劉 震,李增華，楊永良，楊繼超，季淮君

(1.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

卸壓邊界區(qū)徑向瓦斯?jié)B流特性試驗研究

劉 震1，2,李增華1，2，楊永良1，2，楊繼超1，2，季淮君1，2

(1.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

以淮北青東煤礦8號突出煤層煤樣為研究對象，利用自行研制的徑向瓦斯?jié)B流實驗系統(tǒng)，結(jié)合保護層卸壓邊界區(qū)地應力及瓦斯壓力分布特征，進行變軸壓、變瓦斯壓力、變鉆孔孔徑條件下突出煤樣徑向瓦斯?jié)B流試驗。試驗結(jié)果表明：相同軸壓下，徑向瓦斯?jié)B流量隨瓦斯壓力增加而增加，成二次多項式關系，滲透率隨瓦斯壓力增加，在0～0.6 MPa內(nèi)迅速降低，隨后緩慢下降，并趨于穩(wěn)定；相同瓦斯壓力下，滲透率隨覆壓增加呈線性遞減趨勢；受鉆孔卸壓影響，在低軸壓階段，大孔徑松軟低強度試樣滲透率顯著高于小孔徑試樣的滲透率，隨軸壓增加，兩者滲透率逐漸趨于一致。

滲流流量；滲透率；瓦斯壓力；軸壓；鉆孔孔徑

開采保護層作為優(yōu)先選擇的區(qū)域防突措施被廣泛應用于我國突出煤層防突工作中。保護層開采效果及范圍考察是保護層開采防突工作的重要內(nèi)容之一，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中要求采用瓦斯壓力、含量、頂?shù)装逦灰屏恐笜?，結(jié)合透氣性系數(shù)變化率等指標進行保護效果檢驗。各指標尤其是透氣性系數(shù)變化率均是通過鉆孔方式來實現(xiàn)保護層卸壓效果的考察。因此，需要研究保護層卸壓區(qū)尤其是邊界區(qū)域鉆孔徑向瓦斯?jié)B流特性。國內(nèi)外針對煤層瓦斯?jié)B流特性及影響因素開展了大量的研究工作。周世寧和林柏泉[1-2]研究了地應力、瓦斯壓力對煤樣滲透率及變形的影響規(guī)律；孫培德[3]研究了變形過程中煤樣滲透率的變化規(guī)律；譚世福[4]、隆清明[5]分別研究了吸附作用對煤體瓦斯?jié)B流特性的影響；尹光志[6-7]、曹樹剛[8]、胡雄等[9]分別研究了地應力、瓦斯壓力對突出型煤和原煤滲流的影響；王光榮[10]、朱卓慧[11]、李東印[12]、蔣長寶等[13]分別研究了不同應力條件煤體變形及瓦斯?jié)B流特性；S.Harpalani等[14]進行了煤的常規(guī)滲透率實驗研究；J.R.E.Enever等[15]研究了滲透率與有效應力的關系。以上學者多以單向穩(wěn)態(tài)滲流為基礎，研究地應力和瓦斯壓力對煤體瓦斯?jié)B流特性的影響，而對現(xiàn)場以鉆孔為主導防突措施的徑向滲流特性的試驗研究較少。

筆者利用自行研制的瓦斯徑向滲流試驗系統(tǒng)，以淮北青東煤礦被保護8煤層卸壓邊界區(qū)域瓦斯賦存特征為背景，進行了不同覆壓、瓦斯壓力條件下鉆孔徑向瓦斯?jié)B流試驗，對研究卸壓邊界區(qū)瓦斯?jié)B流特性及通過鉆孔瓦斯涌出規(guī)律確定保護層開采效果及范圍提供基礎理論依據(jù)。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗樣品

試驗樣品取自安徽省淮北市青東煤礦828工作面，為上部726工作面的被保護工作面?，F(xiàn)場測定了726工作面回采后，下部被保護煤層理論卸壓線區(qū)域的瓦斯壓力，其分布特征為：由卸壓區(qū)殘余瓦斯壓力0.4MPa逐漸過渡至1.0MPa瓦斯壓力，卸壓區(qū)煤層透氣系數(shù)比未卸壓區(qū)擴大了70倍，現(xiàn)場采集了卸壓邊界區(qū)煤樣，煤樣采集標高為-585m，通過觀測發(fā)現(xiàn)煤體疏松、呈顆粒狀、無節(jié)理，易捻成粉末，因而無法采集到塊狀煤樣，采集松散煤體密封送至實驗室。測定煤體堅固性系數(shù)f為0.15，判定煤體破壞類型達到Ⅳ類，實測8煤層原始瓦斯壓力最大為1.61MPa，為松軟低透強突出煤層。其工業(yè)分析見表1。

表1煤樣的工業(yè)分析值
Table1Industrialanalysisofcoalsample

煤樣Ad/%Mad/%Vdaf/%真密度/(g·cm-3)青東8煤29 251 2826 061 46

1.2 試驗系統(tǒng)及測試原理

試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括：電加熱恒溫系統(tǒng)、高壓罐體、覆壓加載系統(tǒng)、瓦斯壓力及流量檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、抽真空及穩(wěn)壓注氣系統(tǒng)。

圖1 徑向滲流試驗系統(tǒng)Fig.1 Test system of radial gas flow

在正常壓力范圍內(nèi)，煤體內(nèi)瓦斯流動狀態(tài)屬于層流運動，符合達西滲透定律，根據(jù)平面徑向穩(wěn)態(tài)滲流規(guī)律，得到實驗室測定煤樣滲透率的計算公式為

(1)

式中，K為煤樣的滲透率，10-15m；μ為瓦斯的黏度系數(shù)，20℃時取為1.087×10-5Pa·s；p0為試驗室的大氣壓力，Pa；Q0為氣體流量，mL/s；pw，pe分別為內(nèi)外邊界壓力，MPa；rw，re分別為內(nèi)外邊界半徑，cm；h為煤層厚度，cm。

1.3 試驗過程

試驗采用濃度為99.99%的甲烷氣體。因煤體極度松軟，以原煤篩分粒徑0～0.5mm煤樣裝入高壓罐體，啟動連接密封活塞的壓力機進行覆壓加載。結(jié)合現(xiàn)場鉆孔徑向滲流實際情況，距離鉆孔較遠處應力、應變均處于原始狀態(tài)，為減小尺寸效應及鉆孔軸向滲流的影響，應保證試樣尺寸明顯大于鉆孔孔徑，試驗選擇大尺寸平板試樣(φ140mm×35mm)，滲氣花管模擬鉆孔，尺寸為φ7 mm，滲氣花管上安設套管(在研究鉆孔卸壓影響時才安設套管)。通過滲透圓管管壁對試樣徑向應變予以固定約束，施加軸壓模擬上覆巖層壓力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中壓力變送器用來實時記錄煤樣外邊界瓦斯壓力，渦輪流量計及集氣裝置用來測試鉆孔瓦斯涌出流量。具體試驗步驟如下：

(1)稱取0.90kg煤樣裝入高壓罐體，啟動連接密封活塞的壓力機，施加12MPa原始覆壓。

(2)參照煤炭行業(yè)標準“煤的甲烷吸附量測定方法”(高壓容量法)MT/T752-1997，設定電加熱恒溫墊溫度為60℃，開啟真空泵，進行長時間脫氣(8h)。

(3)設定電加熱恒溫墊溫度為30℃，打開瓦斯鋼瓶和穩(wěn)壓閥，使甲烷進入高壓罐體，并通過滲透圓管進入試驗煤體中，試驗煤體進行長時間等溫吸附(24h)。

(4)開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將軸壓和瓦斯壓力調(diào)節(jié)為設定值，吸附瓦斯4h后，打開滲氣花管和流量計之間的閥門進行瓦斯釋放，釋放20min待瓦斯流量穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的流量測試結(jié)果。

(5)改變覆壓和瓦斯壓力試驗值，重復進行上述試驗步驟(4)，試驗覆壓選擇依據(jù)為青東煤礦上保護層開采卸壓邊界區(qū)地應力分布特性數(shù)值模擬結(jié)果[16]，試驗瓦斯壓力選擇依據(jù)為現(xiàn)場實測結(jié)果，覆壓為4，8，10，12MPa，瓦斯壓力為0.2～2.0MPa。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 瓦斯壓力對徑向滲流特性的影響

根據(jù)試驗測試結(jié)果，得出4種覆壓條件下，突出煤樣徑向瓦斯?jié)B流流量與瓦斯壓力關系，對試驗結(jié)果做進一步處理，擬合出4種覆壓條件下試樣徑向瓦斯?jié)B流流量與瓦斯壓力的關系，如圖2所示，瓦斯?jié)B流流量v與瓦斯壓力p的擬合公式見式(2)。

(2)

圖2 滲流流量與瓦斯壓力的關系及擬合曲線Fig.2 Relationship and fitting curves of gas seepage velocity and gas pressure

由圖2可知，4種不同覆壓條件下，突出煤樣徑向瓦斯?jié)B流流量均隨瓦斯壓力的增加而增大。徑向瓦斯?jié)B流流量與瓦斯壓力之間存在二次多項式關系，與其他學者通過單向滲流試驗得出的結(jié)果一致[10]。

由圖2和式(2)可知，在低壓范圍內(nèi)，瓦斯?jié)B流流量增加緩慢，隨著瓦斯壓力升高，煤樣瓦斯?jié)B流流量增量逐漸增大。每條擬合曲線在各瓦斯壓力點處的切線斜率，可以表征瓦斯?jié)B流流量與瓦斯壓力在該點處增量比的極限。瓦斯?jié)B流流量在瓦斯壓力為0.4,0.7,1.0MPa點處增量比的極限分別為61.2,118.9,163.0mL/(s·MPa)(4MPa覆壓)；47.1,69.0,85.7 mL/(s·MPa)(8MPa覆壓)；26.3,55.0,76.9mL/(s·MPa)(10MPa覆壓)；20.4,41.3,57.3 mL/(s·MPa)(12MPa覆壓)。

由試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)可計算出4種覆壓條件下，突出煤樣滲透率與瓦斯壓力關系曲線，如圖3所示。

圖3 滲透率與瓦斯壓力的關系曲線Fig.3 Relationship curves of permeability and gas pressure

由圖3可知，4種覆壓條件下，突出煤樣徑向瓦斯?jié)B流得出的滲透率隨瓦斯壓力增加呈遞減趨勢，最終趨于穩(wěn)定。低瓦斯壓力階段(0～0.6 MPa)，滲透率下降速率大，符合Klinbengerg效應[17]中低瓦斯壓力階段的瓦斯?jié)B流特性，但隨著瓦斯壓力的繼續(xù)增加，試驗的突出煤體滲透率趨于穩(wěn)定，不同于單向滲流試驗得出的滲透率隨瓦斯壓力的增加呈現(xiàn)“V”字形變化[10]。究其原因可能是，突出煤樣為篩分的小粒徑煤粒經(jīng)壓制而成，徑向滲流中試樣僅受軸壓作用，徑向應變被滲透圓管固定約束，煤樣內(nèi)部結(jié)構均勻，裂隙不夠發(fā)育，主要滲流通道為中孔、大孔(該試驗條件與深部高破壞程度、松軟煤層的瓦斯?jié)B流條件相似，而該類煤層突出危險性相對較高)。煤吸附瓦斯后發(fā)生膨脹變形，受軸壓及徑向約束，煤樣體積不變，占主要瓦斯吸附量的微孔結(jié)構發(fā)生膨脹變形后必然向內(nèi)擠壓中孔和大孔，導致有效滲流通道斷面減??；隨著瓦斯壓力增加，中孔和大孔表面吸附的瓦斯量增加，吸附層增厚，占據(jù)孔道面積增大，構成滲透的通道斷面縮小。因此隨著瓦斯壓力的增加，煤體微孔、中孔、大孔吸附瓦斯量均增加，受微孔膨脹變形、吸附層增厚的影響，有效滲流通道逐漸減小，滲透率逐漸降低；但隨著瓦斯壓力增大，孔隙中吸附態(tài)瓦斯增量衰減，微孔膨脹變形、吸附層增厚效應逐漸減弱，因而滲透率逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 地應力對徑向滲流特性的影響

根據(jù)試驗測試結(jié)果，選擇0.40,0.74,1.00MPa三種瓦斯壓力條件進行分析，圖4給出煤樣滲透率與覆壓的關系。

圖4 滲透率與覆壓的關系曲線Fig.4 Relationship curves of permeability and overburden pressure

由圖4可知，相同瓦斯壓力條件下，隨著覆壓的加載，突出煤樣滲透率隨軸壓增加而遞減，呈線性關系，徑向瓦斯?jié)B流速度受覆壓影響敏感。試驗結(jié)果不同于滲流速度-軸壓曲線的一般模式[8]，主要是由試驗條件所決定。本文試驗條件下，試樣主要產(chǎn)生軸向壓密變形，覆壓加載過程中試樣經(jīng)歷彈塑性變形，受徑向固定約束，試樣不會產(chǎn)生剪切屈服和拉伸破壞，因而不會產(chǎn)生剪張裂隙和拉張裂隙，故不存在滲透率突然增加的趨勢。隨著埋深增加，煤體破壞程度較高的松軟煤層滲透率逐漸降低，研究結(jié)果符合原始煤層瓦斯?jié)B透特性。受采掘活動和地質(zhì)構造運動影響，原始煤層應力重新分布，應力不均衡造成的集中現(xiàn)象，使煤層滲透率驟減，該區(qū)域不利于高壓瓦斯的運移，是發(fā)生煤與瓦斯突出的動力源。

2.3 鉆孔孔徑對徑向滲流特性的影響

在未受采掘擾動影響時，煤體處于原始應力平衡狀態(tài)。然而在鉆孔施工過程后，應力平衡被破壞，鉆孔周圍煤體應力重新分布，并產(chǎn)生一定的變形。沿鉆孔徑向存在卸壓區(qū)、應力集中區(qū)、原始應力區(qū)，且瓦斯壓力會重新分布，引起鉆孔影響區(qū)域的煤層滲透率發(fā)生改變，隨著鉆孔孔徑增加，卸壓區(qū)范圍逐步擴大，鉆孔影響區(qū)域的煤層等效滲透率發(fā)生改變。因現(xiàn)場直接測定煤層應力是很困難的，只能通過現(xiàn)場瓦斯?jié)B流速度的變化規(guī)律，結(jié)合實驗室測試鉆孔卸壓與煤層等效滲透的關系，反演出現(xiàn)場煤層應力及瓦斯賦存情況。

通過改變圖1中套管的直徑實現(xiàn)變孔徑，具體通過改變試驗步驟(1)實現(xiàn)，即預先將套管安設于滲氣圓管上，套管與滲氣圓管之間充填棉紗，然后稱取0.90kg煤樣裝入高壓罐體，啟動連接密封活塞的壓力機，施加12MPa原始覆壓，穩(wěn)定4h，退出密封活塞將套管取出，則內(nèi)部形成鉆孔的自由面，再次施加覆壓，此時覆壓由小至大，每進行一次覆壓調(diào)整重復步驟(3)和(4)。試驗套管外徑φ18mm，套管內(nèi)部滲氣圓管直徑為φ7 mm，得出兩種孔徑在不同軸壓下滲透率與瓦斯壓力的關系曲線及不同瓦斯壓力條件下滲透率與軸壓的關系曲線，分別如圖5，6所示。

圖5 變孔徑條件下滲透率與瓦斯壓力的關系曲線Fig.5 Relationship curves of permeability and gas pressure in different hole diameter

圖6 變孔徑條件下滲透率與覆壓的關系Fig.6 Relationship curves of permeability and overburden pressure in different hole diameter

由圖5可知，安設18mm套管所測滲透率隨瓦斯壓力的變化規(guī)律與不安設套管情況下一致，即滲透率隨瓦斯壓力增加呈遞減趨勢，并趨于穩(wěn)定，在低軸壓階段，安設套管所測滲透率相對較高。由圖6可知，安設套管后所測滲透率隨覆壓增加遞減，4～8MPa軸壓下，安設套管所測滲透率明顯高于不安設套管時所測的滲透率，且隨軸壓的增加，兩者滲透率差異性逐漸縮??；軸壓高壓10MPa后，兩者滲透率隨軸壓的變化曲線出現(xiàn)重疊。

試驗結(jié)果說明，隨著鉆孔孔徑增加，鉆孔周圍煤體滲透率顯著提高，但隨著覆壓的增加滲透率增加的趨勢降低。其原因是：隨著孔徑增加，鉆孔內(nèi)部暴露自由面增加，加載覆壓過程中，鉆孔周圍煤體經(jīng)歷了原始應力、集中應力、峰值應力、殘余應力4個過程，集中應力與峰值應力在鉆孔邊界處產(chǎn)生的次生應力最大，進而造成煤體的剪切破壞，則該部分煤體覆壓轉(zhuǎn)移至鄰近的外部煤體單元體中，外部煤體單元開始經(jīng)歷集中應力和峰值應力階段，剪切破壞后的煤體在覆壓作用下仍承受部分應力即殘余應力，破壞后承受殘余應力區(qū)域為該鉆孔卸壓區(qū)。受次生應力剪切破壞作用，煤體向孔洞方向發(fā)生膨脹變形，該變形主要是塑性變形；低強度松軟煤體主要是蠕變，造成鉆孔自由面逐漸縮??；高強度煤體當塑性變形高于極限變形時，發(fā)生塌孔等脆性破壞現(xiàn)象。本試驗煤樣為松軟煤體，強度較低，主要發(fā)生蠕變變形。試驗過程中，撤出套管后隨著軸壓增加，自由面周圍煤體卸壓區(qū)范圍擴大，煤體滲透率普遍高于未安設套管所測滲透率；隨著軸壓增加，煤體蠕變造成自由面逐漸縮小，卸壓范圍增加趨勢減弱，且卸壓區(qū)煤體殘余應力逐漸增加，則煤體滲透率逐漸趨近于未安設套管的情況；因本次試驗安設套管孔徑相對較小，影響卸壓范圍有限，當軸壓高于10MPa后，套管附近煤體蠕變卸壓作用遠小于高軸壓的增壓作用，因而滲透率出現(xiàn)重疊現(xiàn)象。

以上研究結(jié)果在指導現(xiàn)場生產(chǎn)上可體現(xiàn)在兩個方面：

(1)在低軸壓下增加鉆孔孔徑可有效提高煤層滲透率，因此在卸壓后的被保護層內(nèi)施工大口徑鉆孔可以顯著增加煤層滲透率，提高瓦斯抽采效果；

(2)在保護層效果及范圍考察方面，因保護層開采后被保護煤層的卸壓邊界區(qū)域，煤層瓦斯壓力由原始瓦斯壓力逐漸過渡至殘余瓦斯壓力，地應力也由原始覆壓過渡至卸壓狀態(tài)，通過在卸壓邊界區(qū)測定煤層瓦斯壓力及煤層透氣性系數(shù)變化，結(jié)合上述徑向瓦斯?jié)B流試驗結(jié)果，可反演出卸壓邊界區(qū)應力分布規(guī)律，為保護層開采卸壓效果和有效卸壓邊界的確定提供理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

(1)試驗研制的徑向瓦斯?jié)B流試驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)變覆壓、變瓦斯壓力、變鉆孔孔徑條件下徑向穩(wěn)態(tài)滲流試驗，為研究現(xiàn)場鉆孔周圍煤體瓦斯?jié)B流規(guī)律提供試驗條件。

(2)徑向瓦斯?jié)B流試驗結(jié)果表明，相同軸壓下，徑向瓦斯?jié)B流速度隨瓦斯壓力增加而增加，呈二次多項式關系，滲透率隨瓦斯壓力增加，在0～0.6 MPa范圍內(nèi)迅速降低，隨后緩慢下降，并趨于穩(wěn)定；相同瓦斯壓力下，滲透率隨覆壓呈線性遞減趨勢。

(3)受鉆孔卸壓影響，在低軸壓階段，松軟低強度試樣滲透率隨鉆孔孔徑增加(7～18mm)顯著增加，但隨軸壓繼續(xù)增高，滲透率增加趨勢減弱；軸壓高壓10MPa后，兩者滲透率隨軸壓的變化曲線出現(xiàn)重疊。分析表明，主要是因為松軟低強度試樣隨孔徑增加，鉆孔周圍煤體在次生應力作用下發(fā)生剪切破壞，煤體向孔洞方向發(fā)生塑性蠕變，造成鉆孔卸壓，滲透率增大；同時隨著軸壓繼續(xù)增大，鉆孔卸壓效果降低，滲透率增加趨勢減弱。

(4)在指導現(xiàn)場實踐方面，研究結(jié)果表明，在卸壓后的被保護突出煤層內(nèi)施工大口徑鉆孔可以顯著增加煤層滲透率；同時通過現(xiàn)場測定卸壓邊界區(qū)域瓦斯壓力和煤層透氣性，結(jié)合瓦斯?jié)B流試驗結(jié)果，可反演出卸壓邊界區(qū)應力分布特征。

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Experimentalstudyofradialgasseepagecharacteristicsinstress-reliefboundaryarea

LIU Zhen1,2,LI Zeng-hua1,2,YANG Yong-liang1,2,YANG Ji-chao1,2,JI Huai-jun1,2

(1.FacultyofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology，Xuzhou221116，China;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)

Based on the coal samples of the outburst coal seam No.8of Qingdong Mine in Huaibei,with the distribution characteristics of ground stress and gas pressure in stress-relief boundary area,the experiment of outburst coal’s radial gas seepage was carried out under variable axial pressure,gas pressure and hole diameter by a self-developed test system of radial gas seepage.The experimental results show that the gas seepage flow increases with the increase of gas pressure under fixed axial pressure,and the relationship between gas seepage velocity and gas pressure can be described as quadratic polynomial function,the permeability of coal samples decreases rapidly with the increase of gas pressure in the range of 0-0.6 MPa,then decreases slowly with the developing of gas pressure and tends to be stable;the permeability of coal samples decreases linearly with the increase of axial pressure under fixed gas pressure;Affected by the borehole pressure relief,the permeability of soft and low strength coal samples with large diameter borehole is significantly higher than the coal samples with small diameter borehole in low axial pressure stage,both permeability gradually tends to be the same with the increase axial pressure.

gas seepage flow;permeability;gas pressure;axial pressure;hole diameter

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0244

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2011CB201200)

劉 震(1985—)，男，江蘇沛縣人，博士研究生。E-mail:liuzhen.cumt@163.com

TD713

A

0253-9993(2014)01-0104-06

劉 震,李增華，楊永良，等.卸壓邊界區(qū)徑向瓦斯?jié)B流特性試驗研究[J].煤炭學報,2014,39(1):104-109.

Liu Zhen,Li Zenghua,Yang Yongliang,et al.Experimental study of radial gas seepage characteristics in stress-relief boundary area[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):104-109.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0244