低階煤煤體變形特征及滲流規(guī)律實驗研究

吳信波， 李貴紅， 劉鈺輝， 朱文俠

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 西安 710054)

低煤階煤是煤化作用早期階段形成的產(chǎn)物，通常指煤巖鏡質(zhì)組反射率小于0.65%的煤，主要包括褐煤和長焰煤。中國低煤階煤層氣分布面積廣，資源豐富，約占全國總量的40%[1-4]，煤層滲透率是表征煤層氣在煤層中流動難易程度的重要參數(shù)，直接影響著煤層氣的開發(fā)效果[5]。因此，研究低階煤煤體變形特征及滲透率變化規(guī)律對煤層氣地面開發(fā)及礦井瓦斯防治具有重要的意義。

目前，已有學(xué)者開展了煤體變形和滲透率與孔隙壓力之間的相關(guān)實驗研究。林柏泉等[6]研究了含瓦斯瘦煤煤樣在圍壓力不變的前提下，煤樣變形和滲透率與孔隙壓力的關(guān)系；胡耀青等[7]開展了三維應(yīng)力作用下無煙煤煤體瓦斯?jié)B透實驗，研究了煤的瓦斯?jié)B透系數(shù)與孔隙壓力的關(guān)系；吳世躍等[8]研究了不同軸壓和圍壓條件下無煙煤煤體軸向應(yīng)變與孔隙壓力的關(guān)系；唐巨鵬等[9]在保持軸壓和圍壓不變情況下，開展了長焰煤煤樣孔壓逐級增加和降低過程中，滲透率與孔壓的關(guān)系實驗；尹光志等[10-11]在固定軸壓和圍壓情況下，開展了無煙煤型煤樣變瓦斯壓力瓦斯?jié)B透試驗，研究了瓦斯?jié)B透速度和煤樣滲透率與瓦斯壓力之間的關(guān)系；朱卓慧等[12]通過保持軸壓和圍壓恒定，研究了無煙煤型煤樣滲透率與瓦斯壓力的關(guān)系；杜新鋒[13]通過開展不同煤體結(jié)構(gòu)煤三軸應(yīng)力條件下滲透率實驗，研究了在軸壓和圍壓一定時，煤儲層滲透率與孔隙壓力的關(guān)系；梁冰等[14]開展了不同圍壓和孔隙壓力條件下的無煙煤型煤樣解吸-滲流試驗，研究了徑向應(yīng)變和滲透率與孔隙壓力的關(guān)系。

通過對實驗研究的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前開展的實驗大多集中于中、高煤階煤滲透率和單向應(yīng)變規(guī)律研究，現(xiàn)在前人研究的基礎(chǔ)上，利用煤巖體應(yīng)力-滲流-溫度多過程耦合試驗系統(tǒng)分別開展低階煤樣品在有效應(yīng)力(變圍壓)、基質(zhì)收縮(變圍壓、孔壓)和二者綜合(變孔壓)作用下煤體變形及滲透率變化實驗，闡述煤體變形和滲透率變化特征，以期對焦坪礦區(qū)低階煤地面煤層氣開發(fā)和瓦斯防治工作提供指導(dǎo)。

1 實驗裝置與方案

1.1 實驗煤樣

為了研究低階煤煤體變形特征和滲透率變化規(guī)律，實驗選取焦坪礦區(qū)下石節(jié)煤礦3#煤原煤樣，煤階為長焰煤。通過機械加工成特定尺寸(Φ50 mm×100 mm)的煤樣，對煤樣粘貼應(yīng)變片，連接導(dǎo)線，封裝，如圖1所示。

圖1 加工和封裝完畢煤樣Fig.1 Processed and packaged coal samples

1.2 實驗裝置

實驗設(shè)備為煤巖體應(yīng)力-滲流-溫度多過程耦合試驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)由巖芯滲流夾持器、高精度柱塞泵、注氣/液裝置、水浴池與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖2所示。采用微機電液伺服閉環(huán)控制，可任意設(shè)定應(yīng)力加載速率、溫度、注氣/注液速率。實驗數(shù)據(jù)由計算機自動采集，數(shù)據(jù)曲線實時顯示。該實驗裝置可保持出氣端壓力的恒定。

圖2 煤巖體應(yīng)力-滲流-溫度多過程耦合試驗系統(tǒng)Fig.2 The multi-process coupling test system of stress-seepage-temperature of coal and rock mass

1.3 實驗步驟

(1)檢查裝置氣密性，安裝試樣。啟動軟件，調(diào)試軟件，清零，記錄變形量。

(2)調(diào)節(jié)三軸應(yīng)力加載泵，先將圍壓調(diào)節(jié)至5.0 MPa，軸壓調(diào)節(jié)至12.5 MPa，然后再將圍壓調(diào)節(jié)至12.5 MPa，實驗過程中保持軸壓和圍壓一致。

(3)調(diào)整孔壓加載泵：將孔隙壓力調(diào)至3.6 MPa，關(guān)閉夾持器后端閥門，試樣飽和吸附72 h。

(4)將圍壓逐次增加至16.0 MPa，每次增加0.5 MPa并平衡2 h后，測量相應(yīng)的徑向、軸向應(yīng)變和氣體流量。

(5)將圍壓逐次降低至12.5 MPa后，將孔壓和圍壓分別從3.6 MPa和12.5 MPa逐次降低至0.6 MPa和9.5 MPa，每次降低0.5 MPa并平衡2 h后，測量相應(yīng)的徑向、軸向應(yīng)變和氣體流量。

(6)將圍壓和孔壓分別調(diào)至12.5 MPa和3.6 MPa，試樣飽和吸附72 h后，保持圍壓恒定12.5 MPa，打開后端閥門，采用ISCO泵保持相應(yīng)孔隙壓力，將孔壓分別從3.6 MPa逐次降低至0.6 MPa，每次降低0.5 MPa并平衡2 h后，測量相應(yīng)的徑向、軸向應(yīng)變和氣體流量。

實驗采用CH4氣體，圍壓和孔隙壓力的取值考慮了原始煤層所處的應(yīng)力狀態(tài)，便于研究實際生產(chǎn)過程中的煤體變形特征和滲透率變化規(guī)律。

2 實驗結(jié)果與分析

圍壓或孔壓變化時，煤體徑向變形和軸向變形都會發(fā)生，體積應(yīng)變(徑向應(yīng)變的2倍與軸向應(yīng)變之和)可以綜合反映二者效果，因此將體積應(yīng)變作為煤體變形的分析指標(biāo)，本文中規(guī)定壓縮為負(fù)應(yīng)變。實驗過程中煤體的滲流過程認(rèn)為符合達(dá)西定律，其滲透率計算公式為

(1)

式(1)中：K為煤體的滲透率，m2；Q0為通過煤體的穩(wěn)定流量，m3/s；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，取0.103 MPa；μ為甲烷的動力黏度，11.067 μPa·s；L為煤樣的長度，m；A為流體通過的截面積，m2；p1為煤體入口絕對壓力，Pa；p2為煤體出口絕對壓力，Pa。

2.1 有效應(yīng)力效應(yīng)

對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選取步驟(4)過程中穩(wěn)定時圍壓測點所對應(yīng)的徑向、軸向應(yīng)變和氣體流量，計算相應(yīng)的體積應(yīng)變和滲透率，作出關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 滲透率比、體積應(yīng)變與有效應(yīng)力關(guān)系Fig.3 The relationship of permeability ratio, volume strain and effective stress

根據(jù)Seidle等研究[15]，滲透率比與有效應(yīng)力關(guān)系可表示為

(2)

式(2)中：k/k0為滲透率比；cf為裂縫壓縮系數(shù)，MPa-1；σ為有效應(yīng)力；σ0為初始有效應(yīng)力，MPa。根據(jù)式(2)計算可得，煤樣B-1和B-2的裂縫壓縮系數(shù)分別為0.032 9 MPa-1和0.077 1 MPa-1；根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]可知，沁水盆地高煤階煤裂隙壓縮系數(shù)為0.062～0.079 4 MPa-1，低煤階煤裂隙壓縮系數(shù)略低于高煤階煤。

分析圖3可得，隨著有效應(yīng)力增加，滲透率逐漸減低，體積應(yīng)變?yōu)樨?fù)，表明煤體逐漸收縮；滲透率比與體積應(yīng)變正相關(guān)，體積應(yīng)變越小，滲透率比越小，表明滲透率下降幅度越大。對比可以發(fā)現(xiàn)煤樣B-2變形量大于煤樣B-1，說明煤樣B-2的變形特性對有效應(yīng)力變化更加敏感。

2.2 基質(zhì)收縮效應(yīng)

對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選取步驟(5)過程中穩(wěn)定時孔隙壓力測點所對應(yīng)的徑向、軸向應(yīng)變量和氣體流量，計算相應(yīng)的體積應(yīng)變和滲透率，作出關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 基質(zhì)收縮過程中滲透率比、體積應(yīng)變與孔壓關(guān)系Fig.4 Curve of permeability ratio, volume strain and pore pressure during matrix shrinkage

根據(jù)Levine等[18]研究，基質(zhì)收縮過程中，體積應(yīng)變與孔壓關(guān)系符合朗格繆爾曲線形式，即

(3)

式(3)中：p為孔壓，MPa；εv為孔壓p對應(yīng)的體積應(yīng)變；εmax為孔壓無限大情況下對應(yīng)的體積應(yīng)變，即朗繆爾應(yīng)變；pL為體積應(yīng)變?yōu)棣舖ax一半時對應(yīng)的孔壓，即朗繆爾壓力，MPa。根據(jù)式(3)計算可得，煤樣B-1和B-2對應(yīng)的εmax為0.003 687和0.009 346，pL為2.188 MPa和3.812 MPa；根據(jù)文獻(xiàn)[17]可知沁水盆地朗繆爾應(yīng)變εmax為0.016 5，朗繆爾壓力pL為4.200 MPa。低煤階煤朗繆爾應(yīng)變和朗繆爾壓力均低于高煤階煤。

分析圖4可得，隨著孔壓的下降，滲透率逐漸增加，體積應(yīng)變?yōu)樨?fù)，表明煤體逐漸收縮；滲透率比與體積應(yīng)變負(fù)相關(guān)。對比可以發(fā)現(xiàn)煤樣B-2變形量大于煤樣B-1，說明煤樣B-2的變形特性對孔壓變化更加敏感。

2.3 有效應(yīng)力、基質(zhì)收縮的綜合效應(yīng)

對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選取步驟(6)過程中穩(wěn)定時孔隙壓力測點所對應(yīng)的徑向、軸向應(yīng)變和氣體流量，計算相應(yīng)的體積應(yīng)變和滲透率，對應(yīng)關(guān)系曲線如圖5所示。

分析圖5可得，隨著孔壓的下降，滲透率先下降后增加，體積應(yīng)變?yōu)樨?fù)，表明煤體逐漸收縮。對比可以發(fā)現(xiàn)煤樣B-2變形量大于煤樣B-1，說明煤樣B-2的變形特性對有效應(yīng)力變化更加敏感。

2.4 滲透率變化與理論模型對比分析

目前，中外建立的等外力條件下的滲透率動態(tài)變化模型主要是基于應(yīng)變變化和應(yīng)力變化[19-22]，其中基于應(yīng)變變化的代表模型有R-C模型和Guo模型，基于應(yīng)力變化的代表模型有C-B模型和Lu模型，選取煤體參數(shù)如表1所示，本次實驗數(shù)據(jù)與典型模型的對比如圖6所示。

圖6 實驗數(shù)據(jù)與典型模型對比Fig.6 Comparison between experimental data and typical models

由圖6可以看出，Lu模型預(yù)測數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合度更高，而C-B模型預(yù)測數(shù)據(jù)高于實驗數(shù)據(jù)，分析模型可得，這種偏高的行為可能是由于C-B模型未考慮煤基質(zhì)變形對孔裂隙的影響以及低煤階具有較高的孔隙度和裂隙壓縮系數(shù)引起的。

2.5 煤樣變形及滲透性變化原因分析

上述實驗結(jié)果表明，煤樣圍壓、孔壓變化與煤體變形特征和滲透率變化規(guī)律具有一定的內(nèi)在聯(lián)系。在滲流過程中，圍壓、孔壓的變化會引起煤體產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響到煤樣滲透率的變化。在煤體不破壞的情況下，這種變形宏觀上表現(xiàn)為體積應(yīng)變，微觀上表現(xiàn)為裂隙大小和基質(zhì)體積的變化，宏觀上的應(yīng)變是微觀變形綜合作用的結(jié)果。

實驗過程中當(dāng)孔壓恒定，圍壓逐漸增大過程中，有效應(yīng)力增加，煤體骨架被逐漸壓縮，裂隙體積減小，造成煤體體積負(fù)應(yīng)變增加及滲透率減??；當(dāng)圍壓與孔壓同步減小過程中，煤基質(zhì)逐漸收縮，裂隙體積增大，造成煤體體積負(fù)應(yīng)變和滲透率增加；當(dāng)圍壓恒定，孔壓逐漸減小過程中，有效應(yīng)力增加，裂隙縮小，煤體體積負(fù)應(yīng)變增加，滲透率減小，另一方面解吸作用使煤基質(zhì)收縮，裂隙增大，煤體體積負(fù)應(yīng)變增加，滲透率增大。體積應(yīng)變指標(biāo)更能明顯的顯示這種變形效果，同時存在一個孔隙壓力值使得滲透率值最小，隨著孔隙壓力降低，煤體滲透率會出現(xiàn)先降低后增加的趨勢。

3 結(jié)論

(1)以焦坪礦區(qū)低階煤為研究對象，研究了有效應(yīng)力、基質(zhì)收縮以及二者綜合作用過程中，飽和吸附狀態(tài)的煤煤體變形特征和滲透率變化規(guī)律；測量了焦坪礦區(qū)煤儲層的裂隙壓縮系數(shù)、朗繆爾應(yīng)變和朗繆爾壓力等參數(shù)。

(2)在有效應(yīng)力逐漸增加的過程中，煤體體積負(fù)應(yīng)變逐漸增大，煤體收縮，滲透率逐漸減??；滲透率比與體積應(yīng)變正相關(guān)，體積應(yīng)變越小，滲透率比越小，表明滲透率下降幅度越大?；|(zhì)收縮過程中，隨著孔壓的逐漸下降，煤體體積負(fù)應(yīng)變逐漸增大，煤體收縮，滲透率逐漸增加；滲透率比與體積應(yīng)變負(fù)相關(guān)。

(3)有效應(yīng)力和基質(zhì)收縮二者綜合作用條件下，隨著孔壓的逐漸下降，煤體體積負(fù)應(yīng)變逐漸增大，煤體收縮，滲透率先減小后增加，通過與典型滲透率動態(tài)變化模型比較，Lu模型與實驗數(shù)據(jù)吻合度更高，可以有效指導(dǎo)地面煤層氣開發(fā)和煤礦瓦斯防治。