含瓦斯煤渗透率影响因素敏感性试验研究

周建辛，王 毅

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

我国现阶段开采的矿井中有60%是高瓦斯矿井甚至是突出矿井，瓦斯事故也是煤矿安全事故中强度最大、伤害最严重的。煤储层的渗透率是影响瓦斯事故的重要参数之一，因此近些年来渗透率随各种因素的变化规律为诸多研究者所关注[1-9]。前人的研究成果丰富了煤岩体瓦斯的渗流理论[10]，但对影响含瓦斯煤渗透性的诸多因素的敏感性分析和理论的深入研究还鲜见报道。为了深入研究诸多因素对含瓦斯煤渗透率的影响，以山西官地矿3#煤层煤样为试验对象，利用电液伺服三轴渗流试验装置，进行了不同含水率、瓦斯压力，温度，轴压和围压组合下的三轴渗流试验，初步探讨了含瓦斯煤渗透率的变化规律，研究结果为防治瓦斯灾害及高效开采煤层气提供了一定的理论依据。

1 试验过程

1.1 试件的制作及煤质分析

试验所用的煤样取自山西官地矿3#煤层，将取回的煤样利用砂线切割机取心并磨制成的标准试样并将其编号。接下来对煤样进行煤质分析，其主要参数有水分、灰分、挥发分、发热量等，因为试验需要重点考虑煤样含水率对渗透率的影响，所以重点测定水分的大小即可。取一定量的试样放置在干燥的空气中48 h，再将试样于一定温度干燥到恒重，其失重占试样重量的百分数即为空干水分，便可得到煤样的原始含水率为1.14%。在其基础上，采用恒温干燥箱给煤样进行干燥，通过烘干时间的长短来制取含水率为0.19%的煤样；在原始煤样的基础上利用手动试压泵和压力釜给煤样注水，以此提高煤样的含水率至2.12%。最终制得含水率为0.19%、1.14%、2.12%的3组试件，每组试件若干。

1.2 试验设备

试验在微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置上进行，试验装置主要由计算机测控系统、气路供给控制系统、液压系统、温度控制系统和三轴加载系统组成。试验设备三轴室结构图如图1。

图1 三轴室结构图

1.3 试验步骤

1）试件安装。在煤样试件的侧面均匀涂抹704硅橡胶，待硅橡胶干燥之后，用热缩管将试件包裹，将试件放置在三轴室试样座和试样压板之间。用电热烘枪均匀加热热缩管，使其软化收缩，包紧试件来隔离精密液压油。试件安装完毕。

2）试样装置排气（检查装置的气密性）。在渗流试验开始之前，对气路系统进行多次甲烷吸附，做法为当煤样试件第1次吸附瓦斯达到平衡状态时，打开出口流量开关，将系统中的气体排除，并测定瓦斯的体积分数，结束之后将出口流量开关关闭，再次进行吸附，达到平衡状态之后，排除系统中的气体并测量体积分数，重复进行3次直到排除甲烷气体的体积分数为99%以上。这时可以近似地看做气路系统中已无其他气体。

3）三轴加载试验方案。对煤样以0.01 MPa/s的加载速度加载围压至3 MPa，然后以0.05 MPa/s的速度加载轴压至4 MPa，待其稳定后，交替加载轴围压至预定压力，预定轴压分别为 4、6、8、9、11、13、15 MPa，预定围压分别为 3、5、8、10 MPa。然后调节 CH4气瓶的阀门及CH4减压阀，通入纯浓度为99.9%的的CH4气体，待煤样充分吸附解吸，三轴室内的气体压力不再变化，即可认为煤样吸附瓦斯达到平衡状态。同时应用温度控制系统进行温度调节，从室温 20 ℃开始，分别调节至 30、40、50、60、70 ℃，进行不同含水率条件下的多因素渗流试验。打开出口流量开关和出口流量调节阀，将出口排气管外接量筒，待气泡稳定之后，用排水集气法测量流量并记录，测量之后关闭出口流量开关。三轴加载的同时进行系统数据的采集，直至试验结束。

2 试验结果分析

2.1 含水率对含瓦斯煤渗透率的影响

不同瓦斯压力、不同围压下煤样渗透率与含水率关系的拟合曲线如图2和图3。从图2可以看出，瓦斯压力为0.5 MPa时，煤样的含水率从0.19%变化到2.12%的过程中，渗透率从12.598×10-13cm2降低到0.886×10-13cm2，渗透率降低幅度为92.9%。从图3可以看出，围压为10 MPa时，煤样的含水率从0.19%变化到2.12%的过程中，渗透率从3.413×10-13cm2降低到 0.266×10-13cm2，渗透率降低幅度为92.2%。经试验数据拟合可以看出，含水率对含瓦斯煤的渗透率具有很大的影响，随着含水率的逐渐增加，含瓦斯煤的渗透率呈负指数变化规律。因为煤是一种很强的亲水性物质，随着含水率的不断增大，水分子吸附在了煤样的表面，占了煤样中的大部分孔隙，而瓦斯分子主要是通过进入煤样中的孔隙进行渗透，使得渗流过程中瓦斯的渗流通道减少，因此渗透率随着煤样的含水率的增大而减小。

图2 不同瓦斯压力煤样渗透率与含水率关系的拟合曲线

2.2 轴压对含瓦斯煤渗透率的影响

图3 不同围压煤样渗透率与含水率关系的拟合曲线

不同瓦斯压力、不同围压以及不同含水率煤样渗透率和轴压关系的折线图如图4～图6。由图4～图6可知，在不同的条件下，含瓦斯煤的渗透率随着轴压的增加呈先减小后增加的趋势。其原因是，随着单一方向轴压的不断增加，含瓦斯煤先发生弹塑性变形然后发生剪切破坏，在弹塑性变形阶段，含瓦斯煤内部的微观孔隙受到挤压，渗透率降低，所以在煤样发生剪切破坏之前，含瓦斯煤的渗透率随轴压的增加而变小。其后随着轴压的不断增加，煤样的固体骨架发生剪切破坏，内部孔隙裂隙相互贯通，进而煤样的渗透性增强，其渗透率略有回升，但是具体条件不同，渗透率回升的幅度也不相同。由图6可知，含水率越低的煤样，其渗透率随轴压变化的敏感性越强，其原因是含水率低的煤样，内部的孔隙裂隙中水分相对较少，当单一方向轴压增加时，内部孔隙裂隙因挤压密实，单位体积内具有相对更高的含水率，对其渗透率具有更大的影响，而含水率高的煤样则不同，尽管轴压不断增加，其单位体积内水分的含量却不会发生太大的变化，进而出现含水率越低的煤样其渗透率随轴压变化的敏感性越强。

图4 不同瓦斯压力煤样渗透率和轴压关系的折图

2.3 温度对含瓦斯煤渗透率的影响

图5 不同围压煤样渗透率与轴压关系的折图

图6 不同含水率煤样渗透率与轴压关系的折图

不同围压、不同含水率煤样渗透率与温度关系的折线图如图7和图8。由图7可知，含瓦斯煤的渗透率随温度的变化，并不是简单的单调递增或单调递减的关系，而是存在1个与外围约束应力（围压）有关的临界区，在试验中，当围压小于3 MPa，温度大于20℃时，含瓦斯煤的渗透率随着温度的升高而逐渐变大，其原因是温度升高产生的热应力大于外围约束应力而占主导地位，煤体体积向外膨胀，其内部的孔隙裂隙充分发育，进而瓦斯渗流通道数目变多，出现渗透率随温度的升高而逐渐变大的现象。当围压大于5 MPa，温度小于70℃时，温度的升高所产生的热应力小于外围约束应力，此时外围约束应力占主导地位，煤体无法正常向外膨胀，只能向其内部空间膨胀，瓦斯渗流通道被挤压密实，有效孔隙率减小，因而出现在较大外围约束应力的条件下，含瓦斯煤的渗透率随温度的升高而减小的现象，也说明在温度一定的条件下，其渗透率对外围约束应力变化的敏感性更强。由图8可知，在围压为 3 MPa时，不同含水率的煤样均随着温度的升高，其渗透率逐渐增加，并且含水率越高的煤样，其渗透率随温度变化的敏感性越强，因为外围约束应力较小时，温度的升高不仅导致煤体外膨胀，增大孔隙通道，并且还会蒸发煤样自身的水分，因此含水率越高的煤样其渗透率随温度变化的敏感性越强。

图7 不同围压煤样渗透率与温度关系的折线图

图8 不同含水率煤样渗透率与温度关系的折线图

3 结论

1）在其他条件相同的情况下，煤样的含水率对含瓦斯煤的渗透率具有很大的影响，含水率越高，含瓦斯煤的渗透率越小。

2）含瓦斯煤的渗透率均随着单一方向轴压的增加呈现出先减小后增加的趋势。但在不同的条件下，渗透率的回升幅度不同。同时发现，含水率越低的煤样，其渗透率随轴压的变化更加敏感。

3）温度对含瓦斯煤渗透率的影响与外围约束应力（围压）的大小有关，当温度所产生的热应力大于外围约束应力时，热应力占主导地位，渗透率随着温度的升高而增加；反之，外围约束应力占主导地位，煤体体积向内收缩膨胀，渗透率随温度的升高而减小。说明在温度一定的条件下，其渗透率对外围约束应力变化的敏感性更强，并且在外围约束应力较小时，含水率越高的煤样，其渗透率随温度变化的敏感性越强。