張國華，畢業(yè)武，王 磊，高明星，蒲文龍

(1.黑龍江科技大學 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院，哈爾濱 150022; 3.黑龍江科技大學 安全工程學院，哈爾濱 150022)

0 引 言

煤層滲透率及其演化直接影響著地下流體的滲流行為，其影響因素和作用機制一直為眾多學者所關(guān)注[1-4]。目前，有眾多專家學者從應力、煤基質(zhì)收縮及溫度等角度探討了滲透率的變化規(guī)律[5-7]。周軍平等[8]根據(jù)煤基質(zhì)的壓縮效應以及有效應力的影響，建立了滲流數(shù)學模型。孟召平等[9]提出了滲透率和應力之間的量化關(guān)系式及其相關(guān)模型。劉永茜等[10]研究了含水率對煤層裂隙變形及煤層氣運移的控制作用。趙繼濤[11]研究了不同含水率對低滲煤層氣體的滲流影響。賀玉龍等[12]通過實驗室實驗探討了溫度和應力對巖石的滲透特性的影響。張志剛[13]研究了煤體在受到瓦斯吸附與應力共同影響下的瓦斯?jié)B透特性變化特征。趙俊龍等[14]對氣-水兩相煤體有效滲透率動態(tài)的變化規(guī)律進行了研究。潘一山等[15]運用無損檢測NMRI成像技術(shù)對煤層中氣-水兩相滲流規(guī)律進行了實驗研究。

上述研究主要是針對含水率對煤樣滲透特性的影響，但是，對于含水率和應力共同影響下的煤樣滲透率研究較少。鑒于此，筆者以黑龍江龍煤集團某礦高瓦斯煤樣制備的型煤試件為研究對象，借助自制的滲流實驗平臺，進行了多種應力、瓦斯壓力條件下，不同含水率煤樣瓦斯?jié)B流實驗研究，分析了含瓦斯煤在水-力耦合作用下滲透率演化規(guī)律，以期對瓦斯災害治理和煤層氣開采工作有一定的借鑒意義。

1 實 驗

1.1 煤樣制備

該實驗所測試的煤樣取自龍煤集團某礦高瓦斯煤層。將煤樣打碎，篩分粒度為40～80目的煤粒，添加適量的水，放入模具中壓制成尺寸為φ50 mm×100 mm的標準試件(允許誤差為±1 mm)。將試件放入恒溫干燥箱內(nèi)以65 ℃烘干24 h除水，編號后放入養(yǎng)護箱中備用，見圖1。

圖1 實驗煤樣Fig. 1 Coal samples

1.2 實驗裝置

自制的三軸滲流裝置，包括高壓氣瓶、煤樣室、恒溫水浴、提供應力環(huán)境的圍壓/軸壓加載裝置、數(shù)據(jù)采集計算機及流量計等單元。實驗時，外部應力由兩個油泵提供，恒溫水域的功能是消除溫度的影響，瓦斯壓力由高壓氣瓶的減壓閥來控制，實驗試件流經(jīng)的瓦斯氣體由流量計測定，最后流經(jīng)尾氣處理裝置，保證實驗的安全性。圖2為實驗裝置示意圖。

圖2 實驗系統(tǒng)示意Fig. 2 Diagram of experimental system

1.3 實驗步驟

分別制備4組不同含水率煤樣進行滲流實驗。為使實驗結(jié)果更具規(guī)律性，所配試件的含水率盡量等分，最終制備含水率分別為0%、2%、4%、6%的型煤試件。每試件組設置4組不同瓦斯壓力實驗，分別為0.5、1.0、1.5和2.0 MPa，實驗溫度為30 ℃?？紤]應力對煤樣瓦斯?jié)B流特性的影響，故實驗設置軸壓/圍壓分別壓為6、8和10 MPa。為方便描述，在文中用σ來代表外部應力，用p來表示瓦斯壓力，用w來表示含水率。

2 結(jié)果與分析

實驗過程中通過瓦斯流量利用式(1)進行滲透率計算：

(1)

式中：K——煤體滲透率,μm2；

q——氣體流量,ml/s；

μ——氣體的絕對黏度，室溫20 ℃時瓦斯黏度為1.087×10-6Pa·s；

p1——入口壓力,MPa；

p2——出口壓力，標準大氣壓為 0.101 MPa；

A——滲透率有效面積,m2；

L——煤體試件長度,mm。

2.1 含水率對煤體瓦斯?jié)B透特性的影響

圖3為不同含水率煤樣滲透率隨應力和瓦斯壓力變化情況，以p=0.5 MPa為例進行分析。當σ為6 MPa時，K隨著w的增加在逐漸減小，且σ各梯度下K的減小量在逐漸變小。即，煤樣試件的滲透率隨含水率增大而逐漸減小，滲透率隨含水率的變化趨勢逐漸趨緩。由此可見，含水率對煤樣的滲透率有著重要的影響。

圖3 不同含水率煤樣滲透率變化規(guī)律Fig. 3 Permeability of coal samples under different water contents

眾所周知，煤孔隙結(jié)構(gòu)直接影響著煤體的滲流特性，將其細化分出了微孔、小孔、中孔、大孔、可見孔及裂隙，又根據(jù)它們功能的差異分為吸附孔和滲流孔。煤層瓦斯?jié)B透率大小主要受其滲流孔的影響，由于水分子很難進入到微孔內(nèi)，故水分對煤層滲流特性的影響主要是通過對其滲流孔的影響而改變其滲透率。

水分對滲透率影響可以表現(xiàn)在以下兩個方面。首先，煤體孔隙內(nèi)吸附的水分子會導致一定形變，同時煤體塑性增強，在受載的過程中更容易發(fā)生變形，使得煤體滲流孔變小，進一步導致了滲流能力的下降；其次，當水進入到滲透孔隙時，占據(jù)了瓦斯的滲流通道，導致瓦斯氣體流過煤樣更加困難，使其滲透率減??；當煤體含水率增大時，可供瓦斯?jié)B流通道進一步變窄，其滲透率繼續(xù)減?。划斔滞耆錆M煤樣滲流孔后，瓦斯氣體無法通過煤樣，滲透率降為零。由此可知，這兩個作用都會導致滲透率的降低。

2.2 外部應力對煤體瓦斯?jié)B流特性的影響

為探究不同含水率與瓦斯壓力耦合作用下煤樣滲透率變化情況，本實驗通過改變軸壓與圍壓模擬不同地應力對煤層瓦斯?jié)B透率的影響。實驗中設定溫度為30 ℃。

從圖4可以看出，當瓦斯壓力與含水率保持恒定時，隨著應力的不斷加大，型煤試件的瓦斯?jié)B透率在逐漸減小。即瓦斯?jié)B透率與應力呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。

應力在6～10 MPa變化，不同含水率及瓦斯壓力條件下的瓦斯?jié)B透率下降幅度約為30%～50%。從各組下降幅度來看，同一瓦斯壓力下不同含水率、同一含水率中不同瓦斯壓力煤樣滲透率下降幅度與應力增大無明顯規(guī)律，但同一含水率及瓦斯壓力條件下，外部應力持續(xù)的增大對滲透率的影響程度在逐漸的減弱。

由前述可知，煤樣滲透率的改變主要是由其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化引起的，外部應力對于煤樣滲透特性的影響可以從以下三個方面進行討論：首先，從孔隙的角度來分析，當應力升高時，煤體內(nèi)部的孔隙空間壓縮、孔徑變小，致使氣體在煤體中的滲流阻力變大，直觀表現(xiàn)就是滲透率的降低；其次，從裂隙的角度來看，當煤體所受的應力升高時，部分裂隙出現(xiàn)閉合，開度降低，導致滲流通道減少，滲透率表現(xiàn)出降低的趨勢；最后，從吸附解吸的角度來看，當應力升高時，煤體的瓦斯吸附量減小，對應的煤體吸附瓦斯膨脹變形量減小，對裂隙的閉合起到反向作用，可以導致滲透率增大。因此，應力增加對于瓦斯?jié)B流的效果來說，存在負效應的同時又有正效應，而滲透率表現(xiàn)出來的規(guī)律受到了這兩方面的作用，為二者競爭作用的結(jié)果。從圖4滲透率變化規(guī)律來看，隨著應力的增加，滲透率反向變化，這就說明了應力對滲透率的負效應更加顯著。

圖4 不同應力下含水煤樣滲透率變化規(guī)律Fig. 4 Permeability of water-containing coal samples under different stresses

2.3 孔隙壓力對煤體瓦斯?jié)B流特性的影響

圖5為相同應力和含水率下，滲透率隨瓦斯壓力變化結(jié)果。從圖5可以看出，隨著瓦斯壓力的不斷增加，含瓦斯煤滲透率呈現(xiàn)V字型變化，即先下降后上升，表現(xiàn)出了明顯的克林伯格效應。

圖5 不同瓦斯壓力下含水煤樣滲透率變化規(guī)律Fig. 5 Permeability of water-containing coal samples under different gas pressures

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，煤樣在煤體瓦斯壓力增大的初期，煤體骨架吸附瓦斯膨脹變形，導致氣體流動通道變窄受阻，導致滲透率的下降。同時，由于煤體本身的吸附效應使得甲烷吸附孔隙結(jié)構(gòu)表層，從而減小了瓦斯通道的體積，也促進了滲透率的下降。隨著瓦斯壓力的繼續(xù)增大，煤體吸附與解吸的動態(tài)變化逐漸趨向平衡，瓦斯壓力的影響凸顯，此時滲透率會逐漸增大。

從實驗結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)，滲透率初始階段下降的速率要大于之后上升的速率，是由于煤體在吸附膨脹后很難在相同狀況下恢復到膨脹前狀態(tài)，故后期較前期相同瓦斯壓力梯度內(nèi)滲透率的值要低。并且，含水率、應力的變化只改變煤樣滲透率的大小，并沒有改變其克林伯格效應?？梢姡簶拥耐咚刮侥芰κ芎视绊懹邢?，不足以克服克林伯格效應。

3 結(jié) 論

(1) 當含水率上升時，煤樣滲透率隨之減小。水分吸附導致微孔至大孔的滲流孔被占據(jù)，當含水率繼續(xù)上升時，由于煤樣還有可見孔隙與裂隙，親水程度有限，此時瓦斯氣體主要流過可見孔、裂隙，因此隨著含水率的增加滲透率減小趨勢變緩。

(2) 當瓦斯壓力恒定時，增大外部應力，不同含水率煤樣滲透率減小，兩者呈負效應。當初始階段處于低應力時，煤樣內(nèi)部的裂隙受到壓縮，滲透率快速下降。但是隨著應力的繼續(xù)增加，裂隙閉合達到了一定程度，孔隙難以壓縮，滲透率降低速度減緩。

(3) 當應力恒定時，增大瓦斯壓力，不同含水率煤樣滲透率隨之先減小后增大，呈現(xiàn)出V字型變化，實驗結(jié)果表現(xiàn)出的克林伯格效應較為顯著。