滲透率，是原煤煤樣滲透率的9～70倍。隨瓦斯壓力增大，原煤滲透率的下降幅度小于型煤，且型煤與原煤滲透率的差值均隨瓦斯壓力的增加而逐漸減小。