煤层顶板渗透性对气化适应性研究

赵亚军　杨坤　王建华

摘 要：煤炭地下气化要求煤层顶板具有一定的隔水隔气效果，以避免气化炉在运行过程中发生的淹水或漏气事故。为了某矿煤层K2石灰岩顶板的渗透性，对该岩层的岩石试件做伺服渗透研究试验，得到岩石的渗透率—应变关系与应力—应变关系，解析全应力—应变过程中岩石渗透性随变形的变化特征。结果表明，K2石灰岩顶板为隔水岩层，该煤层进行气化开采十分有利。

关键词：煤炭地下气化 石灰岩顶板 渗透性 全应力—应变过程

中图分类号：TU452；TD841 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-043-02

1 前言

晋城矿区接近三分之一的煤炭资源储量为高硫煤资源，储量大、分布广。由于国家严禁脱硫措施达不到国家环保法规要求的各类高硫煤矿项目（含硫大于3%）上马，禁止对高硫煤层的开采，因此，晋城矿区15号煤层高硫煤如采用传统开采、加工技术将无法实现商业化运作。为了解决开采这部分高硫无烟煤资源、提高资源回收利用率和解决衰老矿井的生存发展问题，并进一步提高煤炭资源利用率及其附加值，提出了采用地下气化技术开采凤凰山矿15号煤层的课题。

煤炭地下气化不仅对顶板强度有一定的要求，而且要求煤层顶板具有一定的隔水隔气效果，避免气化炉在运行过程中发生淹水或漏气事故。岩石的渗透性是岩石在一定水力梯度作用下，水穿透岩石的能力，常以渗透系数来度量。因此，测试气化煤层顶板的渗透性，掌握其隔水隔气的能力，对煤炭地下气化过程具有实际的意义。

2 全 应力的应变渗透试验过程

2.1 试验设备和方法

系统配备围压（≤45 MPa）、轴压（≤1700 kN）和孔隙水压（≤45 MPa）等3套独立闭环，适用水渗透试验、孔隙水压试验、假三轴（压缩）试验、真三轴试验和单轴（压缩）试验等5项基本功能。水渗透试验和装置如图1所示与孔隙水压试。试验时，将试验作品制做成高60～80 mm、直径50 mm、基础的试件。该试验的设备为岩石力学电液伺服试验机（美国产8115-02型）。

2.2 试样及试验条件

2.2.1 试样

2.2.2 试验条件

2.3 试验结果及分析

2.3.1 试验结果

2.3.2 结果分析

由2块岩样试验的全应力—应变渗透率曲线可得，石灰岩致密度坚硬，高达150～170 MPa，因于试验样品的空隙以渗透性差的微孔隙为主，整块的岩块渗透性很差。由实验结果可得，对于同一种岩样而言，不同个体的渗透率（或渗透系数）存在一定差异，且随着压力的增加，其渗透率的变化趋势也有所不同。岩样K2-1内发育有一定的缝合线或者微裂隙，还有始渗透率，压力加大，裂隙被压实，渗透率曲线先下降后上升，在峰值应力后才会出现峰值渗透率，即岩样破坏后渗透率出现短暂的下降后又大幅上升直至峰值渗透率，主要是由于岩样破坏后形成了大量的宏观裂隙使其渗透率急剧上升。岩样K2-2则不同，该岩样几乎无初始渗透率，追着压力的增加，其渗透率整体呈先上升后下降的趋势，且峰值渗透率出现在峰值应力前。

3 结论

煤层顶板至上含水层的隔水隔气能力是影响煤层气化开采稳定和安全的重要因素，通过凤凰山矿15号煤层顶板石灰岩的渗透试验，得出了应力的应变的关系曲线，实验得出石灰岩的渗透率与其应力状态（或应变）关系密切，试验还可得出，试样的全应力—应变渗透率曲线在各个阶段测得的渗透率或经换算后的渗透系统数值均很小，表明该石灰岩属隔水性岩石，因此，15号煤层K2石灰岩顶板可是为隔水层，对气化开采凤凰山矿15号煤层十分有利。

参考文献：

[1] 李应平.利用煤炭地下气化技术开发高硫无烟煤资源[J].煤炭技术，2003，22（4）：90-92.

[2] 夏筱红，杨伟峰，崔道伟，等.采场底板岩石渗透性试验研究[J].矿业安全与环保，2006，33（3）：20-22.

[3] 姜振泉，季梁军.岩石全应力—应变过程渗透性试验研究[J].岩土工程学报，2001，23（2）：153-156.

[4] Jacob Bear.Dynamics of fluids in porous media[M].New York：Dover Publications，1988.