三軸應(yīng)力作用下煤體滲流規(guī)律實(shí)驗(yàn)

摘 要

摘要：為了弄清三軸應(yīng)力作用下煤體的滲流規(guī)律，運(yùn)用CGMS煤層瓦斯氣液相對(duì)滲透率測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)三軸滲透儀及恒溫系統(tǒng)，以山西省沁水煤田陽(yáng)泉固莊煤礦的煤樣為例，進(jìn)行了如下內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)研
摘要：為了弄清三軸應(yīng)力作用下煤體的滲流規(guī)律，運(yùn)用CGMS煤層瓦斯氣液相對(duì)滲透率測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)三軸滲透儀及恒溫系統(tǒng)，以山西省沁水煤田陽(yáng)泉固莊煤礦的煤樣為例，進(jìn)行了如下內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)研究：①煤樣在相同孔隙壓力不同體積應(yīng)力下煤樣的滲透率變化；②相同軸壓和圍壓下不同溫度下煤樣的滲透率變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)孔隙壓力不變時(shí)，煤體滲透率隨體積應(yīng)力增加呈負(fù)指數(shù)規(guī)律變??；當(dāng)體積應(yīng)力不變時(shí)，煤體滲透率隨著溫度的增加而增加。
關(guān)鍵詞：煤體；滲流規(guī)律；三軸；體積應(yīng)力；溫度；滲透率；瓦斯突出；孔隙壓力；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)
    煤的滲透性研究對(duì)于研究瓦斯在煤層中的運(yùn)移非常重要[1～8]，煤礦開(kāi)采中的各種瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象如煤與瓦斯突出、煤層氣開(kāi)采過(guò)程、瓦斯抽放等均與煤層的滲透性有關(guān)。我國(guó)煤層的滲透率一般為0.1～10mD，僅個(gè)別礦井測(cè)試數(shù)據(jù)達(dá)數(shù)十毫達(dá)西。與常規(guī)天然氣在巖層孔隙內(nèi)呈游離態(tài)的賦存狀態(tài)不同，煤層瓦斯在煤層裂縫系統(tǒng)中是游離狀態(tài)，在孔隙和裂隙表面則以吸附狀態(tài)存在且90%以上都被吸附在煤基質(zhì)塊中。當(dāng)煤層溫度升高時(shí)，部分吸附瓦斯要解吸出來(lái)，變?yōu)橛坞x瓦斯，而溫度降低時(shí)，部分游離瓦斯變?yōu)槲酵咚梗簩油咚沟倪@種吸附解吸特性對(duì)煤層滲透性能有重要影響。另外，在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，因采動(dòng)影響，煤層應(yīng)力重新分布，形成應(yīng)力降低區(qū)、集中區(qū)和原始區(qū)，應(yīng)力的降低和集中使部分煤體伸張和壓縮變形，煤的滲透性發(fā)生變化，從而影響瓦斯的流動(dòng)。因此，筆者實(shí)驗(yàn)研究了應(yīng)力和溫度影響下煤體的滲流規(guī)律，以期為煤礦瓦斯突出機(jī)理、瓦斯抽放的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的理論參考。
1 煤樣的制取及實(shí)驗(yàn)方案步驟
1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
   實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為CGMS煤層瓦斯氣液相對(duì)滲透率測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)三軸滲透儀及恒溫系統(tǒng)。CGMS煤層瓦斯氣液相對(duì)滲透率測(cè)試系統(tǒng)主要包括6個(gè)子系統(tǒng)：物理模擬系統(tǒng)、流程管匯系統(tǒng)、環(huán)壓系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集控制系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。相應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)物圖、示意圖及結(jié)構(gòu)圖如圖1～3所示。
 

1.2 煤樣的制取
    實(shí)驗(yàn)煤樣取自陽(yáng)泉固莊煤礦，其煤層位于山西沁水煤田。在井下人工采集未受擾動(dòng)的典型地質(zhì)單元的煤體，運(yùn)到地面后進(jìn)行蠟封、裝箱，在煤炭科學(xué)研究總院加工成Φ50×100mm的試件(圖4)。
 

1.3 買驗(yàn)方案及步驟
1.3.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
    ① 利用準(zhǔn)三軸實(shí)驗(yàn)研究煤樣在相同孔隙壓力不同體積應(yīng)力下煤樣的滲透率變化；②研究相同軸壓和圍壓下不同溫度下煤樣的滲透率變化。
    考慮到甲烷的危險(xiǎn)性，加之CO2在煤樣中也具有吸附特性，比甲烷的吸附能力略強(qiáng)，表現(xiàn)出的吸附特性與甲烷相似。因此本實(shí)驗(yàn)氣體采用CO2代替。
1.3.2實(shí)驗(yàn)步驟
    ① 將煤樣加工成Φ50×100mm規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)煤試樣；②將制好的煤樣置于真空干燥箱內(nèi)，加熱到50℃時(shí)恒溫24h，再冷卻至室溫后取出密封備用；③將煤樣放入三軸滲透儀內(nèi)，連接好管路；④先對(duì)煤樣施加軸壓至設(shè)定值，然后施加圍壓和孔隙壓力，要保證孔隙壓力小于圍壓，防止試件內(nèi)的氣體由于較大孔隙壓力而溢出；⑤當(dāng)氣體排出速度穩(wěn)定后，分別測(cè)定進(jìn)口壓力，瓦斯?jié)B流量等，計(jì)算煤樣滲透率；⑥施加下一級(jí)軸壓和圍壓并測(cè)定滲透率；⑦在上述實(shí)驗(yàn)步驟完畢后，重復(fù)步驟①～③，同時(shí)打開(kāi)恒溫系統(tǒng)；⑧測(cè)定不同溫度下煤樣的滲透率。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 計(jì)算公式
對(duì)于瓦斯在煤體里的流動(dòng)，一般研究認(rèn)為其服從達(dá)西定律，即
 
    根據(jù)式(1)可得煤體的滲透率計(jì)算公式，即
 
式中：K為滲透率，mD；p0為測(cè)量點(diǎn)的大氣壓力，MPa；Q0為滲流量，cm3/s；μ為氣體黏性系數(shù)，mPa·s；L為試樣長(zhǎng)度，cm；p1為進(jìn)口的氣體壓力，MPa；p2為出口的氣體壓力，MPa；A為試樣橫截面積，cm2。在滲透率計(jì)算中參數(shù)取值如下：L=10cm；A=19.635cm2；p0=p2=0.1MPa。
2.2 體積應(yīng)力與煤體滲透率的關(guān)系
    體積應(yīng)力是軸壓加上2個(gè)側(cè)壓之和[9]。圖5為不同煤樣、不同氣體進(jìn)口壓力(p1)煤體滲透率與體積應(yīng)力的變化關(guān)系圖，從中可以看出煤體滲透率隨體積應(yīng)力的增加呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減。這是因?yàn)槊后w作為巖石的一種，煤中氣體的滲流主要受孔隙和各種裂隙控制，基質(zhì)中的孔隙主要是儲(chǔ)氣空間，其滲透率很低，氣體在其中主要通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)移到割理、裂隙中。煤體在體積應(yīng)力的作用下，裂隙有閉合的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致孔隙減小，氣體擴(kuò)散速度減慢，滲透率也隨之降低。
2.3 溫度與煤體滲透率的關(guān)系
    圖6為同一體積應(yīng)力和氣體進(jìn)口壓力時(shí)煤體滲透率與溫度的變化關(guān)系。從圖6可看出，隨著溫度的升高，煤體氣體的滲透率升高。這是因?yàn)闇囟壬撸瑲怏w分子活性和內(nèi)能增大，部分吸附氣體解吸，煤中吸附氣體量尤其是對(duì)吸附膨脹變形起主要作用的吸附氣體量減小，引起吸附膨脹變形減小，滲流通道增大，氣體分子的擴(kuò)散加速，從而使煤體氣體的滲透率隨之升高。

3 結(jié)論
    1) 實(shí)驗(yàn)研究了體積應(yīng)力變化情況下煤體的滲流規(guī)律。結(jié)果表明，煤體滲透率隨體積應(yīng)力的增加呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減。
   2) 實(shí)驗(yàn)研究了溫度變化情況下煤體的滲流規(guī)律。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，煤體瓦斯的滲透率升高。
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(本文作者：李祥春1，2，3 聶百勝1，2 劉芳彬4 周春山5 1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校；4.煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 5.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)