李增慧

（唐山陸凱科技有限公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

隨著煤礦開(kāi)采深度及開(kāi)采強(qiáng)度的增加，煤層瓦斯賦存條件更加復(fù)雜，瓦斯防治難度也隨之增大，嚴(yán)重制約了礦井的生產(chǎn)安全。煤層瓦斯抽采是治理瓦斯災(zāi)害的主要技術(shù)措施之一，而科學(xué)合理地確定煤層瓦斯抽采參數(shù)需研究掌握煤層瓦斯的滲流規(guī)律。

目前諸多學(xué)者對(duì)煤體的滲透率變化規(guī)律開(kāi)展了大量研究。孫亮、賈男等對(duì)原煤與型煤的滲透特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，比較了型煤與原煤在相同滲透率下的各孔隙參數(shù)之間的差異[1]。張丹丹測(cè)定了不同溫度條件下型煤及原煤的滲透率，通過(guò)定義溫度敏感性系數(shù)，進(jìn)一步研究了2種煤樣的滲透率對(duì)溫度的敏感性差異[2]。李佳偉、劉建等利用巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)原煤和型煤試件進(jìn)行滲流試驗(yàn)，分析了2種試件的力學(xué)性能和滲透特性[3]。王珍、袁梅進(jìn)行了三軸滲流實(shí)驗(yàn)，考察了煤層滲透率對(duì)平均有效應(yīng)力敏感系數(shù)的變化規(guī)律[4]。胡雄、梁為等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)原煤及型煤的滲流特性從尺寸效應(yīng)、溫度及應(yīng)力三方面進(jìn)行了分析[5]。魏建平、王超等研究了煤體滲透性實(shí)驗(yàn)中型煤和原煤的差異，分析了不同圍壓和瓦斯壓力對(duì)型煤和原煤滲透性的影響差異[6]。賈恒義、王凱等以原煤和型煤煤樣為研究對(duì)象，進(jìn)行了圍壓等幅循環(huán)加卸載滲流試驗(yàn)，分析了滲透率對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)特征[7]。

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室制取原煤和型煤試樣，使用MZY-Ⅰ型煤層滲透率測(cè)定儀，研究不同圍壓和瓦斯壓力作用下對(duì)原煤及型煤煤樣滲透率的影響。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)圍壓和瓦斯壓力對(duì)煤體滲透率的影響，掌握煤層滲透性的變化規(guī)律，有助于合理有效的開(kāi)發(fā)煤層氣資源。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原煤制樣

煤樣制備：①?gòu)牟擅汗ぷ髅孢x取長(zhǎng)度大于150 mm且寬度和厚度大于100 mm較為規(guī)則的煤塊，采用保鮮膜對(duì)選取的煤塊逐一進(jìn)行密封；②為保證鉆取煤樣的完整性，選用規(guī)格為50 mm×100 mm巖芯管鉆沿煤樣層理的垂直方向勻速緩慢鉆??；③鉆取結(jié)束后將煤樣上下兩端打磨光滑、平整，以確保煤樣上下端面受力均勻且穩(wěn)定，制作規(guī)格為50 mm×100 mm的煤柱試樣；④將煤柱放入真空烘干箱烘干1 h后（水鉆鉆取煤柱表層過(guò)濕）標(biāo)號(hào)并放入密封袋保存（每個(gè)標(biāo)號(hào)煤柱取2～3個(gè)）。

1.2 型煤制樣

利用破碎機(jī)將鉆取煤芯后的塊煤粉碎成煤粉顆粒，通過(guò)振動(dòng)篩篩取粒徑為0.18～0.38 mm的煤粉顆粒用于煤柱制備。稱取260 g左右篩分出的煤粉顆粒倒入型煤模具中，將模具置于剛性液壓壓力機(jī)上，設(shè)置加壓速率為0.5 MPa/s，加壓壓力為150 MPa，當(dāng)壓力加載至150 MPa時(shí)保持30 min，煤樣制備完成。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用MZY-Ⅰ型煤層滲透率測(cè)定儀，測(cè)定原理如圖1所示。測(cè)定裝置由巖心前處理部分和氣、液測(cè)定部分組分，實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用的氣測(cè)部分主要由調(diào)壓閥、定值器、氣體質(zhì)量流量計(jì)和壓力傳感器4部分組成。

圖1 滲透率自動(dòng)測(cè)定原理Fig.1 Principle of automatic permeability measurement

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

為研究圍壓、瓦斯壓力與原煤和型煤滲透率變化之間的關(guān)系，制定如下實(shí)驗(yàn)方案。

在圍壓4、8、12 MPa的條件下，將瓦斯壓力依次設(shè)定為0.2、0.4、0.6、0.8、1 MPa，測(cè)量原煤和型煤試樣的滲透率變化規(guī)律。

（1）測(cè)量并記錄煤樣長(zhǎng)度和直徑后將煤樣放入裝置的夾持器中，進(jìn)行裝置安裝并檢查裝置氣密性。

（2）依次將圍壓、瓦斯壓力、溫度設(shè)定為4 MPa和0.2 MPa和室溫。保持夾持器中的瓦斯壓力恒定，煤樣充分吸附12 h后將進(jìn)氣閥門(mén)與出氣閥門(mén)同時(shí)關(guān)閉，觀察夾持器內(nèi)瓦斯壓力減少量。如果瓦斯壓力在1 h內(nèi)的減少量小于系統(tǒng)泄露的氣體量，則說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)試件吸附已達(dá)到平衡狀態(tài)；如果不小于系統(tǒng)泄漏氣體量則繼續(xù)吸附2 h后再按如上步驟檢驗(yàn)裝置的氣密性，直至煤樣達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。

（3）設(shè)置進(jìn)氣端氣體壓力為所需實(shí)驗(yàn)值，出氣端氣體壓力為0.1 MPa（大氣壓力），待實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的瓦斯流量。

（4）選用適宜的轉(zhuǎn)子流量計(jì)，記下實(shí)驗(yàn)所需氣壓值時(shí)通過(guò)的流量值，間隔相同變化值時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的流量至該組實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

（5）將進(jìn)氣端氣體壓力值調(diào)為0；打開(kāi)放空閥，待圍壓降至0后方可取出煤樣，一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

（6）重復(fù)步驟（2）～步驟（5），依次完成不同條件下滲透率的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將儀器還原并關(guān)閉所有閥門(mén)，測(cè)試完畢。

1.5 煤樣滲透率計(jì)算

實(shí)驗(yàn)室在測(cè)定試樣滲透率時(shí)應(yīng)基于達(dá)西定律穩(wěn)定流法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）[8]。

式中：K為氣體滲透率，10-4μm2；P0為大氣壓力，MPa；Q0為大氣壓力下的氣體流量，mL/s；μ為瓦斯氣體粘度系數(shù)，Pa·s；L為試樣的長(zhǎng)度，cm；A為試樣的橫截面積，cm2；P1為進(jìn)口氣體壓力，MPa；P2為出口氣體壓力，MPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)，進(jìn)氣端通入瓦斯氣體，待進(jìn)氣口壓力穩(wěn)定后，每20 s計(jì)量一次氣體流量，代入式（1）中，可得到不同條件下原煤與型煤試樣的滲透率。原煤與型煤滲透率隨圍壓和瓦斯壓力變化情況如圖2所示。

圖2 不同瓦斯壓力下的試樣滲透率Fig.2 Sample permeability under different gas pressures

由圖2可知，瓦斯壓力一定時(shí)，原煤及型煤煤樣的滲透率均隨圍壓的升高而降低；圍壓一定時(shí)，2種煤樣的滲透率均隨著瓦斯壓力的增大而減小，且在瓦斯壓力0.6～1 MPa的滲透率衰減量小于0.2～0.6 MPa的衰減量。這種現(xiàn)象主要與Klinkenberg效應(yīng)有關(guān)[9]，在瓦斯壓力升高的初期，煤體骨架因吸附瓦斯而膨脹變形，導(dǎo)致在周?chē)鷫毫Σ蛔兊那闆r下難以沿徑向向外壁膨脹變形，因此煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)向內(nèi)膨脹，導(dǎo)致氣體流動(dòng)的通道變得狹窄、堵塞，最終造成滲透率下降的結(jié)果。另外，因?yàn)槊后w自身具有吸附作用，使得孔隙結(jié)構(gòu)的表層吸附了少量氣體，造成氣體通道體積有所縮小，導(dǎo)致煤體的滲透率降低[10]。原煤滲透率低于型煤滲透率是因?yàn)镵linkenberg效應(yīng)在低壓狀態(tài)下對(duì)原煤樣品的滲透率影響比型煤大；Klinkenberg效應(yīng)隨氣體壓力升高而逐漸減弱，因此0.6～1 MPa的滲透率衰減量小于0.2～0.6 MPa的滲透率衰減量。

2.2 原煤與型煤滲流特性分析

在不同圍壓和瓦斯壓力條件下，型煤和原煤的滲透率變化如圖3所示。

圖3 型煤與原煤滲透率對(duì)比Fig.3 Comparison of permeability between briquette and rawcoal

由圖3可以看出，在同一圍壓和瓦斯壓力條件下，型煤的滲透率均大于原煤滲透率。在不同圍壓條件下，型煤的滲透率隨瓦斯壓力的增加衰減幅度較大，而原煤滲透率的衰減幅度則較為平緩；型煤與原煤滲透率的差值均隨瓦斯壓力的增加而逐漸減小。

對(duì)不同圍壓下的原煤與型煤滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，擬合結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

由表1、表2可知，不同圍壓條件下的原煤和型煤煤樣滲透率均隨瓦斯壓力的增加呈負(fù)指數(shù)函數(shù)變化?？紫督Y(jié)構(gòu)是影響煤體滲透性的主要因素，圍壓對(duì)煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，使得煤體滲透率發(fā)生變化[11]。滲透率的降低是由于煤樣的內(nèi)部孔隙體積在圍壓的作用下逐漸減少，從而阻礙了孔隙間的連通。原煤由于骨架強(qiáng)度大，抗壓能力強(qiáng)，內(nèi)部孔隙變化量也比型煤少，所以滲透率下降較小。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，型煤的滲透率是原煤的9～70倍，這說(shuō)明型煤的內(nèi)部孔隙體積比原煤大得多，型煤的孔隙和裂隙連通性較好。雖然原煤內(nèi)部存在較多的原生裂隙和孔隙結(jié)構(gòu)，但因?yàn)檫B通性較差，氣體的有效流動(dòng)通道較少，單位時(shí)間內(nèi)氣體流量少，因此其滲透率低于型煤。與此相反的是，型煤由特定粒度的煤粉顆粒制作而成，雖然煤體內(nèi)部的裂隙結(jié)構(gòu)與原煤相比較少，但其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)連通性比原煤樣品好，氣體滲透空間大，導(dǎo)致滲透率大于原煤。

表1 原煤滲透率與瓦斯壓力的擬合方程Table 1 Fitting equation of rawcoal permeability and gas pressure

3 結(jié) 論

為研究原煤與型煤滲透率變化規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室中制取了50 mm×100 mm的原煤和型煤煤樣，并對(duì)2種煤樣進(jìn)行了滲透率實(shí)驗(yàn)。分析了不同圍壓、不同瓦斯壓力條件下原煤和型煤煤樣滲透率的變化規(guī)律。

（1）瓦斯壓力一定時(shí)，原煤及型煤煤樣的滲透率均隨圍壓的升高而降低，煤樣滲透率與圍壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；圍壓一定時(shí)，原煤和型煤的滲透率隨瓦斯壓力的增加呈負(fù)指數(shù)函數(shù)變化。Klinkenberg效應(yīng)對(duì)原煤煤樣滲透率的影響更大，Klinkenberg效應(yīng)隨瓦斯壓力升高而逐漸減弱。

（2）在相同試驗(yàn)條件下，型煤的滲透率遠(yuǎn)大于原煤的滲透率，是原煤煤樣滲透率的9～70倍。隨瓦斯壓力增大，原煤滲透率的下降幅度小于型煤，且型煤與原煤滲透率的差值均隨瓦斯壓力的增加而逐漸減小。