萬軍鳳，王 飛，王艷麗，王學(xué)武

（1.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院，山東 東營257000；2.中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580）

煤巖滲透率作為反映瓦斯氣體滲流難易程度的重要指標(biāo)[1]，是煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵[2-3]；同時(shí)，煤巖滲透率還是開展煤與瓦斯突出防治研究等一系列礦山安全問題的切入點(diǎn)，這就決定煤巖滲流特性實(shí)驗(yàn)成為了煤巖實(shí)驗(yàn)測試的核心內(nèi)容[4]。為研究煤巖的滲流特性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，取得了較多研究成果[5-13]，但研究的滲透率影響因素較單一，僅僅考慮加載應(yīng)力、溫度、含水率、注氣壓力某一方面或幾個(gè)方面，未考慮各因素綜合作用時(shí)對瓦斯?jié)B流規(guī)律的影響；對不同含水狀態(tài)的煤巖進(jìn)行瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)時(shí)，缺少煤樣中流失水分的計(jì)量；不同的滲流實(shí)驗(yàn)中夾持器下游出口壓力直接與大氣相通，這與煤礦現(xiàn)場實(shí)際情況不太相符。為此，在吸收目前同類滲流實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，克服上述不足，設(shè)計(jì)開發(fā)了新的實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置可較好地模擬煤儲(chǔ)層瓦斯?jié)B流所處的環(huán)境，進(jìn)行溫度、含水率、地應(yīng)力及注氣壓力多因素耦合作用下的煤巖瓦斯?jié)B流特性實(shí)驗(yàn)，以模擬再現(xiàn)瓦斯運(yùn)移過程，為更深層次地探索瓦斯?jié)B流機(jī)制提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及核心技術(shù)

煤巖力熱耦合滲流特性實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1。裝置主要由儲(chǔ)層環(huán)境模擬系統(tǒng)、氣體注入及調(diào)壓系統(tǒng)、回壓控制系統(tǒng)、氣水分離系統(tǒng)、氣體計(jì)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)等核心技術(shù)組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Experimental device structure diagram

核心技術(shù)如下：

1）儲(chǔ)層環(huán)境模擬系統(tǒng)。為模擬地質(zhì)環(huán)境中不同埋深下的煤儲(chǔ)層壓力和溫度，專門設(shè)計(jì)了圓柱煤巖三軸夾持器，煤巖三軸夾持器如圖2。通過和手搖泵的配套使用，可對煤樣在軸向和側(cè)面圍向分別施加載荷，以模擬地下煤巖的受力狀態(tài)。軸向應(yīng)力、圍向應(yīng)力也可單獨(dú)調(diào)整控制，以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)力下的非均衡受載實(shí)驗(yàn)；可實(shí)現(xiàn)的軸向應(yīng)力及圍向應(yīng)力最高為40 MPa。儲(chǔ)層環(huán)境溫度的模擬主要由溫度控制單元來實(shí)現(xiàn)，溫度控制單元由RKC-CD901型的溫控器、電加熱帶、溫度傳感器等組成。電加熱帶包裹于夾持器腔體中間層部分，溫度傳感器探針則安裝在夾持器腔體上，保證了溫度檢測數(shù)據(jù)的可靠性?？蓪υ嚰訜岬臏囟确秶鸀槭覝刂?50℃，夾持器的溫度控制精度為±0.5℃。圓柱煤巖三軸夾持器適用試件尺寸為φ50 mm×（50～100 mm）。

圖2 煤巖三軸夾持器Fig.2 Coal and rock triaxial gripper

2）氣體注入及調(diào)壓系統(tǒng)。氣體注入及調(diào)壓系統(tǒng)主要包括高純甲烷氣瓶、輸氣管路、減壓設(shè)備及互聯(lián)管閥等。實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用減壓設(shè)備調(diào)節(jié)供給煤巖三軸夾持器的上游氣體壓力，輸氣管路采用4 mm優(yōu)質(zhì)不銹鋼管線，耐壓性能良好，夾持器的下游出口壓力則由回壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制，輸氣管線、壓力傳感器及進(jìn)、出氣口的連接均采用雙卡套連接，密封可靠，保證了系統(tǒng)的氣密性。

3）回壓控制系統(tǒng)。為保證室內(nèi)煤巖滲流特性實(shí)驗(yàn)更接近煤礦現(xiàn)場實(shí)際，設(shè)計(jì)了回壓控制系統(tǒng)，回壓控制系統(tǒng)主要包括：氮?dú)鈿馄考暗獨(dú)鈿馄繙p壓器、回壓器、回壓器氣體壓力入口閥門、輸氣管路等。通過調(diào)節(jié)氮?dú)鈿馄抗┙o回壓器的氣體壓力大小，可實(shí)現(xiàn)對夾持器下游出口壓力較精確控制。

4）氣水分離系統(tǒng)。滲流實(shí)驗(yàn)時(shí)，考慮到煤樣中少量水分會(huì)被瓦斯氣體攜帶流出，在夾持器下游出口端設(shè)計(jì)了氣水分離系統(tǒng)，以獲取攜帶出的水分質(zhì)量。氣水分離系統(tǒng)主要由集水瓶、精密分析天平及輸氣管路連接而成，該系統(tǒng)中的集水瓶內(nèi)置硅膠，能夠充分吸收煤樣出口端隨瓦斯氣體帶出的水分，精密分析天平（精度≤0.01 g）的使用保證了水分測量的精確性。

5）氣體計(jì)量系統(tǒng)。氣體計(jì)量系統(tǒng)由高精度玻璃計(jì)量管、硅膠管，轉(zhuǎn)換接頭及管線連接而成。高精度玻璃計(jì)量管上刻繪有精度刻線，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)根據(jù)不同滲透率的煤樣適時(shí)調(diào)整玻璃計(jì)量管的量程規(guī)格，以保證測量的精確性。

6）數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓力、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)處理。

2 實(shí)驗(yàn)概況

為驗(yàn)證煤巖力熱耦合滲流特性實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)功能及測試精度，對原煤煤樣在模擬煤儲(chǔ)層溫度的條件下，進(jìn)行了加載應(yīng)力、含水率和注氣壓力耦合作用下的瓦斯?jié)B流特性實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)煤樣采用沁水盆地鄭莊煤礦原煤煤樣，煤樣規(guī)格：φ50 mm×100 mm；由于煤巖主要?dú)怏w成分為甲烷，所以實(shí)驗(yàn)氣體采用純濃度99.99%甲烷。設(shè)定實(shí)驗(yàn)煤樣溫度為煤儲(chǔ)層溫度25℃，對干燥煤樣以及含水率分別為1.35%、2.58%、2.90%、3.51%的5種煤樣進(jìn)行不同受載方式及注氣壓力下的瓦斯?jié)B流特性實(shí)驗(yàn)。滲流實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 滲流實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Seepage experiment schemes

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備氣密性良好，然后將實(shí)驗(yàn)煤樣稱重，待將煤樣放入三軸夾持器后，給煤樣施加實(shí)驗(yàn)方案中應(yīng)力、溫度預(yù)定值，進(jìn)而設(shè)置夾持器下游出口端的回壓值；再注氣，等煤樣吸附穩(wěn)定6 h后，打開夾持器下游閥門，開始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，讀取電子天平顯示值的變化，得到實(shí)驗(yàn)煤樣穩(wěn)定滲流時(shí)的含水率，同時(shí)根據(jù)達(dá)西定律求出不同實(shí)驗(yàn)條件下的煤樣滲透率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)溫度恒定在25℃，注氣壓力1.0、1.5 MPa條件下，交替升高軸向應(yīng)力、圍向應(yīng)力，得到不同受載方式下煤樣滲透率與含水率變化曲線，煤樣滲透率與含水率關(guān)系曲線如圖3。煤樣滲透率與含水率關(guān)系擬合方程見表2。

圖3 煤樣滲透率與含水率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between permeability and water content

表2 煤樣滲透率與含水率關(guān)系擬合方程Table 2 Fitting equation of relation between permeability and water content

由圖3可知：煤樣滲透率對加載應(yīng)力變化反應(yīng)十分敏感，煤樣滲透率隨加載應(yīng)力的增大而顯著減小，但加載應(yīng)力增幅相同時(shí)，低加載應(yīng)力條件下煤樣滲透率的下降幅度明顯大于高加載應(yīng)力條件時(shí)。由圖3（a）可知，取含水率為1.35%的煤樣作為分析對象，當(dāng)所施加的軸向應(yīng)力、圍向應(yīng)力從（2 MPa，2 MPa）變化到（4 MPa，4 MPa）時(shí)，煤樣滲透率由0.041×10-3μm2下降到0.019×10-3μm2，減少了0.022×10-3μm2；繼續(xù)進(jìn)行煤樣加載實(shí)驗(yàn)，即軸向應(yīng)力、圍向應(yīng)力再由（4 MPa，4 MPa）增加到（6 MPa，6 MPa）時(shí)，煤樣滲透率則減少了0.010 4×10-3μm2。這是由于煤體受載發(fā)生形變過程中，其變形及閉合難度越來越大所導(dǎo)致的結(jié)果。

由圖3和表2可知，恒定注氣壓力及受載方式下，煤樣滲透率隨含水率的增加逐漸減小，但減小趨勢變緩，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖3（b）可知，注氣壓力1.5 MPa條件下，軸向應(yīng)力和圍向應(yīng)力均為4 MPa時(shí)，煤樣含水率從0%依次增大至2.58%及3.51%，煤樣滲透率減少幅度則分別為50.89%、32.53%。顯然，水分的存在使得煤巖滲透率大幅下降，因煤具有較好的親水性，隨著煤樣含水率的增加，水會(huì)占據(jù)更多的煤巖孔隙空間；同時(shí)，水進(jìn)入煤巖多孔介質(zhì)時(shí)，水會(huì)優(yōu)先占據(jù)大孔隙，微孔隙較難進(jìn)入[14]，瓦斯?jié)B流通道則越來越窄甚至完全閉合[15]，從而導(dǎo)致煤樣滲透率變小但減小趨勢變緩。

由表2推導(dǎo)出煤樣滲透率K與含水率w之間的一般關(guān)系式：

式中：A、B、C為擬合參數(shù)，A、C＞0，B＜0。

上述瓦斯?jié)B流特性實(shí)驗(yàn)在多因素耦合作用下開展，可較好地模擬煤層現(xiàn)場瓦斯?jié)B流受多因素共同影響的實(shí)際情況。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果：含水率的增大會(huì)導(dǎo)致煤樣滲透率降低，這從理論上論證了工程現(xiàn)場廣泛采用的煤層注水是降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的有效措施之一。

在煤礦開采過程中，可通過現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)（煤層瓦斯壓力、含水率等），利用式（1），預(yù)測煤層的滲透率，進(jìn)而推算瓦斯涌出量，從而及時(shí)調(diào)整礦井開采工作方案或者合理安排瓦斯抽放，這對于預(yù)防瓦斯突出事故具有重要的實(shí)際意義。

4結(jié)語

1）煤巖力熱耦合滲流特性實(shí)驗(yàn)裝置能將實(shí)驗(yàn)煤樣所受溫度場、應(yīng)力場恢復(fù)到煤儲(chǔ)層原位溫度、應(yīng)力狀態(tài)，利用該裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)?zāi)芫C合反映加載應(yīng)力、注氣壓力、溫度及含水率對滲透率的耦合作用，可較好地再現(xiàn)煤巖滲流動(dòng)態(tài)過程。

2）隨加載應(yīng)力的增大，煤巖基質(zhì)受到壓縮，瓦斯?jié)B流通道變窄，煤樣滲透率大幅下降，但加載應(yīng)力增幅相同時(shí)，滲透率下降幅度明顯變小。在煤層氣井開發(fā)過程中，需要考慮應(yīng)力變化對氣井產(chǎn)能的影響。

3）含水率是影響煤樣滲透率的重要因素，煤樣滲透率隨含水率的增加逐漸減小，但減小趨勢伴隨含水率的增大逐漸變緩，與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這從理論上論證了煤層注水是降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的有效措施之一。

4）通過開展多因素綜合作用下的瓦斯?jié)B流特性實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該裝置在功能上的多樣性及運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性。