魏建平，位 樂，王登科

(1.河南理工大學 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003；2．河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

含水率對含瓦斯煤的滲流特性影響試驗研究

魏建平1,2，位 樂1,2，王登科1,2

(1.河南理工大學 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003；2．河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

利用自主研發(fā)的三軸煤巖瓦斯?jié)B流試驗系統(tǒng)，測定煤樣在含水率、圍壓和瓦斯壓力的不同組合情況下的滲流量，得到含水率與含瓦斯煤滲透特性之間的關系表達式，揭示了受水分影響的含瓦斯煤滲透特性的一些新的認識:① 不同含水率煤樣，固定瓦斯壓力條件下，含瓦斯煤滲透率隨圍壓的增大而減小，且呈指數(shù)函數(shù)關系；② 不同含水率條件下的含瓦斯煤，隨著瓦斯壓力的增大，含瓦斯煤滲透率的先減小后增大，呈現(xiàn)出“V”字型變化趨勢，具有明顯的Klinkenberg效應；③ 瓦斯壓力對含瓦斯煤滲透性的影響大于圍壓的影響；④ 恒定溫度環(huán)境條件下，含水率對含瓦斯煤的滲透性有很明顯的影響，隨著煤樣中含水率的增加，含瓦斯煤的滲透率逐漸減小，整體呈負指數(shù)關系。

含水率；滲透率；含瓦斯煤；滲流特性

我國煤礦災害中瓦斯事故一直居高不下，對本煤層瓦斯災害的控制都可以歸因于瓦斯在煤層中的流動，即瓦斯在煤層中的滲流，因此煤層瓦斯?jié)B流特性已日益成為瓦斯災害防治領域的重要研究方向。國內外學者從煤體所處的地應力場、地電場、溫度場、蠕變以及不同煤質和不同孔隙氣體等方面開展了很多相關研究。尹光志等[1]研究了瓦斯型煤試件的全應力-應變過程瓦斯?jié)B透特性變化規(guī)律；王宏圖等[2]研究認為瓦斯?jié)B流量隨電場強度的升高近似成線性增大；馬衍坤等[3]通過實驗研究驗證了瓦斯吸附滲流過程中，瓦斯分子進入煤基質，造成煤體基質膨脹，影響瓦斯在煤層中的滲流規(guī)律，使煤層瓦斯?jié)B透率降低；李志強、梁冰等[4-5]研究了溫度對煤體滲透率的影響，認為滲透率隨溫度的升高而增大，且呈正指數(shù)關系；許江等[6]研究認為蠕變后煤樣滲透率降低，下降幅度為25.2%～38.7%；鄭貴強[7]對不同煤階的滲透特征進行了實驗和模擬研究；王登科等[8]研究了考慮開采擾動作用下復雜應力路徑下滲透性變化規(guī)律，提出了含瓦斯煤在圍壓的升降過程中會發(fā)生滲透率的損害，其損害程度可用最大滲透率損害率來表征；W.F.Brace[9]進行了應力作用下巖體滲透率變化規(guī)律研究，研究結果表明巖石類材料的滲透率對應力反應非常敏感；C.R.McKee等[10]建立了煤體滲透率、孔隙度和密度與有效應力和埋深之間的關系方程，并利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了驗證；Liu等[11]研究了瓦斯抽放鉆孔的滲流規(guī)律，并建立了考慮吸附效應的一維控制方程，計算出了瓦斯抽放鉆孔的滲流速度分布情況；趙陽升等[12-13]提出了塊裂介質巖體變形與氣體滲流的耦合數(shù)學模型及其數(shù)值解法，同時指出瓦斯吸附和變形作用對煤層瓦斯?jié)B流有重要影響，而且滲透率隨孔隙壓的變化表現(xiàn)為存在一臨界值，孔隙壓小于該臨界值時煤層滲透率衰減，反之則增加；劉見中等[14]研究了含瓦斯煤在不同應力條件下的滲流特性，結果表明軸壓、圍壓和瓦斯壓力是影響含瓦斯煤滲透率大小的主要因素。

以上研究都是基于干燥煤樣所得到的研究成果。目前控制瓦斯災害的主要有效途徑就是瓦斯抽放，而水分是煤層的固有組成部分，在實際工程應用中特別是下向鉆孔抽采時常常受到水的影響，因此在研究煤層瓦斯運移規(guī)律時，考慮水分的影響更能客觀反映出瓦斯氣體在煤層中的賦存狀態(tài)和流動規(guī)律。目前關于水分對含瓦斯煤滲透特性影響的研究并不多見，馮增朝[15]等從吸附角度考慮了含水率的影響；尹光志等[16]研究認為煤體含水率與甲烷有效滲透率關系可用線性函數(shù)表述；Wang Shugang等[17]以構造煤為研究對象認為隨著含水率的增加煤的孔隙率降低，從而最終導致煤的滲透率降低；袁梅等[18]研究認為滲透率與水分成反相關關系，含瓦斯煤樣的滲透率隨含水率的增加呈非線性遞減關系，并服從指數(shù)分布關系，且含水率越高，滲透率降低幅度越大?？梢钥闯瞿壳瓣P于水分對含瓦斯煤滲透特性影響的認識尚未達成一致。

筆者以取自平煤集團方山礦新井二1煤的煤樣為研究對象，利用自主研發(fā)的三軸煤巖瓦斯?jié)B流試驗系統(tǒng)對不同含水率含瓦斯煤的滲流特性進行深入研究，以期豐富煤層瓦斯?jié)B流理論。

1 試 驗

1.1 煤樣制取與試驗裝置

在做滲流試驗之前，根據(jù)GB/T 212—2001對所取煤樣進行了工業(yè)分析、吸附常數(shù)和鏡質組反射率的測定，所得的基礎參數(shù)見表1。

表1煤樣工業(yè)分析、吸附常數(shù)和鏡質組反射率的測定結果
Table1Theresultsofproximateanalysis,adsorptionconstantsandvitrinitereflectanceofcoalsamples

吸附常數(shù)a/(m3·t-1)b/MPa-1Mad/%Aad/%Vad/%Rmax/%18 8200 7150 9910 4814 381 67

試驗所用不同含水率煤樣的制取過程如下:

(1)將原始煤塊粉碎，篩取粒徑0.2～0.5mm的煤粉，向煤粉中加入適量蒸餾水，并攪拌均勻。將攪拌好的煤粉裝入制樣模具，利用壓力機在150kN的載荷條件下，將煤粉壓制成φ50mm×100mm的標準煤樣。

(2)取制作好的型煤煤樣，放入烘箱內烘干，制成干燥煤樣，并稱量出煤樣的干重m0。

(3)將真空容器、高壓氣管、緩沖瓶和真空泵連接好，并檢查好回路的氣密性；在干燥煤樣外包裹一層透水布，然后將煤樣置于盛有蒸餾水的密閉容器中，使干燥煤樣完全浸泡于蒸餾水中，開啟真空泵，對密閉容器抽真空3 h獲得飽和水煤樣。

(4)將飽和水煤樣取出，并稱量出煤樣飽和水質量ms，計算煤樣的飽和水含水率ws為

(1)

(5)將飽和水煤樣置于干燥箱內，在105℃的溫度下進行烘烤，一般情況每隔30min對煤樣稱重一次，稱重時間可根據(jù)實際需要進行調整，直至煤樣質量達到預先的設定值mp時，便停止烘烤，然后將煤樣取出后置于恒溫恒濕養(yǎng)護箱內，并每隔2h對煤樣進行稱重，直至煤樣質量變?yōu)閙u后不再變化為止，該過程需要1～2d，此時煤樣內部的水分已經(jīng)達到分布均勻狀態(tài)。煤樣最終的含水率wu為

(2)

(6)重復步驟(2)～(5)，可成功制取不同含水率的煤樣。制作好的不同含水率煤樣如圖1所示。

圖1 試驗所用型煤煤樣Fig.1 Briquette samples for testing

試驗所用的設備為自主設計研發(fā)的三軸煤巖瓦斯?jié)B流試驗系統(tǒng)(圖2)。試驗系統(tǒng)主要由貯氣瓶、煤樣夾持器、恒溫水浴、手動加壓泵、精密壓力表和數(shù)字流量計等組成。主要性能參數(shù)：圍壓范圍0～50MPa，精度±0.1MPa；軸壓范圍為0～70MPa，精度±0.1MPa；孔隙氣壓范圍為0～15MPa，精度±0.05MPa；煤樣溫度范圍為室溫～80℃，精度±0.1℃；氣體流量監(jiān)測精度為0～500mL/min，精度±2mL/min。

圖2 試驗系統(tǒng)示意Fig.2 The experiment system schemes

1.2 試驗原理

根據(jù)前人研究結果，瓦斯在煤層中的流動符合達西定律，則含瓦斯煤滲透率的計算公式為

(3)

式中，K為滲透率，10-15m2；Q0為氣體流量，cm3/s；p0為大氣壓力，Pa；μ為氣體動力黏性系數(shù)，Pa·s，40℃時μ=1.1502×10-5Pa·s；L為試件長度，cm；p1為進口氣體壓力，Pa；p2為出口氣體壓力，Pa；A為煤樣橫截面積，cm2。

1.3 試驗方法和步驟

采用體積分數(shù)為99.99%的甲烷氣體作為試驗介質。為避免試驗結果受溫度影響，保證煤樣和進入煤樣的甲烷氣體溫度保持一致，將甲烷參考罐和煤樣夾持器一起置于恒溫水浴中。在恒溫40℃條件下，利用試驗系統(tǒng)考察不同含瓦斯煤在4個級別(0.2，0.4，0.6，0.8MPa)的瓦斯壓力和6個級別(4，6，8，10，12，15MPa)的圍壓組合條件下的滲流特性。

具體試驗步驟如下:

(1)利用恒溫水浴將環(huán)境溫度設定在40℃。取一制作好的特定含水率煤樣，安裝在煤樣夾持器5中(圖2)，關閉閥門14～16,19，打開閥門17和18，利用手動加壓泵對煤樣施加大于氣體壓力的預定圍壓后關閉閥門17以保持恒定的圍壓；同時在煤樣軸向方向施加0.2MPa左右的軸壓，以確保煤樣的兩端頂緊夾持器兩端的壓頭，之后關閉閥門18保持軸壓的恒定。

(2)打開閥門14，利用減壓閥2，向瓦斯參考罐4中充入壓力為p1的甲烷氣體；待甲烷氣體達到實驗溫度40℃時，打開閥門15和16，向煤樣中通入壓力為p1的甲烷氣體，讓煤樣充分吸附甲烷氣體8h以上；然后關閉閥門15，通過壓力表10觀察煤樣吸附瓦斯的壓力變化情況，如果壓力下降，便打開閥門15補充瓦斯吸附壓力，直至在10min內壓力表10的讀數(shù)不再降低，即認為煤樣已達到吸附平衡。

(3)為保證煤樣內部水分的不流失，不能對煤樣進行抽真空操作。除水分外，煤樣的孔隙和裂隙中還存在有一定量的空氣。為排除空氣的影響，確保煤樣吸附的是純甲烷氣體，在滲流試驗開始之前，進行了多次瓦斯吸附。具體做法是:當煤樣達到第1次吸附平衡后，打開瓦斯出口，將煤樣中的氣體排出，同時測定排出氣體的甲烷體積分數(shù)；氣體排放結束后，關閉瓦斯出口閥門，再往煤樣中充入壓力p1的甲烷氣體，煤樣達到吸附平衡后，再次排放瓦斯氣體，同時測定排出氣體的甲烷體積分數(shù)；重復3次以上，直到煤樣排放出氣體的甲烷體積分數(shù)達到99%以上，此時煤樣原始孔隙氣體對試驗結果的影響已經(jīng)十分微小，可以認為煤樣吸附甲烷氣體達到平衡。

(4)煤樣達到吸附平衡后，保持閥門14～16開通,以保證煤樣進氣端的瓦斯壓力大小一直是p1，運行數(shù)字流量計軟件，利用氣體質量流量計8自動采集流量數(shù)據(jù)，打開閥門19，開始滲流試驗。待出口端瓦斯氣體流量穩(wěn)定后，便可關閉瓦斯出口閥門19，然后改變圍壓或改變瓦斯壓力，進行下一個試驗條件下的瓦斯?jié)B流試驗。

(5)重復以上步驟直至所有載荷條件下的滲流試驗順利完成；上述試驗過程中,對同一煤樣步驟(3)只需進行一次，改變試驗條件后不再重復進行孔隙氣體置換步驟。

試驗過程中要注意圍壓一定要大于氣體壓力以防止氣體泄漏；改變圍壓條件后須待煤樣結構穩(wěn)定以后再記錄數(shù)據(jù)，以減小試驗誤差；每次改變試驗條件時，試驗開始之前必須保證煤樣達到吸附平衡。

2 結果和討論

2.1 含瓦斯煤滲透率與圍壓的關系

在0.2和0.4MPa、固定含水率條件下(對同一煤樣改變試驗圍壓)，煤樣滲透率隨圍壓的變化趨勢如圖3所示。根據(jù)圖3的試驗數(shù)據(jù)，可得到不同試驗條件下煤樣滲透率與圍壓之間的擬合方程，見表2。

圖3 恒定瓦斯壓力條件下煤樣滲透率與圍壓關系Fig.3 Relationship curves between permeability and confining pressure under constant gas pressure

由圖3可知，在固定氣體壓力和含水率條件下，煤樣滲透率隨著圍壓的增大逐漸減小，且隨著圍壓的逐漸增大，煤樣滲透率的變化趨勢逐漸減緩。出現(xiàn)這種情況的原因是隨著圍壓的增大，煤樣被壓實壓密，孔隙率變小，瓦斯氣體通過煤樣的難度增大。同時由表2可知，隨著圍壓的增大，煤樣滲透率呈負指數(shù)下降的變化規(guī)律，與前人的研究結果[19]一致。

表2不同瓦斯壓力下煤樣滲透率與含水率關系擬合表達式
Table2Fittingfunctionsofpermeabilityandconfiningpressureunderdifferentgaspressure

瓦斯壓力/MPa含水率/%擬合曲線方程R21 52K=4 3242e-0 0664σ30 99480 23 66K=2 4256e-0 0785σ30 99535 36K=1 4647e-0 1019σ30 99171 52K=2 8629e-0 0519σ30 97390 43 25K=2 0167e-0 0783σ30 99855 41K=1 995e-0 18σ30 9937

2.2 含瓦斯煤滲透率與瓦斯壓力的關系

在6和12MPa圍壓條件下，煤樣滲透率隨含水率變化的趨勢，如圖4所示。根據(jù)圖4的試驗數(shù)據(jù)，可得到不同試驗條件下煤樣滲透率與含水率之間的擬合方程，見表3。

圖4 恒定圍壓條件下煤樣滲透率與含水率關系Fig.4 Relationship curves between permeability and moisture content under confining pressure

為得到煤巖滲透率隨瓦斯壓力的變化規(guī)律，取3%含水率條件(圖4中虛線位置)作為分析對象。根據(jù)滲透率與含水率關系的擬合表達式作圖，從圖5可以看出,在3%的含水率條件下，煤樣滲透率與瓦斯壓力之間存在著非線性關系。隨著瓦斯壓力的增大，煤樣滲透率經(jīng)歷了一個先變小后增大的過程，最終形成“V”字型走勢，具有明顯的Klinkenberg效應。同時還發(fā)現(xiàn)煤樣滲透率由逐漸變小到逐漸增大的拐點處瓦斯壓力約為0.6 MPa，與前人的研究結果[20]基本一致。

表3恒定圍壓條件下煤樣滲透率與含水率關系擬合表達式
Table3Fittingfunctionsofpermeabilityandmoisturecontentofcoalunderconfiningpressure

圍壓/MPa瓦斯壓力/MPa擬合曲線方程R20 2K=4 9876e-0 3367w0 994660 4K=3 1682e-0 2836w0 99890 6K=2 8110e-0 3932w0 99860 8K=2 6054e-0 305w0 99610 2K=3 5503e-0 3887w0 9929120 4K=3 4159e-0 497w0 99360 6K=1 9107e-0 4755w0 99120 8K=1 7856e-0 3802w0 9969

圖5 恒定3%含水率煤樣滲透率與瓦斯壓力關系Fig.5 Relationship curves between permeability and gas pressure under moisture content of 3%

2.3 含瓦斯煤滲透率與含水率的關系

在0.6和0.8MPa氣體壓力條件下，煤樣滲透率隨著含水率變化趨勢如圖6所示(圖中相同含水率測試結果為同一煤樣在不同圍壓條件下的測試數(shù)據(jù))。利用圖6中的試驗數(shù)據(jù)，可得到不同試驗條件下煤樣滲透率與含水率之間的擬合方程，見表4。

由圖4～6可知，不論在恒定圍壓還是在恒定瓦斯壓力條件下，含瓦斯煤的滲透率均隨著含水率的增加而降低，并且均符合指數(shù)變化規(guī)律(表3,4)。

以圖4為例，在6 MPa的恒定圍壓和0.2MPa的瓦斯壓力條件下，含水率從1.52%增至5.36%過程中，含瓦斯煤的滲透率從2.98×10-15m2降至0.79×10-15m2，降幅達73.5%；圖8中，在0.6 MPa瓦斯壓力和4MPa的圍壓條件下，含水率從1.45%增至4.54%過程中，含瓦斯煤的滲透率從1.82×10-15m2降至0.65×10-15m2，降幅達64.3%。顯然，水分的存在大大制約了含瓦斯煤的滲透特性。水分的存在之所以能對含瓦斯煤的滲透性造成如此大的影響，主要是因為煤有很強的親水性，隨著含水率的增加，煤樣中的水吸附在煤的表面，同時占據(jù)了煤樣的孔隙，水進入多孔介質中，水優(yōu)先進入大孔隙而跳過小孔隙[21]，從而導致了瓦斯?jié)B流過程中的有效滲流通道變窄甚至完全閉合，而煤樣的有效孔隙率是影響煤樣滲透性的重要因素，所以煤樣滲透率隨著含水率的增大而降低。

圖6 恒定瓦斯壓力條件下煤樣滲透率與含水率關系Fig.6 Relationship curves between permeability and moisture content under gas pressure

表4 恒定瓦斯壓力條件下煤樣滲透率與含水率關系擬合表達式Table 4 Fitting functions between permeability and moisture content of coal under fixed gas pressure

2.4 圍壓和瓦斯壓力對不同含水率的含瓦斯煤滲透性的影響程度

由表3，4可知，不論恒定瓦斯壓力改變圍壓，還是恒定圍壓改變瓦斯壓力，隨著含水率的增加，圍壓和瓦斯壓力對含瓦斯?jié)B透性的影響均符合“K=me-nw”(m，n為擬合系數(shù))的指數(shù)變化規(guī)律。

在表3,4中，對擬合系數(shù)m分析可以得出圍壓和瓦斯壓力對含瓦斯煤滲性的影響程度。系數(shù)m隨圍壓和瓦斯壓力的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 擬合系數(shù)m隨圍壓和瓦斯壓力的變化趨勢Fig.7 Relationship curves between fitting coefficient m and confining pressure,gas pressure

為更直觀地分析圍壓和瓦斯壓力對含瓦斯煤滲透性的影響大小，在圖7中均采用線性擬合方式，擬合結果見表5。

表5擬合系數(shù)m與圍壓和瓦斯壓力的關系擬合表達式
Table5Fittingfunctionsbetweenthefittingcoe-fficientmandconfiningpressureandgaspressure

變量擬合曲線方程R2圍壓6MPam=-3 7519p+5 26900 7925圍壓12MPam=-3 3990p+4 36550 8593瓦斯壓力0 6MPam=-0 1391σ3+3 65950 9564瓦斯壓力0 8MPam=-0 1214σ3+3 30020 9935

由表5可知，瓦斯壓力p系數(shù)的平均值為3.5754，圍壓σ3系數(shù)的平均值為0.1303，3.5754>0.1303，瓦斯壓力對含瓦斯煤變化率的影響要大于圍壓的影響。導致產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是試驗過程中存在的瓦斯吸附解吸過程，因為在實際的煤層瓦斯?jié)B流過程中也往往伴有瓦斯的吸附解吸。在原始瓦斯壓力p的條件下，煤層瓦斯處于吸附解吸平衡的狀態(tài)，從煤層中析出的瓦斯總流量大于單一的瓦斯?jié)B流流量。

3 結 論

(1)隨著圍壓的增大，煤樣滲透率逐漸減小，且減小的趨勢伴隨圍壓的增大逐漸減弱，與圍壓呈負指數(shù)函數(shù)關系。

(2)不同含水率條件下的含瓦斯煤，隨著瓦斯壓力的增大，煤樣滲透率先減小后增大，具有明顯的Klinkenberg效應，整個變化曲線成“V”字型。

(3)煤樣瓦斯的滲透率與含水率的關系不是簡單的反相關線性關系，而是隨著含水率的增加，通過煤樣瓦斯的滲透率逐漸減小，減小的趨勢隨著含水率的增加逐漸降低，呈負指數(shù)函數(shù)關系。

(4)通過對圍壓和瓦斯壓力在瓦斯?jié)B流影響的分析可知，瓦斯壓力對含瓦斯煤滲透率的影響要大于圍壓的影響。

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Experimentalstudyofmoisturecontentinfluencesonpermeabilityofcoalcontaininggas

WEI Jian-ping1,2，WEI Le1,2，WANG Deng-ke1,2

(1.StateKeyLaboratoryCultivationBaseforGasGeologyandGasControl(HenanPolytechnicUniversity)，Jiaozuo454003，China；2.SchoolofSafetyScienceandEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454003，China)

The relational expression between the moisture content and the permeability of coal containing gas was obtained through measuring the gas seepage flux under the combination of moisture,confining pressure and gas pressure by using a self-developed triaxial gas seepage testing system.Based on the experimental data of coal containing gas,some novel interaction results of seepage property influenced by moisture are obtained as follows:① For coal samples of different moisture content,the permeability of coal containing gas decreases with increasing of confining pressure under the fixed gas pressure condition;and the decreasing rule obeys an exponential law.② With the increasing in gas pressure,the permeability of coal samples decreases first and then increases,presenting a “V” style change trend and obvious Klinkenberg effect.③ The influence of gas pressure on the permeability of coal containing gas is greater than the effect of confining pressure.④ Moisture content has a significant effect on the permeability of coal containing gas under the constant temperature condition;and the permeability of coal containing gas slowly decreases with the increase in moisture content,following a negative exponential function law.

moisture content;permeability;coal containing gas;seepage characteristic

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0209

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2012CB723103)；國家自然科學基金資助項目(51104059)；教育部長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT1235)

魏建平(1971—)，男，河南遂平人，教授，博士。E-mail:weijianping@hpu.edu.cn

TD712

A

0253-9993(2014)01-0097-07

魏建平，位 樂，王登科.含水率對含瓦斯煤的滲流特性影響試驗研究[J].煤炭學報,2014,39(1):97-103.

Wei Jianping,Wei Le，Wang Dengke.Experimental study of moisture content influences on permeability of coal containing gas[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):97-103.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0209