富含瓦斯煤岩渗透规律的实验研究.doc

富含瓦斯煤岩渗透规律的实验研究收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（50574072）国家自然科学基金重点项目（50534049），国家重大基础研究发展计划（2005CB221500）作者简介：张天军1 许鸿杰1 李树刚2 陈占清3 (1.西安科技大学理学院；2.西安科技大学能源学院，西安710054； 3.中国矿业大学理学院，徐州221008)摘要：阐述了富含瓦斯煤岩力学介质属性、微结构模型、渗透特性及其孔裂隙和破碎块度的分形特征性，利用电液伺服岩石力学试验系统以数控瞬态渗透法进行了煤样全应力应变过程的电液伺服试验，研究了全应力应变过程中煤样渗透性的变化特征，给出了煤样渗透性与主应力差、轴应变、体积应变关系曲线，并拟合出相应方程。依据实验研究结果指出了煤岩层理裂隙及所处应力应变状态对其渗透性的影响。关键词：富含瓦斯煤岩；全应力应变；渗透率-应变方程；煤的渗透性中图法分类号：TD712.51Experiment Research on the Permeability Disciplinarian of Gas-rich Coal-rocks(SH. G. Li 1, T.J. Zhang 2，Z.Q. Chen3，Y.SH. Li3)(1 School of Energy, Xian University of Science and Technology; Xian 710054,China2 Dept. of Basic Courses,Xi an University of Science & Technology; Xian 710054,China3School of Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)Abstract: The mechanical media properties, micro-structural model, permeability, and fractal characteristics of porous cracks and fragmentation of gas-rich coal-rocks are discussed. Electro-hydraulic servo tests of complete stress-strain process of coal samples are conducted by using the electro-hydraulic servo controlled rock mechanics testing system and the numerically controlled transient permeability method. The varying characteristics of coal sample permeability are studied. The relationship between the permeability and the principal stress difference, axial strain and volumetric strain is established, and the corresponding equations are given. The tests reveal the effects of coal rock cracks and their stress-strain state to the permeability.Key words: gas-rich coal-rocks; complete stress-strain; permeability-strain equation; permeability of coal sample1.引言 富含瓦斯煤岩体是一种含有极其复杂和不规则孔隙和后生裂隙的非均质固流两相介质。煤岩体变形和强度以及流体在多孔隙裂隙煤岩体中的渗流规律是富含瓦斯煤岩开采过程中非常关心的问题。开采扰动下矿山压力的变化引起煤岩体产生变形，其渗透性质随之而变，导致流体压力分布及运移形态发生变化，这种变化有时将成为煤层自燃、瓦斯突出、底板突水等事故的隐患。国内外许多学者通过大量试验对不同矿井的各种岩样应力与渗透率关系进行了广泛研究1-8。其中关于坚硬致密且相对均匀均质岩石的研究成果较为丰富，煤岩的层理、节理、孔隙、裂隙等缺陷复杂多变，组分千差万别，因此其强度更低，离散性更大。针对富含瓦斯煤岩力学介质属性和渗透规律的研究尚不多见。本文在前人研究的基础上，选取煤与瓦斯突出矿和富含瓦斯非突出矿的煤岩对其力学介质性态和全应力应变过程中的渗透特性进行对比研究。2.富含瓦斯煤岩力学介质性态2.1含瓦斯煤岩非均质性对其力学性质的影响煤岩在力学性质上是典型的非均质体，其强度与煤岩中镜质体和丝质体含量有高度相关性，其含量越高，煤岩的单轴抗压强度越低。富含瓦斯煤岩对瓦斯有很强的吸附和解析作用，短时间内即可完成。由瓦斯引起的附加应力的存在，使煤岩的应力增加、强度降低，瓦斯使煤体在弹性变形阶段的弹性模量随瓦斯压力的增加而降低。瓦斯压力驱使瓦斯分子进入了煤岩裂隙或孔隙空间乃至煤体胶结内部且使更多的吸着层楔开了与瓦斯分子大小相近的微孔隙和微裂隙；煤岩应力超过峰值强度形成宏观裂缝后，裂缝空间迅速被瓦斯气体所充满，增加了煤体的渗透能力，且形成的新裂缝通道与煤体的其他部分连通，变形剧烈区有更多的瓦斯涌入，从而使煤体的强度进一步降低。2.2富含瓦斯煤岩体物理微结构及其分形特征煤岩体在成煤过程中，镜质组分中的植物组织被破坏分解，气体和液体排出时，形成0.1mm以下的微小气孔，另外，煤块中丝质体的胞腔有的未被充填，构成了以0.1-1mm为主的孔隙。由于地质构造和人为采动影响，煤层中形成了十分发育的节理、裂隙系统，在强烈的破坏作用下，有些煤层中的节理已经失去意义，成为粒状或土状的构造，其孔隙（多为大孔、中孔）特别发育。由于天然条件的随机性、地壳运动及成煤过程的复杂性等原因，造成了煤岩具有非均匀性、非连续性、地质构造的复杂性等特性。本文分别从铜川矿务局崔家沟矿和韩城矿务局下裕口矿采集煤样进行研究，两矿均为富含瓦斯矿，其中下裕口矿为煤与瓦斯突出矿。图1和图2分别为崔家沟矿7号煤和下裕口矿3号煤500倍扫描电镜图，其中（a）为垂直层理方向扫描，（b）为沿层理方向扫描。对多组煤样的显微观察分析表明，崔家沟矿7号煤结构均一，具有壳状断面和放射性细纹，有时可见稀疏裂隙。下裕口矿3号煤结构不均一，以粒状、网状、片状结构为主，也可见到鳞片状和压扭性结构，这些特点反映了构造应力对煤层破坏的踪迹。 (a) (b) (a) (b) 图1崔家沟煤样中的微孔隙和微裂隙 图2下裕口煤样中的微孔隙和微裂隙Fig1. Micro-porosity and micro-fissure in Cuijiagou coal Fig2. Micro-porosity and micro-fissure in Xiayukou coal 研究发现煤岩体中裂隙条数严格地遵循“自相似性”规律，其裂隙条数分形维数D总是小于，随着煤岩体尺度的减小，其煤岩体所含裂隙条数在减少，这与岩体弹性波测试给出的岩体完整系数的结论完全吻合。何学秋等研究发现钻屑煤样的粒度分维值比同地点原煤样大，其碎化过程以某一粒度区间为主。据此可以为以钻屑量为指标的工作面突出预测和以煤体破碎程度为指标的突出区域预测提供了更精确化的途径。2.3富含瓦斯煤岩体的微结构模型及其渗透特性 煤岩微粒由渗透吸附质点及其周围的渗透孔道组成，渗透吸附质点由更小的球状单元体和孔道组成。在分子级孔隙中，表现为位形扩散，微孔中以自由分子扩散为主，过渡孔道中自由分子扩散和分子滑流都有，在大孔、孔型通道及部分张开性裂隙等渗透孔道中表现为粘性连续流，与其他空隙不相贯通的“死孔”中无分子的自由运移，另外，在各级质点的表面发生着瓦斯分子的物理吸附和解吸过程。在瓦斯气体分子的运移和煤岩体变形过程中，煤岩微粒的结构形态（各级质点及孔隙的数量、大小、分布特征等）是不断变化的、原来的死孔可能演变为开孔，新的死孔会产生。因此，煤岩体的微结构形态是不断变化的。3.煤样电液伺服渗透试验及其结果3.1煤样的采集加工及试验原理 试样分别取自崔家沟矿2107综采工作面和下裕口矿23307综采工作面，在井下采集免受采动影响和风化的典型地质单元的煤块，运至井口蜡封塑包，锯末隔离装箱。在SC200型自动取芯机取芯，在DQ-4型岩石切割机上切平并在SHM-200型双端面磨石机上磨光，最终两矿所采煤样中分别加工出4块标准试样。煤样数控瞬态渗透性试验在中国矿业大学MTS815.02型电液伺服岩石力学实验系统（Electro hydraulic Servo controlled Rock Mechanics Testing System）上进行，该系统具有孔隙水压（Pore Water Pressure）和水渗透（Water Permeability）试验的相关设备。水渗透试验中，先将试样含水饱和后用聚四氟乙烯（Teflon）热缩塑料致密牢固热封，保证流体介质不能从防护套和试件间隙渗漏，然后置于试验机三轴缸内进行加压试验，先施加一定的轴压p1，侧压p2及孔压p3（p3p2），然后降低试件一端的孔压至p4，在试件两端形成渗透压差Dp=p3-p4，从而引起水体通过试件渗流。渗流过程中，Dp不断减少，其减少的速率与试样种类、组构、试样长度、截面尺寸、流体密度、粘度，以及应力状态和应力水平等因素有关。根据试验过程中计算机自动记录采集的数据，试样渗透率k按下式计算：式中9701.5976为综合水的动力黏度、压缩系数和系统配备的水箱容积后得出的系数，h为试样高度，d为试样直径，t为渗透时间，渗透过程取100s。3.2试验结果及拟合方程 为考察煤样的渗透率与应变状态的关系及渗透率，对崔家沟矿（C组）和下裕口矿（X组）分别加工了垂直层理方向的4个煤样进行全应力应变状态电液伺服试验，表1为试件规格、试验条件及测试结果，图3和图4为煤样C3和X4的主应力差和渗透率随轴向应变的变化的关系曲线。图5和图6为煤样C3和X4的渗透率与体积应变的关系曲线。表1 试件规格、试验条件及结果煤样编号试件尺寸dh/mm侧 压MPa孔隙压力MPa渗透压差MPa峰值应力MPa峰值应变e/mm/mm渗透率变化范围/10-6DC149.2100.4431.565.50.02490.41-235.77C249.592.1431.528.40.01090.31-9.72C349.489.9831.538.00.01780.18-253.8C449.094.8431.528.40.01160.30-219.5X149.3102.4431.513.00.01860.83-13.77X249.2100.9431.535.00.03960.83-2.81X349.3100.4431.540.10.02490.21-10.18X449.599.9431.519.60.01000.98-3.94 图3 C3煤样K-e和(s1-s3) -e曲线 图4 X4煤样K-e和(s1-s3) -e曲线 Fig3. K-e and (s1-s3) -e curve of C3 coal specimen Fig4. K-e and (s1-s3) -e curve of X4 coal specimen 图5 C3煤样K-ev曲线 图6 X4煤样K-ev曲线Fig5. K-ev curve of C3 coal specimen Fig6. K-ev curve of X4 coal specimen由图5和图6可知，煤样变形过程中经历了体积缩小和膨胀的过程，其渗透率随体积应变的变化规律可以拟合为以下方程：试样 C3（图5）试样的拟合方程为：体积缩小 体积膨胀 X4（图6）试样的拟合方程为：体积缩小 体积膨胀 4.结论对两组煤试样试验进行扫描电镜试验和全应力应变过程电液伺服渗透性试验结果进行观察分析发现：煤岩力学性能与其微结构和微孔隙特征密切相关，其中突出矿煤样结构不均一，其抗压能力较弱。非突出矿煤样结构均一，抗压能力较强。在煤样全应力应变过程渗透性实验中，渗透率的变化与试样内部裂隙的发展变化过程密切相关。由于煤岩的非均质力学特性，观察主应力差和渗透率随轴向应变的变化的关系曲线图可知，在加载初始阶段，由于孔裂隙受压密闭合，试样体积应变均有减小过程，即使在弹性变形阶段，煤样内部亦存在因微小结构破坏引起的微裂隙产生和压密闭合过程，在此阶段渗透率略有波动并趋于减小，变化幅度小于1010-6Darcy；在变形进入弹塑性段，试件中微裂隙产生更多，渗透率转而趋向增长，越接近峰值应力，产生的微裂隙越多，其中有的裂隙互相交割而贯通，在峰值附近渗透率急剧增长，说明此时已形成沿高度贯通的裂隙，其中C组试样渗透率值相差最大达1140倍，而X组试样极值相差最大为48.5倍；峰值强度后，煤样失去最大承载能力，其体积开始膨胀，即试样产生扩容或剪胀现象，渗透率仍趋增长，但增长斜率有渐缓趋势，说明峰后区新的裂隙虽仍有扩展，但其数量较少。煤样在峰值前后的体积变化以及由此引起的渗透率变化，可以通过大量试验寻求内在规律，本文将两者之间的关系拟合为一双值函数，可将其作为控制方程应用于应力场和渗流场耦合数值分析中。参考文献：1. E.Daana,F. Skoczylas. Gas relative permeability and pore structure of sandstones. Int. J. Rock Min Sci,1999,36:6136252. Li Shugang,Xu Jingcai. Experimental study on permeability of soft coal sample with electro-hydraulic servo-controlled testing systemJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2001,23(1): 6870(in Chinese)3. LI Shugang,QIAN Minggao,SHI Pingwu. Permeability-strain equation relation to complete stress-strain path of coal sampleJ. Coal Geology and Exploration,2001,29(1): 2224.(in Chinese)4. Schulze, O., Popp, T., Ker