謝玉華，趙 坤，劉見寶，4，張建鋒，楊昌永

（1.河南工程學院 資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 451191；2.煤礦環(huán)境地質災害綜合治理技術河南省工程實驗室，河南 鄭州 451191；3.河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 451191；4.河南理工大學，河南 焦作 454000；5.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000）

煤層滲透率是煤層氣選區(qū)評價及優(yōu)選、產能預測、礦井瓦斯抽采及防治的重要參數(shù)[1-5]，其受諸多因素影響，應力被認為是影響煤層滲透性最為關鍵因素[6-7]。近年來，國內外學者在煤層滲透率對應力敏感性方面已開展了大量理論研究和實驗工作。P Q Huy 等（2010）[8]認為隨著有效應力的增大，孔裂隙空間及滲流系統(tǒng)被壓縮，部分滲流系統(tǒng)（或微裂隙）甚至壓實閉合，進而呈現(xiàn)出高有效應力下，煤的滲透率急劇下降。J O Shi 等（2014）[9]的實驗發(fā)現(xiàn)，有效應力與煤的滲透率間呈指數(shù)函數(shù)關系。姜德義等（1997）[6]研究了有效應力對煤層滲透率的影響，發(fā)現(xiàn)二者存在三次多項式關系并通過了實驗驗證。周軍平等（2009）[10]針對煤層氣生產中煤基質收縮和有效應力變化對煤層滲透率影響建立了有效應力和煤基質收縮效應的滲透率預測模型。程波等（2010）[11]基于有效應力變形理論和Bangham 固體變形理論，構建了煤基質收縮和有效應力雙重耦合作用影響下煤層滲透率數(shù)學模型，得出煤層氣排采過程煤儲層壓力變化所致的3 種滲透率變化。祝捷等（2017）[12]采用含瓦斯煤熱-流-固耦合三軸伺服滲流裝置對有效應力對趙各莊礦9 號煤層滲透率的影響實驗，得出隨壓力升高，煤樣收縮應變加劇，在有效應力為 5.2～6.5 MPa 時，體應變與有效應力間呈線性關系。在有效應力小于 5.2 MPa 或大于 6.5 MPa 時，有效應力升高或降低，煤樣滲透率隨進口氣體壓力降低而增大。彭守建等（2009）[13]、彭永偉（2010）[14]、薛培等（2015）[15]、孟雅等（2015）[16]開展了不同煤階、不同尺度煤樣滲透率對有效應力的敏感性實驗研究，得出不同有效應力階段煤樣滲透率損害率及應力敏感性不同，且滲透率與有效應力之間符合負指數(shù)函數(shù)關系。由上述可見，因實驗方法及技術手段、煤的非均質性、煤中滲流系統(tǒng)復雜性和各向異性等差異，使得煤層滲透率對應力敏感性有所不同，研究成果對實踐指導意義和適用范圍有限。為此，利用KDZS-Ⅱ型煤體瓦斯瞬時解吸及滲流特性測試儀開展了新景礦3 號煤層滲透率對有效應力的敏感性實驗分析，研究成果以期對研究區(qū)煤層氣開發(fā)和礦井瓦斯防治提供有益技術支撐。

1 實驗煤樣

樣品采集方式和技術措施等影響著樣品質量、實驗數(shù)據(jù)的可靠性或實驗成敗。研究所采集的煤樣均來自于陽泉新景礦南七綜采工作面3 號煤層，樣品采集遵照GB/T 482—2008《煤層煤樣采取方法》執(zhí)行，同時，為了滿足實驗要求和提供實驗數(shù)據(jù)可靠性，樣品采集時亦遵循煤樣新鮮，呈塊狀且未遭受到人為的次生破壞（即煤樣未受外力作用產生破壞變形，其保持原有結構和構造）?？紤]到煤樣短期內進行實驗，未對煤樣進行蠟封防風化處理，而是對采集的煤樣用保鮮膜對其密封“保鮮”處理。然后對煤樣進行編號、煤樣采集時間、地點、煤層名稱（或煤層編號）、采集人等信息進行編錄。

新景礦3 號煤層為變質程度相對較高的無煙煤，煤體外觀主要呈鋼灰色，條痕為黑色，光澤較強，為玻璃光澤或金屬光澤。煤的結構均一，煤體表面時見細紋。內生裂隙比較發(fā)育，斷口多呈階梯狀及鋸齒狀，亦可見少量眼球狀斷口。煤層具有明顯的條帶狀結構和層狀構造，局部可見少量纖維狀結構的絲炭條帶，呈絲絹光澤，一般厚度僅1～2 mm。煤普氏硬度 f 在一般在 2.0 左右，煤密度 1.37～1.40 g/cm3。

宏觀煤巖組分以亮煤和鏡煤為主，其中亮煤占7%，鏡煤占67.3%。煤中宏觀煤巖類型多樣，主要以半光亮型為主，次為半暗型、光亮型，暗淡型最少。其中，半光亮型約占67.3%，半暗型約占7%～27%，光亮型約占7%，暗淡型約占2%。

2 煤層滲透率對有效應力敏感性實驗

2.1 實驗儀器及實驗原理

1）實驗儀器。煤層滲透率對有效應力敏感性實驗利用KDZS-Ⅱ型煤體瓦斯瞬時解吸及滲流特性測試儀，該儀器主要由進氣系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)等3 大部分組成。KDZS-Ⅱ型煤體瓦斯瞬時解吸及滲流特性測試系統(tǒng)圖如圖1。進氣系統(tǒng)為實驗提供高壓、高純度氣體，氣體介質可為甲烷、氮氣和二氧化碳等。主要由高壓氣瓶、增壓泵、空壓機、控壓閥、平衡釜及其進出口開關、氣體管路組成；恒溫系統(tǒng)為實驗環(huán)境提供恒溫，主要由恒溫箱、風扇、加熱器、夾持器及其進出口傳感器、平衡釜和溫度控制閥等部分組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來采集和輸出實驗數(shù)據(jù)，主要由電腦、數(shù)據(jù)線、天平、盛水容器等部分組成。該儀器可對實驗溫度和壓力進行實時監(jiān)測，并對實驗數(shù)據(jù)進行跟蹤和自動采集存儲。

2）實驗原理。煤層氣及地下水屬于流體范疇，在煤層中流動屬于滲流，符合達西定律[17]。因此，煤層滲透率的測定原理主要基于達西定律，采用氣測法，氣體介質用氮氣進行測定。實驗時用實驗設備測定出氣體進口壓力、氣體出口壓力、溫度、氣體流量等實驗參數(shù)，采用達西定律，即可計算出煤樣的滲透率。煤樣滲透率計算如下：

圖1 KDZS—Ⅱ型煤體瓦斯瞬時解吸及滲流特性測試系統(tǒng)圖Fig.1 KDZS-Ⅱ type coal body gas instantaneous desorption and seepage characteristics test system diagram

式中：K 為煤樣滲透率，10-3μm2；p1為進口端氣體壓力，MPa；p2為出口端氣體壓力，MPa；Q 為氣體的滲流量，cm3/s；H 為煤樣高度，cm；μ 為氣體黏度，mPa·s；A 為煤樣橫截面積，cm2。

2.2 試件制作

煤層滲透率對有效應力敏感性實驗的試件制作遵照煤炭行業(yè)標準MT 223—1990《煤和巖石滲透率測定方法》執(zhí)行，將煤樣加工成直徑25 mm，高徑比約1:2 的圓柱體標準試樣，其軸線與層理方向平行或垂直，試件兩端面的不平行度不超過0.10 mm，上下兩端直徑偏差不超過0.20 mm。試件應無明顯軸向偏差（即將試件其中一端立放在水平檢測臺上，用直角尺緊貼試件表面，要求兩者之間無明顯縫隙）。煤樣試件規(guī)格見表1。

表1 煤樣試件規(guī)格Table 1 Coal sample test piece specifications

煤樣的原煤水分為 0.52%～2.12%，平均 1.00%，為特低水分煤；抗磨強度相對較高，屬中強度煤；粒度較小，煤層哈氏可磨性指數(shù)一般在70%～80%之間，屬中等可磨煤。其中1 號煤樣的裂隙垂直于試件軸線，側表面有1 條比較明顯的裂隙，上下表面無明顯裂隙；2 號煤樣的裂隙平行于試件軸線，側表面與上下表面都有明顯的裂隙；3 號煤樣的裂隙平行于試件軸線，上下表面有明顯裂隙。

2.3 實驗步驟

1）將加工好的煤樣試件放入三軸夾持器中，然后給三軸夾持器施加軸壓和圍壓至0.5 MPa，施壓順序為先軸壓后圍巖。

2）打開平衡釜進氣口閥，關閉平衡釜出氣口閥和夾持器出氣口閥。然后打開高壓氮氣儲氣瓶，給平衡釜加壓，當平衡釜的壓力達到0.31 MPa 時關閉氮氣高壓儲氣瓶和平衡釜進氣口閥。再打開平衡釜出氣口閥，使氮氣進入夾持器中，使煤樣試件吸附1～2 h 達到吸附穩(wěn)定。

3）煤樣試件吸附穩(wěn)定后打開夾持器出氣口閥，等夾持器出氣口氣壓穩(wěn)定后記錄下夾持器的溫度、進出口壓力，同時開始計時，每隔2 min 或5 min 記錄1 次數(shù)據(jù)，在同一應力下記錄5 次數(shù)據(jù)，以判斷氣體在煤樣中的滲流速度是否達到穩(wěn)定。若實驗過程中平衡釜里的氣體壓力降低情況，則需對平衡釜進行補壓。

4）記錄完畢5 次數(shù)據(jù)后，將軸壓和圍壓依次調壓至 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、7.0、9.0 MPa，再重復步驟3）。

5）做完不同應力下的滲流實驗后，關閉平衡釜出氣口閥，卸去軸壓、圍壓和夾持器中的氣體壓力，使煤樣試件處于無壓狀態(tài)2～3 h，然后將平衡釜中的壓力升高到 0.61 MPa，重復步驟 2）～步驟 4）。

按照上述實驗步驟依次完成3 個煤樣試件樣品不同應力條件下的滲透實驗，并記錄下完整的實驗數(shù)據(jù)。

2.4 實驗結果

有效應力為試件所受的軸壓減去氣體壓力，將實驗測得的試件規(guī)格參數(shù)（高、直徑）、試件橫截面面積、計算所得的流量等參數(shù)與實驗溫度下氮氣的黏度一起代入式（1），即可計算出對應軸壓、氣體壓力、有效應力下的試件滲透率。為了直觀分析不同有效應力下試件的滲透率變化情況和敏感性特征，制作了有效應力和滲透率變化分析曲線圖，其中1號、2 號、3 號煤樣試件滲透率隨有效應力變化關系圖如圖2～圖4。相同有效應力下各煤樣試件的滲透率敏感性分析圖如圖5。

圖2 1 號煤樣試件滲透率隨有效應力變化關系圖Fig.2 Diagram of permeability change with effective stress of No.1 coal sample

圖3 2 號煤樣試件滲透率隨有效應力變化關系圖Fig.3 Diagram of permeability change with effective stress of No.2 coal sample

圖4 3 號煤樣試件滲透率隨有效應力變化關系圖Fig.4 Diagram of permeability change with effective stress of No.3 coal sample

圖5 相同有效應力下各煤樣試件的滲透率敏感性分析圖Fig.5 Permeability sensitivity analysis chart of coal samples under the same effective stress

1）不同有效應力下各煤樣試件滲透率敏感性特征。由實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，3 個煤樣試件的滲透率受有效應力影響顯著，均表現(xiàn)出不同氣體壓力和相同氣體壓力條件下隨有效應力增加滲透率降低特征，且二者之間具有良好的負指數(shù)冪函數(shù)關系（圖2～圖4）。在有效應力初始加載時，煤樣試件滲透率受有效應力影響最為顯著且降低較快，隨著有效應力的繼續(xù)增大，滲透率降幅逐漸降低且最終趨于平穩(wěn)。上述現(xiàn)象，主要緣于煤層屬于孔裂隙發(fā)育的多孔介質，初始加載有效應力時，煤中具有較多的孔裂隙空間，在相同的有效應力增量條件下，孔裂隙空間的減小量最大，進而呈現(xiàn)出試件滲透率的急劇降低。而隨著有效應力的持續(xù)增加，孔裂隙空間逐漸被壓縮且孔裂隙空間的減小量降低，此時呈現(xiàn)出試件滲透率的降幅隨有效應力的增加而減少。當有效應力繼續(xù)增加且到達一定值時，試件的孔裂隙空間已經基本被壓實，可被壓縮的孔裂隙空間亦越來越少，試件滲透率隨有效應力增加呈緩慢降低且逐漸趨于某一穩(wěn)定值[18]。

2）相同有效應力下各煤樣試件滲透率敏感性特征。由圖5 可以看出，在相同氣體壓力、有效應力條件下各煤樣試件的滲透率敏感性不同，具有明顯的分異特征。其中，1 號煤樣試件與2 號、3 號煤樣試件的滲透率相差較大，2 號、3 號煤樣試件間的滲透率相差較小。在氣體壓力為0.31 MPa、有效應力為0.69 MPa 時，1 號、2 號、3 號煤樣試件的最大滲透率分別為 0.864 3×10-3、3.859 7×10-3、4.866 4×10-3μm2（圖5（a））。在氣體壓力為0.31 MPa、有效應力為8.69 MPa 時，1 號、2 號、3 號煤樣試件的最小滲透率分別為0.004 9×10-3、0.128 2×10-3、0.01×10-3μm2（圖5（a））。在上述相同氣體壓力和有效應力下，1 號、2號、3 號煤樣試件的最大滲透率與最小滲透率分別相 差 176 倍 、30 倍 、487 倍 ； 在 氣 體 壓 力 為 0.61 MPa、有效應力為 0.39 MPa 時，1 號、2 號、3 號煤樣試件的滲透率均為最大值，分別為0.885 3×10-3、6.964 0×10-3、6.301 4×10-3μm2（圖5（b））。在氣體壓力為 0.61 MPa、有效應力為 8.69 MPa 時，1 號、2 號、3 號煤樣試件的滲透率均達到最小值，分別為0.006 0×10-3、0.130 4×10-3、0.107 0×10-3μm2（圖5（b））。在上述相同氣體壓力和有效應力下，1 號、2 號、3 號煤樣試件的最大滲透率與最小滲透率分別相差148倍、53 倍、59 倍。

同時，由圖5 可以看出，在氣體壓力為0.31、0.61 MPa 下，隨著有效應力的增加，雖然 2 號、3 號煤樣試件的滲透率仍比1 號煤樣的大，但3 者相差已經很小?？紤]到煤樣采集于同一礦井的同一煤層，孔隙度和裂隙方向可能是導致煤樣試件的滲透率對有效應力敏感性差異的主因[19-20]。1 號煤樣的裂隙方向與軸線方向垂直，不利于氣體的滲流。2 號、3號煤樣的裂隙方向與軸線平行，對氣體的滲流相對有利。當有效應力較小時，1 號煤樣的滲透率較小，2號、3 號煤樣的滲透率較大。而當有效應力增加到一定值后，煤樣試件被壓實，三者的滲透率相差不大。

3 結 論

1）新景礦3 號煤層滲透率對有效應力具有極強敏感性，有效應力實驗范圍內，煤層試件的最大滲透率和最小滲透率相差30～487 倍。在氣體壓力一定時，煤樣試件的滲透率隨有效應力的升高而降低，并且降幅隨有效應力的增大而減小，當有效應力增加至一定值時，煤樣試件的滲透率將趨于穩(wěn)定。

2）不同煤樣試件的滲透率對有效應力的敏感性不同，有明顯分異現(xiàn)象。在氣體壓力 0.31、0.61 MPa，有效應力 0.39～8.69 MPa 實驗條件下，1 號煤樣試件的最大滲透率與最小滲透率相差148～176 倍，2 號煤樣試件的最大滲透率與最小滲透率相差30～53倍，3 號煤樣試件的最大滲透率與最小滲透率相差59～487 倍。

3）煤層的滲透率大小與煤樣的孔隙度及裂隙方向密切相關，煤樣試件的滲透率在裂隙方向平行于軸線方向、孔隙度較大時比裂隙方向垂直于軸線方向、孔隙度較小時要大，特別是在有效應力較低的情況下，煤樣的滲透率相差很大。