受載含瓦斯型煤滲透特性實(shí)驗(yàn)研究

受載含瓦斯型煤滲透特性實(shí)驗(yàn)研究

瓦爾登湖是一個(gè)描述磚瓦在煤層中流動(dòng)的難度的指標(biāo)，也是衡量煤層通風(fēng)性的重要物理因素。這不僅關(guān)系到該層瓦爾登湖的有效性，也關(guān)系到煤礦瓦爾登湖的預(yù)防和管理。系統(tǒng)深入開(kāi)展煤層瓦斯?jié)B流特性的研究對(duì)認(rèn)識(shí)煤與瓦斯突出和煤礦瓦斯災(zāi)害防治具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外研究人員,尤其是我國(guó)學(xué)者,對(duì)煤層瓦斯?jié)B透特性展開(kāi)了大量的實(shí)驗(yàn)研究。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中,大多數(shù)學(xué)者都是以型煤為研究對(duì)象,以此來(lái)探討煤層瓦斯?jié)B流特性及其規(guī)律,為煤礦瓦斯災(zāi)害防治提供理論性指導(dǎo)。也有用原煤來(lái)研究煤層瓦斯?jié)B透特性的,馮增朝等通過(guò)大煤樣進(jìn)行了瓦斯排放試驗(yàn),揭示了順序加載和逆序加載下的煤體變形與瓦斯排放量以及排放時(shí)間的相關(guān)性;曹樹(shù)剛等通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)比較系統(tǒng)地研究了型煤與原煤瓦斯?jié)B透特性,分析了瓦斯壓力對(duì)原煤滲透率的影響,建立了滲流速度-圍壓關(guān)系的一般表達(dá)式,對(duì)比研究了兩種不同煤樣滲透特性的差別,結(jié)果表明型煤的滲流速度對(duì)軸向力和軸向變形最敏感,原煤的滲流速度對(duì)橫向變形和體積變形比較敏感,而且在不同的應(yīng)力條件下,煤體中孔隙裂隙發(fā)育程度和開(kāi)閉程度不同,影響煤體內(nèi)的瓦斯內(nèi)能和彈性變形能,也影響煤體的破壞形式;李東印等研究了大尺寸含瓦斯煤樣在重復(fù)加-卸載條件下的滲透性,研究表明加-卸載過(guò)程中的應(yīng)力(應(yīng)變)與滲透系數(shù)曲線路徑存在差異,煤樣的滲透率與裂隙的發(fā)展變化存在密切關(guān)系;高魁等也對(duì)型煤和原煤的滲透性做了對(duì)比試驗(yàn)研究,結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)室用成型煤樣代替原煤樣用于滲透性試驗(yàn)是可行的,但只能研究大致的變化規(guī)律。縱觀前人的研究成果,不難得知,盡管有學(xué)者對(duì)原煤和型煤的滲透率作了一些具體研究,但是研究得還不夠全面、深入。比如破壞形式與煤樣滲流規(guī)律之間的關(guān)系等等。本文采用含瓦斯煤巖三軸壓縮實(shí)驗(yàn)裝置,分別對(duì)型煤和原煤在充瓦斯氣體條件下進(jìn)行了圍壓三軸實(shí)驗(yàn),著重研究這兩種典型含瓦斯煤樣在不同實(shí)驗(yàn)條件下的滲透特性,對(duì)比分析它們之間的差別,找出對(duì)應(yīng)規(guī)律,為實(shí)驗(yàn)室研究含瓦斯煤的滲透性提供理論支撐。1統(tǒng)主要性能參數(shù)本次含瓦斯煤滲透性實(shí)驗(yàn)是利用自主研發(fā)的含瓦斯煤巖三軸壓縮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要性能參數(shù)為:(1)圍壓,0~20MPa,精度±0.1MPa;(2)瓦斯壓力,0~10MPa,精度±0.1MPa;(3)軸向壓力,0~150MPa,精度±0.01MPa;(4)氣體質(zhì)量流量計(jì),0~30L/min,精度0.01L/min。2實(shí)驗(yàn)方法和步驟2.1煤樣的制作分析為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性,本文用來(lái)制作型煤和原煤的煤樣都來(lái)自于焦作趙固二礦。型煤和原煤煤樣的制作采用文獻(xiàn)中所提出的方法,制作好的煤樣如圖2所示。對(duì)比圖2中的兩種煤樣可以看出,型煤煤樣均質(zhì)性好,基本上可以看成各向同性介質(zhì)。由于煤體內(nèi)部縱橫交錯(cuò)的原始裂隙和孔洞的客觀存在,導(dǎo)致了原煤煤樣的非均質(zhì)性,為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差過(guò)大,利用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)選擇質(zhì)地相對(duì)均勻,內(nèi)部不存在大的裂紋的原煤煤樣進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。2.2密封缸工作原理實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖强疾煨兔号c原煤的滲透性特征,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采取了改變圍壓、改變瓦斯壓力和在全應(yīng)力-應(yīng)變條件下等不同實(shí)驗(yàn)條件下的滲流實(shí)驗(yàn)?；镜膶?shí)驗(yàn)步驟如下:(1)取準(zhǔn)備好的煤樣,記錄編號(hào)。將熱縮管、煤樣及加載壓頭一起安裝到瓦斯?jié)B流裝置的密封缸體內(nèi)的圓柱形下壓頭上,保持煤樣軸線始終與下壓頭平面垂直。(2)在煤樣表面上抹一層1mm左右厚度的704硅橡膠,以防止瓦斯氣體及孔隙水從煤樣壁表與熱縮管之間的縫隙流走。用電吹風(fēng)持續(xù)均勻地加熱套在煤樣外的熱縮管,使之緊貼煤樣。熱縮管安裝好之后,在煤樣上下兩端用金屬箍將煤樣固定在上下兩個(gè)壓頭上,并在上、下壓頭上抹上704硅橡膠,以防止漏氣。(3)待硅橡膠凝固后,連接好環(huán)向引伸計(jì),并裝機(jī)。(4)連接好高壓瓦斯罐、真空泵、氣體質(zhì)量流量計(jì)等測(cè)試儀器設(shè)備。檢查系統(tǒng)的氣密性后,利用三通閥接通真空泵,抽真空12h。(5)利用液壓泵站將三軸壓力室內(nèi)部的圍壓加至預(yù)定值,關(guān)閉真空泵,接通高壓瓦斯罐,通入瓦斯氣體,并讓煤樣充分吸附24h。(6)完成上述步驟后,便可開(kāi)始含瓦斯煤的滲流實(shí)驗(yàn)。2.3圍壓與瓦斯壓力的組合為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性,型煤和原煤的實(shí)驗(yàn)圍壓為2~5MPa,瓦斯壓力為0.2~1.2MPa,圍壓與瓦斯壓力的組合見(jiàn)表1。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,同一種實(shí)驗(yàn)條件下的滲流實(shí)驗(yàn)均重復(fù)做3次,取平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。型煤與原煤煤樣的工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表2。3結(jié)果分析3.1煤層煤的滲透率與煤層孔隙度的關(guān)系在恒定瓦斯壓力條件下,兩種含瓦斯煤樣滲透率隨圍壓變化的情況如圖3所示。根據(jù)圖3可知:(1)不論是型煤還是原煤,在恒定瓦斯壓力條件下,煤樣的滲透率均隨圍壓的增加而減小,且呈指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律。圍壓的增加導(dǎo)致煤樣所受的有效應(yīng)力增加,有效應(yīng)力的增加使得煤樣被壓縮的更密實(shí),煤樣孔隙直徑的變小,減小了氣體的有效滲流通道,增大了氣體分子的運(yùn)移阻力,降低了瓦斯氣體的滲流速度,最終導(dǎo)致煤樣滲透率的減小。因此,煤樣滲透率會(huì)隨著圍壓的增加而減小。(2)相同實(shí)驗(yàn)條件下,型煤的滲透率比原煤的滲透率要大,而且要大很多。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,型煤滲透率是原煤滲透率的32~135倍。實(shí)驗(yàn)所用型煤的平均孔隙度為8.63%,原煤的平均孔隙度為4.82%,型煤孔隙度只是原煤孔隙度的1.8倍?？梢?jiàn)型煤的孔隙度比原煤的要大,但是所帶來(lái)的結(jié)果是型煤的滲透率卻比原煤的高出了幾十倍甚至上百倍。這充分表明型煤內(nèi)部孔隙的連通性比原煤內(nèi)部原生裂隙的連通性好很多。盡管原煤中也存在眾多的原生裂隙和孔隙,但是它們之間的連通性并不好,并沒(méi)有給瓦斯氣體提供有效的滲流空間。而型煤是由一定范圍內(nèi)粒徑的煤粒壓制而成,雖然不存在大原生裂隙,但其內(nèi)部的孔隙基本上是連通的。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,型煤能為瓦斯氣體提供更多、更有效的滲流空間,由此便導(dǎo)致了型煤滲透率比原煤滲透率大很多的結(jié)果。根據(jù)上述分析可知,決定瓦斯氣體在煤層中滲透能力大小的最直接因素是煤體內(nèi)原始孔隙、裂隙發(fā)育程度以及它們之間的連通性。因此決定煤層瓦斯?jié)B透率大小的直接因素是煤層的有效孔隙度,而不是煤層的總孔隙度。目前實(shí)驗(yàn)室所測(cè)煤樣孔隙度都是總孔隙度,不是有效孔隙度。煤層有效孔隙度是其總孔隙度的一部分,即便煤層初始孔隙率大,如果其連通性不好,依然無(wú)法帶來(lái)大的滲透率,即孔隙度大的煤層未必就一定比孔隙度小的煤層滲透率大。因此在突出礦井的煤層瓦斯抽放過(guò)程中,常常采用水力壓裂、水力沖孔等措施來(lái)增大煤層的有效孔隙度,借此來(lái)增加煤層的透氣性,以達(dá)到提升煤層瓦斯抽放效果。在油氣藏領(lǐng)域,一般也采用有效孔隙度,以更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)油氣藏的可采儲(chǔ)量。所以,在研究煤層瓦斯?jié)B透特性的時(shí)候,應(yīng)該采用有效孔隙度來(lái)描述和研究瓦斯氣體通過(guò)煤層的能力。(3)型煤滲透率隨圍壓下降的速度比原煤快。因?yàn)樾兔核绍?煤粉的顆粒之間存在大量的孔隙,可壓縮空間比較大。而原煤質(zhì)地堅(jiān)硬,強(qiáng)度大,雖然其內(nèi)部也存在眾多的原生裂隙,但不易壓縮,原煤隨圍壓的增加所產(chǎn)生的變形比型煤小。因此,原煤滲透率隨圍壓的變化趨勢(shì)比型煤緩慢。在這一點(diǎn)上,與高魁等的相關(guān)研究結(jié)論是一致的。3.2瓦斯壓力對(duì)煤的滲透率的影響在恒定圍壓條件下,兩種含瓦斯煤樣滲透率隨瓦斯壓力變化的情況如圖4所示。由圖4可以看出:在保持圍壓不變的條件下,無(wú)論型煤還是原煤,煤樣的滲透率隨瓦斯壓力的增加均呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢(shì)。諸多學(xué)者認(rèn)為是Klinkenberg效應(yīng)導(dǎo)致這種結(jié)果,即瓦斯壓力的升高,煤樣吸附氣體量增多,Klinkenberg效應(yīng)(氣體分子在固體壁面上滑流現(xiàn)象)逐漸增強(qiáng),使氣體在煤樣中的有效滲透能力受到影響,從而導(dǎo)致了滲透率的降低。當(dāng)瓦斯壓力超過(guò)一定值時(shí),Klinkenberg效應(yīng)在控制滲透率大小上失去了主導(dǎo)地位,取而代之的是瓦斯壓力,所以煤樣的滲透率在超過(guò)一定的瓦斯壓力臨界值之后便開(kāi)始增加。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,型煤和原煤均在瓦斯壓力p<1MPa范圍內(nèi)存在有Klinkenberg效應(yīng)。不同的煤樣,煤樣滲透率回升的臨界瓦斯壓力值也不盡一樣,曹樹(shù)剛等的研究結(jié)果為1.2~1.25MPa,高魁等的研究結(jié)果為0.5MPa,周世寧等和李祥春等的研究結(jié)果是1MPa,李培超等的研究結(jié)果是0.4MPa,張廣洋等的研究結(jié)果是3MPa。可見(jiàn)本文的研究結(jié)果與周世寧和李祥春等的研究結(jié)果相符。3.3全應(yīng)力-應(yīng)變條件下的滲流介質(zhì)型煤與原煤的全應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)采用位移控制加載方式,加載速率為0.2mm/min。全應(yīng)力-應(yīng)變條件下,型煤與原煤的滲透率變化的對(duì)比如圖5~7所示。不論何種滲流介質(zhì),滲透率的大小與巖石類材料在變形過(guò)程中的損傷演化密切相關(guān)。參考巖石類材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,根據(jù)圖5~7,可以將煤樣滲透率的變化劃分為以下4個(gè)特征階段。(1)煤體滲透率的下降煤樣中原有張開(kāi)的裂隙和孔隙在力的作用下逐漸閉合,煤樣被壓密,有效孔隙度減小,瓦斯氣體的滲流空間變小,最終使得型煤和原煤煤樣的滲透率均產(chǎn)生一定程度的下降。(2)煤與煤樣滲透率的變化在彈性變形階段,煤樣發(fā)生彈性變形,煤樣體積的繼續(xù)收縮致使有效孔隙度繼續(xù)變小,型煤與原煤煤樣的滲透率持續(xù)變小,分別降至各自的最小值。也有學(xué)者認(rèn)為型煤不存在彈性變形階段,只有線性變形階段,滲透率的減小是由于煤粉顆粒之間的原始裂隙被充填。這種說(shuō)法也有一定的道理,因?yàn)樗苄宰冃问切兔鹤冃蔚闹饕糠?并控制著型煤的力學(xué)性質(zhì)。(3)型煤的破壞機(jī)理兩種煤樣的滲透率都開(kāi)始由原來(lái)的持續(xù)減小轉(zhuǎn)為逐漸增加。對(duì)型煤而言,隨著應(yīng)力的增加,煤樣內(nèi)部產(chǎn)生的微破裂不斷積累,煤巖內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)剪切運(yùn)動(dòng),當(dāng)應(yīng)力達(dá)到煤樣的強(qiáng)度峰值時(shí),形成剪切滑移宏觀裂紋(圖8)。對(duì)于原煤,在此階段內(nèi),煤樣內(nèi)部裂隙孔隙的形變由原來(lái)的彈性變形轉(zhuǎn)為微裂紋的不斷擴(kuò)展和連通,從而形成不可逆的塑性變形,并隨著峰值強(qiáng)度的到來(lái)在煤樣內(nèi)部形成宏觀的剪張或剪切裂紋,導(dǎo)致煤樣的最終破壞(圖9)。因此可知外載荷達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí),型煤是一種剪切滑移破壞形式,而原煤的破壞方式可以是剪切滑移破壞,也可以是脆性剪張破壞。型煤中形成的剪切滑移破壞面是個(gè)閉合面,無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)為瓦斯氣體滲流提供大空間,因此型煤破壞后,滲透率的增加一直保持著一種連續(xù)增加,沒(méi)有突增現(xiàn)象(圖5(a),6(a),7(a))。而如果在原煤中形成的是剪切滑移破壞面,且破壞面不存在張開(kāi)度,那么煤樣的滲透率變化規(guī)律(圖6(b))將會(huì)類似于型煤滲透率的變化規(guī)律。如果原煤內(nèi)部形成了剪張破壞,則從屈服段煤樣內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)剪張裂隙,而且裂隙的張開(kāi)度與連通性隨變形的擴(kuò)展而提高,短時(shí)間內(nèi)為瓦斯氣體提供了更多的滲流空間,所以相應(yīng)地帶來(lái)了原煤滲透率的急劇增加(圖5(b),7(b))。(4)煤體滲透率的變化規(guī)律在此階段中,應(yīng)力開(kāi)始跌落,兩種煤樣的強(qiáng)度開(kāi)始降低。對(duì)型煤而言,煤樣內(nèi)部的微裂紋繼續(xù)發(fā)展,并導(dǎo)致滲透率穩(wěn)定攀升,但是滲透率增加比較緩慢,最終趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)原煤而言,如果是剪切滑移破壞方式,則煤樣內(nèi)部的微裂紋的持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致了煤樣滲透率在應(yīng)變軟化階段的緩慢增加,最后趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),這與型煤滲透率的變化規(guī)律類似。如果原煤是脆性剪張破壞形式,在應(yīng)變軟化階段,受?chē)鷫旱拿軐?shí)作用,煤樣的滲透率表現(xiàn)出一定程度的下降,但由于煤樣內(nèi)部的宏觀裂紋已經(jīng)出現(xiàn),因此煤樣仍然能保持良好的滲透性。4瓦斯?jié)B流規(guī)律與煤的滲透率關(guān)系(1)控制煤體滲透率大小的直接原因是有效孔隙度而非總孔隙度,有效孔隙度大,則滲透率大。在煤層瓦斯?jié)B透性研究中,應(yīng)該采用有效孔隙度來(lái)定量描述瓦斯氣體通過(guò)煤層的能力。(2)在恒定瓦斯壓力條件下,型煤與原煤的滲透率隨圍壓的增大而減小,均服從負(fù)指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律;相同實(shí)驗(yàn)條件下,型煤滲透率要遠(yuǎn)大于原煤滲透率,且型煤滲透率隨圍壓下降的速度比原煤的快。(3)在恒定圍壓條件下,型煤與原煤的滲透率呈現(xiàn)出現(xiàn)