宋　譯　蔡　璐　譚正華

(1．湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭　411201; 2．湖南科技大學(xué)煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭　411201;3．湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南湘潭　411105)

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煤層透氣性系數(shù)測(cè)定方法優(yōu)化★

宋譯1，2蔡璐1譚正華3

(1．湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭411201; 2．湖南科技大學(xué)煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201;3．湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南湘潭411105)

摘要:針對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定傳統(tǒng)煤樣透氣性系數(shù)方法上存在的問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種不規(guī)則塊狀原煤試件滲透試驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分析了其測(cè)定煤層透氣性系數(shù)的準(zhǔn)確程度，指出改良后的測(cè)定方法保證了原煤特有的理化特質(zhì)，其測(cè)定結(jié)果的精確度更高。

關(guān)鍵詞:煤層，透氣性，實(shí)驗(yàn)裝置，酚醛樹(shù)脂

隨著改革開(kāi)放和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)能源的需求量越來(lái)越多。在我國(guó)一次能源構(gòu)成中，煤炭依靠其儲(chǔ)量大，易采取等優(yōu)越性，顯得尤為重要。20世紀(jì)90年代至今的大量開(kāi)采，致使煤炭開(kāi)采深度不斷增加，煤與瓦斯突出事故也出現(xiàn)多次，在煤礦事故中越發(fā)凸顯。與此同時(shí)，煤與瓦斯突出事故造成的后果又往往是慘痛的，會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失以及人員傷亡。所以，瓦斯的防治與治理已經(jīng)成為許多高瓦斯礦井安全防治工作的主要對(duì)象。在瓦斯防治與治理的方法中，預(yù)抽煤層瓦斯是一個(gè)重要方法，其瓦斯抽采效果主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是煤層透氣性系數(shù)，同時(shí)該指標(biāo)也是煤層突出危險(xiǎn)性的一個(gè)重要指標(biāo)［1，2］。所以，如何準(zhǔn)確地測(cè)定煤層透氣性系數(shù)具有非常重要的意義。目前階段，測(cè)定煤層透氣性系數(shù)的方法分為現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。在工程應(yīng)用中采用的數(shù)據(jù)要求是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定才能確定，大多采用徑向鉆孔流量法來(lái)進(jìn)行測(cè)定，之所以不采用實(shí)驗(yàn)室方法來(lái)測(cè)定，主要由于煤層本身是非均質(zhì)各向異性介質(zhì)，在目前的實(shí)驗(yàn)室條件下很難模擬井下的實(shí)際情況，往往測(cè)定出來(lái)的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果相差幾十倍甚至上百倍，另外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定結(jié)果往往也只能反映局部情況，費(fèi)工費(fèi)時(shí)［3-6］。因此，如何去發(fā)現(xiàn)一種實(shí)驗(yàn)室即可準(zhǔn)確計(jì)算出穩(wěn)定數(shù)值的方法對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)和降低成本有著重要的意義。本文將對(duì)煤層透氣性系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行理論分析，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室不加圍壓時(shí)的煤樣透氣性系數(shù)的測(cè)定方法進(jìn)行探討，以期解決其中存在的問(wèn)題和不足之處，給出科研工作需要的準(zhǔn)確優(yōu)化方法。

1　傳統(tǒng)煤樣透氣性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法及其存在的問(wèn)題

從需要測(cè)定的煤層中隨機(jī)撿取若干煤樣，然后在實(shí)驗(yàn)室中將煤樣制成一定規(guī)格的試樣，放入與之兩端面相仿的夾具中。為了使煤樣和夾具壁之間密切接觸不漏氣，一般外加一個(gè)膠皮套或硅橡膠務(wù)使其不漏氣，然后放在特制的儀器中，測(cè)定在一定的壓差中，通過(guò)煤樣的瓦斯流量。

根據(jù)煤樣的幾何尺寸，兩端壓差的大小和流量，利用達(dá)西定律計(jì)算其透氣性系數(shù)。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

測(cè)定方法為:在測(cè)定過(guò)程中先保持入口壓力Pk和出口壓力Pr不變的情況下，記錄下此進(jìn)氣壓力情況下煤樣的流量Q。此時(shí)煤樣中穩(wěn)定流動(dòng)的瓦斯符合達(dá)西定律;我們假設(shè)煤樣均質(zhì)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有任何漏氣，則有:

其中，Q為流量計(jì)流量，m/d;F為煤樣的截面面積，m;L為煤樣長(zhǎng)度，m;Pk為入口壓力即煤層瓦斯壓力，MPa;Pr為出口壓力即大氣壓力，MPa;K為煤樣滲透率，1×10-15m2;λ為透氣性系數(shù)，m2/(MPa·d);μ為流過(guò)氣體絕對(duì)粘度，10-4Pa·s;U為流過(guò)煤樣流速，cm/s;j為單位換算系數(shù);Pat為煤樣中的瓦斯壓力，MPa;1 mD=8．4 m2/(MPa·d)=42 m2/(MPa2·d)。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

當(dāng)對(duì)同一個(gè)煤層的若干煤樣進(jìn)行測(cè)定計(jì)算后，取平均值作為該煤層的透氣性系數(shù)。

但是用以上實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定的煤樣透氣性系數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定值誤差較大，結(jié)合前人在理論和實(shí)驗(yàn)的研究，分析誤差的出現(xiàn)主要是由于以下幾點(diǎn)原因:1)預(yù)測(cè)公式是基于達(dá)西定律的線性滲透模型，而其又與實(shí)際煤層環(huán)境有一定差異。2)煤樣中瓦斯流動(dòng)的通道除了經(jīng)過(guò)煤體本身的微孔隙外，煤層中節(jié)理裂隙起著很重要的作用，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)于軟煤需要打碎后重新壓制成型煤，這就改變了煤原有的裂隙節(jié)理。另外，原煤煤樣與型煤煤樣之間變形程度及其峰值強(qiáng)度在數(shù)量上也存在很大差異，并不能很好的反映原煤的滲透特性，因此實(shí)際情況中煤層的滲透性實(shí)驗(yàn)室無(wú)法準(zhǔn)確反映。3)在制作煤樣的過(guò)程中，煤樣受到外界環(huán)境的影響，失去原有的有效應(yīng)力作用，可能產(chǎn)生新的裂隙或使原有裂隙加大，此外，取樣一般在煤層的暴露面上采集，而在暴露面上的煤都是經(jīng)過(guò)礦山壓力破壞后的煤體，所以其透氣性顯然與原始煤層中有所不同。另外傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)于規(guī)則原煤試件的制取還會(huì)遇到一些別的問(wèn)題，例如，試樣夾具很難將其夾持住，保證不從夾具處漏氣，從而影響測(cè)定結(jié)果;對(duì)于強(qiáng)度小、易破碎的煤巖塊體，由于煤巖塊體只受加持力，所受外力不均衡，再加上氣壓的作用，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中隨著氣壓的增大容易受到損傷而破碎，從而影響測(cè)定結(jié)果。

2　優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)煤樣透氣性系數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法存在的問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)一種不規(guī)則塊狀原煤試件滲透試驗(yàn)裝置，利用酚醛樹(shù)脂將不規(guī)則煤塊澆筑成透明、可承受一定壓力的規(guī)則試件，可實(shí)現(xiàn)原煤滲透試驗(yàn)，理論上對(duì)于測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)有較大的提高，優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2　優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)裝備示意圖

3　實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)制備試樣、搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，最后對(duì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。

1)試件制備。采用取自河南義安煤礦11061工作面的軟煤煤樣。該煤層煤樣強(qiáng)度低、脆性大、含水量低，且煤樣有明顯的層狀節(jié)理裂隙方向，如表1所示。

表1　試件圖樣表

首先把煤樣加工成若干塊長(zhǎng)寬高約為100 mm～150 mm的立方體原煤煤塊，然后用透明樹(shù)脂澆筑原煤煤樣形成200 mm× 200 mm×200 mm的原煤包裹體試件，如圖3所示。把在煤塊層狀節(jié)理裂隙方向呈水平方向的試件兩個(gè)面上鉆φ14 mm孔直至煤樣10 mm深的位置。

圖3　原煤包裹體試件

2)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。考慮到試驗(yàn)安全性的有關(guān)原則，本試驗(yàn)之中采用的試驗(yàn)氣體是氮?dú)猓?guī)格為40 L瓶裝高壓氮?dú)?，加裝減壓閥以此來(lái)控制出氣壓力，形成了氣壓加載系統(tǒng);試驗(yàn)的出氣流量監(jiān)測(cè)，采用的是北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為D08-8CM流量積算儀。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。進(jìn)行氮?dú)鉂B透試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集得到的相關(guān)參數(shù)，取樣煤層的瓦斯壓力為0．4 MPa～0．45 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的煤層透氣性系數(shù)0．781 m2/(MPa·d)。所以，實(shí)驗(yàn)設(shè)定滲透氣壓分別為0．4 MPa，待進(jìn)氣氣壓穩(wěn)定至預(yù)設(shè)值后，讀取穩(wěn)定的流量積算儀讀數(shù)。根據(jù)滲透率計(jì)算公式測(cè)得三塊煤樣在0．4 MPa進(jìn)氣壓力時(shí)的滲透率。

其中，K為滲透率，mD;Q0為滲透量，cm3/s;μ為氣體動(dòng)力粘性系數(shù)，其值為1．08×10-5Pa·s;A為試樣的截面面積，cm2;P0為測(cè)點(diǎn)大氣壓力，Pa;P1為進(jìn)口氣體壓力，Pa;P2為出口氣體壓力，Pa。

結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，可以認(rèn)為P0=P2為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。

4)測(cè)定結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)得的三塊煤樣在0．4 MPa進(jìn)氣壓力時(shí)的滲透率，如表2所示。

表2　煤樣的滲透率測(cè)定結(jié)果

5)結(jié)果計(jì)算分析。式(1)中μ值由于實(shí)驗(yàn)采用的是N2，實(shí)驗(yàn)溫度為20℃時(shí)氮?dú)獾慕^對(duì)粘度為17．58×10-4Pa·s。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，取樣煤層的瓦斯壓力為0．4 MPa～0．45 MPa，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)氣壓力為0．4 MPa時(shí)，測(cè)得的滲透率和20℃時(shí)氮?dú)饨^對(duì)粘度代入λ=可以得到試件的透氣性系數(shù)，得到試件A的透氣性系數(shù)為0．926 m2/(MPa·d)、試件B的透氣性系數(shù)0．883 m2/(MPa·d)、試件C的透氣性系數(shù)0．584 m2/(MPa·d)，取其三個(gè)煤樣的平均值0．797 m2/(MPa·d)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的煤層透氣性系數(shù)0．781 m2/(MPa·d)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果僅相差0．016 m2/(MPa·d)，準(zhǔn)確度上有了很大的提高。

4　結(jié)語(yǔ)

在深入討論現(xiàn)有傳統(tǒng)煤樣透氣性實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的改良。新的實(shí)驗(yàn)裝備具備原有方法所不具備的效果:

1)經(jīng)不飽和酚醛樹(shù)脂加工出的試件，能最大程度保持原煤巖塊體的原有裂隙和節(jié)理，該方法簡(jiǎn)單，加工方法容易操作，且試?？梢灾貜?fù)使用，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。2)因?yàn)榉尤?shù)脂具有很強(qiáng)的抗壓力，可間接給煤巖施加不同方向的應(yīng)力，方便研究不同應(yīng)力狀態(tài)下原煤的滲透變化規(guī)律。3)酚醛樹(shù)脂成型后，具有良好的可視性，可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察煤巖的變化。4)實(shí)驗(yàn)裝置從進(jìn)氣到出氣均緊密連接，在較大的進(jìn)氣壓力情況下，可以保證不出現(xiàn)漏氣情況，有效的保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確，也使得測(cè)定結(jié)果更加真實(shí)可靠，穩(wěn)定性強(qiáng)。5)根據(jù)義安礦原煤煤樣進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果僅相差0．016 m2/(MPa·d)，準(zhǔn)確度上有了明顯的提高。6)這種透氣性系數(shù)測(cè)定方法仍舊存在煤樣本身與煤層有差別，同時(shí)，沒(méi)有考慮模擬地應(yīng)力的作用，也為今后的研究指明了方向。

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Optimization of determination method about permeability coefficient of coal seam★

Song Yi1，2Cai Lu1Tan Zhenghua3
(1．School of Energy and Safety Engineerring，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China; 2．Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China; 3．Information Engineering College，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China)

Abstract:According to some problems in the measuring methods of the traditional coal sample permeability coefficient，the paper optimizes the trial permeability test equipment for some irregular coal，analyzes the accuracy of the measurement for the seam permeability coefficient，and points out the improved method can ensure the physiochemical property of the former coal，and indicates the result has higher accuracy．

Key words:coal seam，permeability，experiment equipment，phenolic resin

作者簡(jiǎn)介:宋譯(1979-)，女，碩士，講師

收稿日期:2015-10-24★:湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2015JJ4023，14JJ3077);湖南省教育廳項(xiàng)目資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):13C308，13C917);河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(項(xiàng)目編號(hào):WS2013A07);煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):201005)

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0068-03

中圖分類(lèi)號(hào):TD823．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A