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        潞安礦區(qū)煤層滲透率的各向異性特征實(shí)驗(yàn)研究*

        2019-10-16 03:09:36牛麗飛曹運(yùn)興賈天讓
        關(guān)鍵詞:方向變形實(shí)驗(yàn)

        牛麗飛,曹運(yùn)興,石 玢,張 震,賈天讓

        (1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué) 瓦斯地質(zhì)研究所,河南 焦作 454000;3.河南理工大學(xué) 煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心,河南 焦作 454000;4.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層/頁(yè)巖氣協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000;5.河南省非常規(guī)能源地質(zhì)與開發(fā)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454000)

        0 引言

        煤是一種疏松多孔介質(zhì),存在著大量的裂隙和層理,在很大程度上影響煤層變形和瓦斯?jié)B流[1-2]。當(dāng)開采煤層時(shí),煤層中的裂隙和層理會(huì)發(fā)生改變,煤層中的應(yīng)力重新分布,導(dǎo)致煤體變形,進(jìn)而影響瓦斯的抽采[3-4]。

        在有關(guān)煤體層理裂隙對(duì)煤體變形和滲透率影響方面,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。煤體在變形方面,在應(yīng)力作用方向上,煤體的變形具有顯著的差異性,煤體的變形量沿應(yīng)力作用方向呈現(xiàn)近似指數(shù)關(guān)系衰減的特征[5],在改變軸壓加載變形破壞中,煤體變形可分為壓密、穩(wěn)定發(fā)展、非穩(wěn)定破裂發(fā)展和破裂后4個(gè)階段;改變軸壓加載前,煤體滲透率與軸壓的加載速率呈負(fù)相關(guān)變化,中后期滲透率變化速率與軸壓加載速率相關(guān)性不大[6],而在循環(huán)加載過程中,煤樣滲透率的變化趨勢(shì)與應(yīng)變累積量增速的變化趨勢(shì)具有一致性[7-8];煤體在滲透率方面,煤體結(jié)構(gòu)各向異性對(duì)煤體滲透特性具有重要影響[9],煤體平行層理(割理)方向滲透性高于垂直層理方向,造成這種現(xiàn)象的原因在于煤體中平行層理方向的裂隙度大于垂直層理方向[10],并且滲透率隨著有效應(yīng)力的增大而呈負(fù)指數(shù)減小[11-13]。相關(guān)學(xué)者還建立了層理裂隙煤體滲透率與有效應(yīng)力之間的理論模型[14],有效應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系[15]以及基于體積應(yīng)變含瓦斯煤體滲透率模型[16]。

        上述研究探究了層理對(duì)煤體滲透率的影響,但未具體描述不同層理方向煤體的變形,煤層在受到不同應(yīng)力的作用時(shí),平行層理和垂直層理方向會(huì)存在很大的差異,進(jìn)而2個(gè)方向的滲透性也會(huì)存在較大差異。針對(duì)上述情況,本文對(duì)平行層理和垂直層理2個(gè)方向的原煤試樣進(jìn)行不同應(yīng)力條件下的滲流實(shí)驗(yàn)。

        1 樣品及實(shí)驗(yàn)裝置

        1.1 樣品準(zhǔn)備

        試驗(yàn)煤樣選自山西潞安礦區(qū)常村煤礦山西組3號(hào)煤層2302掘進(jìn)工作面,埋深500~562 m。按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50266-99》,沿平行層理和垂直層理方向上將原煤樣加工成φ50 mm×100 mm的圓柱體,煤樣的煤質(zhì)參數(shù)見表1,標(biāo)準(zhǔn)試件見圖1。

        表1 煤樣的煤質(zhì)參數(shù)Table 1 Coal quality parameters of coal sample

        圖1 實(shí)驗(yàn)煤樣Fig.1 Experimental coal samples

        1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

        試驗(yàn)在河南理工大學(xué)瓦斯/煤層氣地質(zhì)工程研究中心進(jìn)行,采用氣相驅(qū)替增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由真空脫氣系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、應(yīng)力加載控制系統(tǒng)、氣體組分分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6部分組成,見圖2。該裝置可模擬圍/軸壓為0~40 MPa及注氣壓力0~40 MPa條件下的煤層滲透性、吸附及煤巖變形特性。

        2 實(shí)驗(yàn)方法

        本實(shí)驗(yàn)采用高純度氮?dú)獯婕淄闅怏w,氮?dú)庾夂愣▔毫?.0 MPa;軸壓和圍壓初始?jí)毫鶠?.0 MPa,以2.0 MPa的壓力梯度加載至16.0 MPa,共計(jì)7個(gè)壓力點(diǎn),見表2。

        表2 煤樣實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme of coal samples

        按照下述步驟測(cè)試煤樣在不同軸壓和圍壓條件下,平行和垂直層理方向的應(yīng)變和滲透率變化規(guī)律。

        1)煤樣為φ50 mm×100 mm煤柱,實(shí)驗(yàn)前將試件在真空干燥箱內(nèi)(100 ℃)干燥12 h,用酒精把煤柱表面擦拭干凈,再用502膠和玻璃膠把應(yīng)變片粘貼到煤柱表面,保持垂直,不能交叉;使用工具測(cè)量煤體的長(zhǎng)度,將粘貼好應(yīng)變片的煤柱放入φ50 mm的夾持器中。

        圖2 煤層氣相驅(qū)替增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Test device of gas phase displacement for increasing production of coal seam

        2)對(duì)夾持器(含煤樣)進(jìn)行抽真空:打開真空泵抽真空不少于12 h,或者真空壓力表示數(shù)為0.1 Pa時(shí),完成抽真空。

        3)把應(yīng)變片的另一頭與應(yīng)變儀相連,對(duì)滲透率和應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

        4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),按照上述的軸壓圍壓和注氣壓力進(jìn)行設(shè)置,打開流量計(jì),進(jìn)行監(jiān)測(cè),直至滲透率穩(wěn)定,進(jìn)行下一項(xiàng)軸壓和圍壓的設(shè)置。

        3 滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        煤體在加載作用下,沿平行和垂直層理方向2個(gè)煤樣的滲透率和應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表3和表4。

        表3 加載過程煤樣滲透率Table 3 Permeability of coal samples during loading process

        表4 加載過程煤樣應(yīng)變情況Table 4 Strain of coal samples during loading process

        3.2 滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        根據(jù)表3滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別繪制加載過程中平行層理方向和垂直層理方向滲透率-有效應(yīng)力演化特征曲線,如圖3和表5所示。

        表3和圖3表明:煤樣在加載過程中,平行和垂直層理方向煤樣的滲透率均隨有效應(yīng)力的增加而不斷減小,平行層理方向的滲透率從0.029 342 mD降至0.001 07 mD,垂直層理方向的滲透率從0.004 016 mD降至0.000 484 mD,有效應(yīng)力是決定滲透率的重要因素。平行層理方向和垂直層理方向滲透率與有效應(yīng)力的變化趨勢(shì)是相似的,加載初期滲透率的減少量最大,后期隨著有效應(yīng)力的增加滲透率逐漸趨于平緩。原因在于在加載初期,內(nèi)部裂隙容易受壓縮閉合,滲透率的下降較為急?。缓笃谝咽軌嚎s的裂隙難以進(jìn)一步壓縮閉合,滲透率下降趨于平緩。平行層理方向滲透率的下降幅度最大,且始終大于垂直層理方向,可推斷平行層理方向的裂隙度[13]大于垂直層理方向的。因此,煤層進(jìn)行瓦斯抽放時(shí),鉆孔應(yīng)盡量沿著平行層理方向布置,以提高瓦斯抽放效果。

        圖3 煤樣加載過程滲透率變化特征Fig.3 Characteristics of permeability change during loading process of coal samples

        層理擬合結(jié)果R2平行Y=0.285xexp(-2.036)0.999 25垂直Y=0.002 3xexp(-1.582)0.982 68

        3.3 不同層理應(yīng)變?cè)黾恿颗c滲透率變化關(guān)系

        加載過程中平行層理方向與垂直層理方向的應(yīng)變?cè)黾恿颗c滲透率的變化關(guān)系,如圖4所示。

        實(shí)驗(yàn)煤樣的滲透率反映軸向方向的裂隙結(jié)構(gòu)特征,實(shí)驗(yàn)過程中滲透率主要受徑向方向變形的影響。由表4和圖4可知,隨著加載,徑向方向應(yīng)變?cè)黾恿坎粩鄿p小,累積應(yīng)變量不斷增加,滲透率不斷減小,滲透率與應(yīng)變?cè)隽砍收嚓P(guān)性,平行層理方向的正相關(guān)性更明顯,主要是由于平行層理方向的裂隙度大,相同壓力條件下,平行層理的徑向應(yīng)變量大于垂直層理,這也表明了煤體滲透率各項(xiàng)異性受煤層不同方向孔隙結(jié)構(gòu)和有效應(yīng)力大小控制。

        圖4 不同層理應(yīng)變?cè)黾恿颗c滲透率的關(guān)系Fig.4 Relationship between increment of strain under different bedding and permeability

        4 煤樣變形特征實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        4.1 平行與垂直層理方向的變形對(duì)比特征

        加載過程中平行層理方向與垂直層理方向的變形量與有效應(yīng)力的變化關(guān)系,如圖5所示。

        圖5 應(yīng)變與有效應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 Relationship between strain and effective stress

        圖5表明:平行和垂直層理方向的應(yīng)變趨勢(shì)是一致的。在整個(gè)加載過程中,平行層理徑向應(yīng)變?cè)黾恿渴谴怪睂永淼?.16倍,垂直層理的軸向應(yīng)變?cè)黾恿渴瞧叫袑永淼?.76倍,由于煤樣軸向方向的裂隙是徑向方向的壓縮空間,徑向方向的裂隙是軸向方向的壓縮空間,因此平行層理方向的裂隙發(fā)育程度大于垂直層理方向。

        4.2 不同層理應(yīng)變?cè)黾恿颗c有效應(yīng)力的關(guān)系

        不同層理的煤樣,在加載過程中應(yīng)變?cè)黾恿颗c有效應(yīng)力的關(guān)系如圖6所示。

        圖6 不同層理應(yīng)變?cè)黾恿颗c有效應(yīng)力變化特征Fig.6 Change characteristics of strain increment and effective stress under different bedding

        圖6表明:煤樣在加載過程中,平行和垂直層理方向的變化量均隨有效應(yīng)力的增大而不斷減?。?個(gè)方向上應(yīng)變?cè)黾恿康淖兓厔?shì)是相同的,開始加載時(shí),煤體變形的增加量急劇下降,然后趨于平緩。原因在于煤樣原位埋深500 m左右,所受地應(yīng)力大約為12 MPa,當(dāng)煤樣受采動(dòng)影響并采集出后不再受地應(yīng)力影響,發(fā)生變形,當(dāng)煤樣重新受到軸壓和圍壓后,隨著有效應(yīng)力地不斷增加,累積變形量不斷增加,煤體內(nèi)部的裂隙不斷減小,12 MPa之前應(yīng)變?cè)黾恿康淖兓軇×遥?2 MPa之后,煤樣接近原始地應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)變?cè)黾恿口呌谄骄彙?/p>

        5 結(jié)論

        1)煤樣在加載過程中,不論平行層理還是垂直層理煤樣的滲透率均隨著有效應(yīng)力的增大而減小,變化趨勢(shì)是相同的,應(yīng)力加載初期滲透率下降最為急劇,后期逐漸趨于平緩;平行層理滲透率下降幅度比垂直層理要大;整個(gè)過程中,平行層理滲透率始終大于垂直層理。因此,原始煤層中抽放鉆孔盡量沿平行層理方向布置。

        2)平行層理的徑向應(yīng)變大于垂直層理,垂直層理的軸向應(yīng)變大于平行層理,應(yīng)變量的增加量均隨有效應(yīng)力的增加而不斷減小,平行層理裂隙發(fā)育程度大于垂直層理。

        3)煤樣在加載過程中,2種方向煤樣的應(yīng)變?cè)黾恿康淖兓厔?shì)是一致的;煤體應(yīng)變的增加量與滲透率變化的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng),都是逐漸下降;煤樣的徑向應(yīng)變?cè)黾恿颗c滲透率具有正相關(guān)性。

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