深部煤體卸荷滲透率演化規(guī)律研究

深部煤體卸荷滲透率演化規(guī)律研究

1856年dahi提出dahi規(guī)則以來，巖石滲透率一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。巖石力學(xué)、土木工程、石油工程和采礦技術(shù)。煤層滲透性的興趣始于對(duì)現(xiàn)有煤層走廊的研究。煤體滲透性是礦井瓦斯防治和煤層氣開采的重要參數(shù),其大小決定了抽采的難易程度。隨著埋深的增加,地應(yīng)力、瓦斯壓力不斷增大,部分礦區(qū)現(xiàn)開采深度為800~1000m,垂向應(yīng)力達(dá)22~27MPa,煤層瓦斯壓力達(dá)6~8MPa,瓦斯含量達(dá)20~30m3/t,滲透率僅為10-18~10-19m2,瓦斯抽采困難,煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重。煤體滲透性與裂隙大小、間距、連通性、寬度、裂隙礦物填充、展布特征等煤體的裂隙特征密切相關(guān)。除此之外,地應(yīng)力、孔隙壓力和煤基質(zhì)收縮/膨脹等因素也對(duì)滲透性起決定作用,因此,煤體滲透率的變化取決于上述因素的綜合作用。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量實(shí)驗(yàn)以及理論研究,提出了眾多理論模型解釋滲透性的變化規(guī)律。Gray首次分析了應(yīng)力和吸附變形對(duì)煤體孔隙的綜合影響,并建立了相關(guān)滲透率模型;McKee等獲得了應(yīng)力與煤體孔隙率和滲透率間的關(guān)系;Sawyer等基于煤體孔隙裂隙與瓦斯壓力和濃度呈正比關(guān)系提出了滲透率模型;Seidle和Huitt將煤體基質(zhì)的變形全部歸結(jié)為瓦斯的解吸,提出了能解釋瓦斯解吸引起滲透率增加的理論模型;Palmer和Mansoori首次綜合考慮了煤的彈性變形和吸附變形建立了煤體孔隙率-滲透率模型;Shi和Durucan分析了單應(yīng)變條件下有效水平應(yīng)力的變化,并建立了應(yīng)力-滲透率模型;李祥春等建立了考慮煤骨架吸附變形特性的滲透率與膨脹變形的關(guān)系;CuiandBustin在此分析單應(yīng)變條件下煤體有效水平應(yīng)力變化基礎(chǔ)上,建立了煤體裂隙滲透率和應(yīng)力的指數(shù)關(guān)系式;Robertson和Christiansen綜合考慮了有效應(yīng)力對(duì)裂隙的閉合作用、孔隙壓力壓縮基質(zhì)對(duì)裂隙的擴(kuò)張及吸附變形對(duì)裂隙的閉合作用,建立了裂隙彈性條件下煤的應(yīng)力-滲透性模型;Zhang等在文獻(xiàn)基礎(chǔ)上建立了新的應(yīng)力-滲透率模型,并討論了有效應(yīng)力系數(shù)變化對(duì)滲透率的影響。Liu等認(rèn)為煤基質(zhì)吸附變形只有部分作用于裂隙,引入修正因子建立了考慮了有效應(yīng)力和煤基質(zhì)吸附變形的滲透性模型;Pan和Connell及Hol和Spiers發(fā)現(xiàn)煤基質(zhì)除因吸附瓦斯產(chǎn)生變形外,受孔隙壓力的作用也會(huì)出現(xiàn)壓縮變形;隨后Connell等引入煤基質(zhì)變形修正因子建立了三軸應(yīng)力應(yīng)變條件下的滲透性理論模型。國(guó)內(nèi)林柏泉、趙陽升和尹光志等分別在應(yīng)力、溫度、瓦斯壓力等因素對(duì)滲透率的影響研究方面有促進(jìn)作用。上述模型根據(jù)理論依據(jù)則可分為兩類:孔隙率-滲透率模型和應(yīng)力-滲透率模型,前者以Palmer-Mansoori模型(簡(jiǎn)稱P-M模型)為代表,后者以Gray模型為代表?，F(xiàn)有滲透率模型多以煤層氣開采為工程背景,并假定煤體應(yīng)力應(yīng)變環(huán)境為單軸應(yīng)變狀態(tài),相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究則以加載為條件。而煤礦的實(shí)踐證明采動(dòng)卸荷增加煤體滲透性是經(jīng)濟(jì)、可靠的工程手段,對(duì)低滲透性煤層的瓦斯抽采取得了良好的效果,但上述模型從力學(xué)路徑等角度尚無法描述此卸荷過程。目前對(duì)于采動(dòng)煤巖體在卸荷狀態(tài)下的滲透率演化尚缺乏系統(tǒng)研究,僅有個(gè)別文獻(xiàn)研究了加載過程中的細(xì)觀損傷變量與滲透率的關(guān)系,如謝和平等給出了增透率定義,在綜合考慮了支承壓力、孔隙壓力和瓦斯吸附膨脹耦合作用的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了增透率表達(dá)式。因此,筆者以含瓦斯煤體為研究對(duì)象,以滲透率模型為依據(jù),探討深部煤層滲透率的主控因素和深部低滲透性煤層的增透途徑,并開展煤體卸荷滲透率試驗(yàn)研究,以期建立卸荷煤體滲透率理論模型。1重要的深部煤層滲透性控制因素1.1煤基質(zhì)變形發(fā)展的規(guī)律理論依據(jù)其描述,其為一個(gè)系數(shù)fm煤是由煤基質(zhì)和裂隙組成的雙孔介質(zhì),其結(jié)構(gòu)可用立方體模型進(jìn)行描述(圖1)。煤的滲透率主要取決于宏觀裂隙,與孔隙率有關(guān),可由Kozeny-Carman公式描述,即式中,φ為孔隙率,%;C為系數(shù),與煤體物性特征有關(guān),對(duì)于同一種煤層,可視為常數(shù);S為單位體積煤體的表面積,m-1。當(dāng)煤體的受力發(fā)生變化,出現(xiàn)彈性小變形時(shí),煤基質(zhì)完好,僅有裂隙開度的變化,S可視為常數(shù),則滲透率由式(1)得到其中,φ0,k0分別為煤層初始孔隙率和滲透率,%和m2;φ,k分為煤層變化后的孔隙率和滲透率,%和m2。對(duì)于煤層而言,,則式(2)可簡(jiǎn)化為式(3)正是目前大多數(shù)孔隙率-滲透率模型的基礎(chǔ)。根據(jù)孔隙率的定義φ=Vp/V和介質(zhì)連續(xù)理論,孔隙率變化率為式中,Vp為裂隙體積;V為煤體體積。煤基質(zhì)體積的變化主要由有效應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變和基質(zhì)變形兩部分組成。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)煤基質(zhì)吸附氣體膨脹時(shí),煤體內(nèi)部各部分均產(chǎn)生相應(yīng)的變形,并進(jìn)行自我調(diào)整,只有一部分基質(zhì)變形對(duì)裂隙產(chǎn)生影響,本文引入一個(gè)系數(shù)fm表述煤體基質(zhì)變形對(duì)煤體裂隙變形的影響。煤體體積和裂隙體積變化率為將式(5)和式(6)代入式(4),得求解式(8)得將式(9)代入式(3),得到三軸應(yīng)力條件下基于有效基質(zhì)變形的煤體滲透率模型,即此式由有效應(yīng)力項(xiàng)和煤基質(zhì)變形項(xiàng)組成,以應(yīng)力為變量描述了地應(yīng)力、孔隙壓力和吸附膨脹變形對(duì)煤層滲透率的影響機(jī)制。1.2垂向地應(yīng)力與瓦斯壓力由式(10)知,煤層的滲透率主要受地應(yīng)力和瓦斯壓力控制。而煤層地應(yīng)力和瓦斯壓力均隨深度的增加呈線性增大的規(guī)律,在國(guó)內(nèi)眾多礦區(qū)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系為式中,p0為煤層瓦斯壓力,MPa;H為煤層的埋藏深度,m;C0為常數(shù)。由瓦斯地質(zhì)學(xué)的資料知,地層淺部煤層存在瓦斯風(fēng)化帶,其下限深度一般為200~500m,瓦斯壓力較低(僅為0.15~0.25MPa),而垂向地應(yīng)力則是從地表開始計(jì)算的,可按E.T.Brown和Hock給出的關(guān)系估算,即式中,σv為垂向應(yīng)力,MPa。由Biot有效應(yīng)力原理可得地應(yīng)力、瓦斯壓力與平均有效應(yīng)力的關(guān)系式中,為平均有效應(yīng)力,MPa;kc為側(cè)壓系數(shù),一般為0.5~1.0,構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)為2~3。取淮北礦區(qū)桃園煤層82煤層的瓦斯壓力曲線p0=0.0118H-3.9220和式(12)代入式(13),并取α=1,則側(cè)壓系數(shù)為1條件下地應(yīng)力、瓦斯壓力和平均有效應(yīng)力隨埋深的變化關(guān)系,如圖2所示。由圖2可知,瓦斯壓力梯度小于垂向地應(yīng)力的梯度,且瓦斯壓力變化曲線的截距為負(fù),使同一埋深條件下煤層瓦斯壓力始終遠(yuǎn)小于平均地應(yīng)力。當(dāng)煤層埋深達(dá)到1000m時(shí),煤層瓦斯壓力為7.88MPa,這一數(shù)值遠(yuǎn)小于此深度的垂向地應(yīng)力27.0MPa。結(jié)合前期對(duì)沁水煤田滲透率的研究(圖3)和現(xiàn)場(chǎng)考察的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)煤層埋深超過700m時(shí),地應(yīng)力成為控制煤體滲透率的主導(dǎo)因素。1.3煤體滲透率的控制因素—低滲透性煤層的增透途徑由前面的分析發(fā)現(xiàn),隨著埋深的增加,煤層滲透率隨地應(yīng)力和瓦斯壓力的變化表現(xiàn)出如下特點(diǎn):(1)地應(yīng)力的增加引起煤體有效應(yīng)力的增加,進(jìn)而壓縮煤體裂隙,使?jié)B透率降低。(2)瓦斯壓力的增加引起有效應(yīng)力的降低,較高的孔隙壓力將壓縮基質(zhì)、擴(kuò)張裂隙,使?jié)B透率增加;與此同時(shí),較高的瓦斯壓力將使煤基質(zhì)吸附更多的瓦斯而膨脹,擠壓裂隙使?jié)B透率降低。(3)較高的瓦斯壓力需要更嚴(yán)密的封閉環(huán)境,通常情況下,僅有地應(yīng)力較高的區(qū)域才能維持較高的瓦斯壓力。因此,地應(yīng)力控制著煤層的瓦斯壓力。進(jìn)入深部區(qū)域后,地應(yīng)力成為控制滲透率的主導(dǎo)因素。地應(yīng)力、瓦斯壓力與滲透率的相互作用關(guān)系如圖4所示。由前面的分析可知,深部煤層地應(yīng)力主導(dǎo)有效應(yīng)力的變化,直接或間接的控制著滲透率,因此,要有效增加煤體的滲透率,只能改變滲透率的主導(dǎo)因素———降低地應(yīng)力。外載荷下降后,煤體膨脹又引起煤層孔隙壓力的下降,使煤層滲透率進(jìn)一步增加。多年的實(shí)踐證明,目前我國(guó)眾多礦區(qū)正在試驗(yàn)或?qū)嵤┑谋Ｗo(hù)層開采、水利化措施(諸如水力割縫和水力沖孔等等)及密集瓦斯抽采鉆孔都是利用了這一原理,區(qū)域或局部降低煤體的載荷、釋放圍巖的應(yīng)力而提高煤體的滲透率。因此,深部低滲透性煤層只有通過相關(guān)技術(shù)措施降低煤層應(yīng)力,并使其維持一定時(shí)間,才能實(shí)現(xiàn)煤層的有效增透和瓦斯的高效抽采。2煤炭去除砂的理論模型2.1煤體滲透率演化規(guī)律煤礦開采或瓦斯抽采過程中,地應(yīng)力和瓦斯壓力出現(xiàn)大幅下降使煤體裂隙發(fā)生顯著改變,進(jìn)而增大煤層滲透率。為了研究此過程中滲透率的增透機(jī)制,在煤巖吸附-滲流-力學(xué)耦合特性測(cè)定儀上開展了加卸載條件下原煤的滲透演化特性研究。整個(gè)加卸載過程中滲透率的演化規(guī)律,如圖5所示。在卸載過程中,試樣滲透率隨著有效應(yīng)力的減小而增大,卸載初期滲透率有所增大,但幅度較小,這說明卸載過程并非加載的逆過程,煤體內(nèi)部裂隙在加載過程中出現(xiàn)了永久性損傷,在卸載過程中裂隙的形變并不能完全恢復(fù)。隨著有效應(yīng)力的持續(xù)下降,滲透率出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)現(xiàn)象,這是煤體在拉張應(yīng)力作用下,煤體發(fā)生卸荷損傷形成新的裂隙,降低了瓦斯的流動(dòng)阻力所致。同一路徑下利用CT掃描和滲透特性儀相結(jié)合開展的卸載煤體細(xì)觀損傷與滲透性演化耦合實(shí)驗(yàn)解釋了這一現(xiàn)象。卸荷過程中煤體裂隙損傷演變的CT圖像,如圖6所示。當(dāng)圍壓卸至4MPa時(shí),試件內(nèi)部出現(xiàn)大的損傷區(qū)域,并出現(xiàn)了明顯的環(huán)狀損傷裂紋,且環(huán)狀損傷裂紋不斷向周圍擴(kuò)展和貫通,最終導(dǎo)致試件破裂。2.2煤體卸荷損傷增透理論模型根據(jù)卸荷滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果和滲透率演化趨勢(shì),結(jié)合現(xiàn)有滲透率研究成果,將煤體卸荷損傷與滲透性演化關(guān)系總結(jié)為煤體卸荷滲透率演化概念模型,如圖7所示。煤體卸荷滲透率演化概念模型將煤體卸荷過程中滲透率的突增現(xiàn)象抽象為圖7中曲線3。該曲線描述為:初期滲透率隨有效應(yīng)力的降低而緩慢增加,這一階段煤體裂隙部分恢復(fù),滲透率始終小于同等條件下的彈性模型;當(dāng)有效應(yīng)力繼續(xù)下降至某一水平后,煤體發(fā)生卸荷損傷形成新的裂隙,而新生裂隙分布具有自相似性對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)均等,導(dǎo)致滲透率快速增加,甚至超過原始滲透率。在此基礎(chǔ)上,論文建立了煤體卸荷損傷增透理論模型。該模型建立在傳統(tǒng)孔隙率-滲透率模型基礎(chǔ)上,其基本假設(shè)如下:(1)煤體是連續(xù)的各向同性的彈塑性介質(zhì)。雖然煤體由煤基質(zhì)和裂隙構(gòu)成,但可以抽象成雙連續(xù)各向同性彈塑性介質(zhì)。(2)卸荷過程中,煤體的滲透率與體應(yīng)變的變化具有較好一致性。依據(jù)煤的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線,本模型描述煤體從非線性變形后的過程(圖8中B點(diǎn)后段),B點(diǎn)對(duì)應(yīng)體積應(yīng)變曲線上由減小到增大的G點(diǎn)。試樣的體積應(yīng)變?nèi)繗w咎于裂隙開度的增加和新生裂隙的生成而引起的孔隙率增加,如圖9所示。(3)煤基質(zhì)的變形僅有部分對(duì)煤體的裂隙產(chǎn)生影響,并假定此影響在卸荷過程中保持不變。(4)不考慮煤基質(zhì)內(nèi)孔隙對(duì)滲透率的影響,瓦斯的解吸、擴(kuò)散、滲透過程中煤層溫度保持不變。本文3.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),卸荷損傷將導(dǎo)致煤體裂隙的擴(kuò)展和新裂隙的產(chǎn)生,孔隙率顯著增加,Kozeny-Carman公式(式(2))中的平方項(xiàng)不能再忽略。孔隙率的變化由體應(yīng)變和吸附/解吸應(yīng)變構(gòu)成求解式(15),并以圖8中G點(diǎn)為初始條件得將式(16)代入式(2)得到煤體卸荷損傷增透理論模型式中,φ,ε分別為孔隙率和應(yīng)變;下標(biāo)中G表示初始點(diǎn),m表示煤基質(zhì),V表示體積;fm為煤基質(zhì)解吸收縮對(duì)裂隙應(yīng)變的影響因子,0~1。本模型描述了采動(dòng)煤體卸荷損傷引起的滲透率變化特性,搭建了煤體卸荷與增透的橋梁,為深部煤儲(chǔ)層改造和瓦斯抽采提供了理論基礎(chǔ),可采用現(xiàn)有巖石力學(xué)計(jì)算軟件獲得的采場(chǎng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)得到卸荷后煤巖的滲透率演化規(guī)律。2.3研究對(duì)象及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證甘肅窯街海石灣煤礦煤一層厚度為4.57m,煤層傾角平均12°,煤一層煤層瓦斯含量為2.18m3/t,煤層無突出危險(xiǎn),直接頂板巖性多為泥灰?guī)r,底板多為薄層油頁巖,局部為炭質(zhì)泥巖,工作面開采高度為3m。煤二層厚度為平均45m,實(shí)測(cè)原始瓦斯壓力7.3MPa,為二氧化碳與瓦斯突出煤層。直接頂多為粉砂巖、細(xì)砂巖,老頂為煤一層及其頂板泥灰?guī)r,底板為含礫粉砂巖或粉砂巖、細(xì)砂巖。下被保護(hù)層煤二層位于保護(hù)層煤一層下方50m處。本文以海石灣煤礦地層條件為原形,采用FLAC3D軟件建立模型選取均布孔隙壓力作用方式建立模型,開展了開采煤一層后不同的初始孔隙壓力下煤二層的底板破壞、移動(dòng)變形、應(yīng)力等變化規(guī)律研究。保護(hù)層煤一層工作面回采200m時(shí),不同孔隙壓力作用下下保護(hù)層煤二層的相對(duì)變形量,如圖10所示。將計(jì)算得到的采場(chǎng)圍壓應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)代入煤體卸荷損傷增透理論模型,得到了煤二層滲透率的變化規(guī)律,如圖11所示,滲透率僅增加約500倍。根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合瓦斯抽采工程實(shí)踐,確定煤二層瓦斯鉆孔的間距為5~10m。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),當(dāng)保護(hù)層煤一層采高為3.0m時(shí),距其50m處的下被保護(hù)層最大膨脹變形量為0.5%,透氣性系數(shù)由0.0976m2/(MPa2·d)增至85.76m2/(MPa2·d),增大878倍(圖12),平均抽采瓦斯?jié)舛?2.84%,平均瓦斯抽采量為6.99萬m3/d,實(shí)測(cè)最大單孔流量為2.0m3/min。經(jīng)過19個(gè)月的抽采,煤二層共抽出瓦斯4050萬m3(CO2為3000萬m3,CH4為1050萬m3),瓦斯抽采率達(dá)到了77.3%,消除了二氧化碳與瓦斯突出危險(xiǎn)性。3煤體卸荷損傷增透理論模型的建立(1)利用滲透率理論模型對(duì)深部煤層滲透率變化的分析認(rèn)為,深部煤層地應(yīng)力主導(dǎo)有效應(yīng)力的變化,直接或間接的控制著