不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性研究

潘荣锟,程远平,董 骏,陈海栋

(1.中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州 221008;2.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454000)

不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性研究

潘荣锟1,2,程远平1,董 骏1,陈海栋1

(1.中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州 221008;2.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454000)

为获取不同载荷条件层理裂隙煤体渗透演化规律,采用煤岩渗透－力学试验系统,在加载、卸载过程中对含层理原煤试件进行渗透实验研究。实验结果表明:加载阶段,随着有效应力的增大,层理面间隙宽变小,渗透率降低,加载初期的渗透率急剧降低,当有效应力从1 MPa升高到7 MPa时,渗透率下降近81%,随后渗透率的变化趋于平缓;卸载阶段,随着围压的不断卸除,受压的层理裂隙得以逐渐恢复,渗透率逐渐增大,但最终渗透率只恢复到初始值的14%,即加载过程煤体层理裂隙变形、闭合对裂隙面造成永久性的损伤,使得在卸载过程中难以恢复而造成渗透率损失;并结合实验条件建立了层理裂隙煤体渗透率与有效应力之间的理论模型,与实验结果对比分析,具有较好的吻合度。

加卸载;层理裂隙;渗透率;原煤样;有效应力

煤层是由煤颗粒、孔隙、裂隙、黏土和碳酸盐等组成的混杂体,在漫长的地质年代由于成煤物质成分、颗粒大小、胶结物、结构构造等差异使煤层具有层理特性。层理是煤层中发育最广泛的构造,层理裂隙对煤的稳定性、可采性及气体的流动状态都有决定性的影响[1],其存在破坏了煤体的连续性和整体性,改变煤层应力分布状态[2],成为煤体强度、变形和渗透特性的主控因素。采动后易引起煤体层理裂隙发育、贯通及煤体变形甚至破坏,影响着瓦斯渗流和扩散,直接控制着瓦斯导流方向和富集特征,进而极大地影响到煤层瓦斯抽采效果。瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的关键技术措施[3－4],渗透率是矿井瓦斯抽采的关键参数,我国煤层赋存普遍渗透率低,当瓦斯从煤层中被抽采时,在应力、煤体构造和采动变形的影响下,渗透率的差异较大,尤其是在层理裂隙方向上,如何基于层理裂隙特征进行瓦斯抽采钻孔的设计和布置,将对提高抽采效果和实现抽采最大化有着重要意义。

目前,就层理裂隙对煤体的渗透影响研究方面,国内学者黄学满[5]曾基于煤结构异性对瓦斯渗透特性的影响,分析了煤体中不同层理方向对瓦斯渗透影响的差异性;于永江等[6]从层理角度研究了冲击对煤的强度影响;陈金刚、秦勇等[7]就煤层割理方向性与煤层抽采效果之间耦合关系进行了现场试验,建立了煤层气抽采效果预测模型;毕建军、苏现波[8]通过实验详细研究了割理与煤级的关系。而国外在20世纪70年代煤层气开发过程中就意识到层理、割理具有的重要意义,相关的研究如Pomeroy和Robinson[9]利用水做渗流实验时,发现当围压垂直于层理面时,水的渗透率发生显著变化;Koenig和Stubbs[10]对美国Warrior盆地煤层的渗透率进行了实验,指出不同层理方向渗透率比达17∶1;Jishan Liu[11],Huoyin Li[12]等在不同层理、节理条件下,进行了渗透试验,指出层理、节理构造对渗透和变形均有着重要影响。上述研究取得了一些有益成果,但均未对不同加卸载条件下含层理原煤进行变形和渗透特性实验研究。为此笔者采集了具有层理构造的大块煤样,制取了平行层理的原煤试样,深入研究不同加卸载条件下层理裂隙煤体的变形和渗透演化特性。

1 实验部分

1.1 实验煤样的制取

实验煤样采自中国山西晋城寺河煤矿3号煤层,取得的大块煤样层理、条纹清晰,原生裂隙不明显,表面光滑、微孔中存在部分小颗粒煤,从大块煤样沿层理方向制取圆柱形实验用原煤样,然后按照标准尺寸ϕ50 mm×100 mm进行切割,制得的原煤样如图1所示,其基本属性见表1。

图1 原煤样制取及层理示意Fig.1 Coal making and schematic diagram of bedding

表1 煤样试件基本属性Table 1 Summarizes the properties of coal

对试件的两端及侧面进行仔细研磨,不平行度和不垂直度均小于0.02 mm,加工精度满足煤和岩石物理力学性质测定方法的要求。

1.2 实验装置与方法

实验前对原煤试件尺寸、质量进行测量并记录,然后用热缩管包裹好,保证其良好气密性,置于煤岩渗流－力学耦合特性测定仪进行渗透实验。由于煤矿开采从力学的角度而言是煤岩体历经加卸载过程,即在采动扰动下,采煤工作面前方煤岩体静水压力不断升高,随着采煤工作面的推进,相应位置煤岩体的应力不断解除。为此本实验设计的力学路径:在孔隙压力恒定为1 MPa条件下,等量加轴压、围压至12 MPa后,恒定轴压卸围压,具体的路径示意分别如图2,3所示。

图2 加载过程示意Fig.2 The process of loading

本实验渗透率测试采用瞬态脉冲法,其原理:平衡试件两端压力后,提高一端压力,使试件产生瞬间脉冲压差,随时间推移,上游压力将逐步降低,而下游压力将逐步增加,直至试件两端压力重新达到新平衡状态,测得压力随时间变化关系[13]。然后结合式(1)

图3 卸载过程示意Fig.3 The process of unloading

可计算出该条件下的渗透率。

式中,δP(t)为时间t时的压力变化量,MPa;δP(t0)为初始时间t0的压力变化量,MPa;λ为压差随时间衰减过程中的指数拟合因子;k为煤样渗透率,m2;μ为气体黏度系数,Pa·s;A为试件截面积,m2;L为试件长度,m;Su,Sd为上游、下游的储留系数。

2 试验结果与理论分析

根据实验条件,联立式(1)计算煤样在加卸载条件下的渗透率,测试结果见表2。

表2 渗透率测试结果Table 2 The experimental results of permeability

根据表2实验结果,建立在加、卸载过程中渗透率演化与有效应力的关系曲线如图4所示。

图4 渗透率与有效应力曲线Fig.4 Permeability versus effective stress

由图4可以看出,在加载阶段,渗透率随着有效应力的增大而减小,加载初期渗透率急剧减小,此时渗透的变化率最大。当有效应力从1 MPa升高到7 MPa时,渗透率下降近81%,这与层理裂隙面的力学性能有关。层理面的抗压强度较弱,受力后层理裂隙易闭合且裂隙间的充填物受压缩,裂隙强度逐渐增大,使裂隙面抗变形能力增强,此过程为复杂的弹塑性变形过程,渗透率呈现显著降低。当有效应力介于7～11 MPa时,渗透率的变化趋于平缓,煤体变形亦趋于缓慢,裂隙面闭合度接近最大值。在卸载阶段,渗透率随着有效应力的减小而增大,卸载初期从11 MPa卸至7 MPa过程中,渗透率的增幅不大,表明受压缩的裂隙在卸载后无法快速恢复。当有效应力小于7 MPa时,渗透率随着有效应力卸除而急增,受压缩的层理裂隙面得以恢复和新裂隙的产生。

从整个渗透率演化特性来看,在相应的有效应力下,加载过程的渗透率比卸载过程渗透率均要大,即卸载并非是加载过程的简单逆过程,且有效应力越低两者渗透率差值越大。则加载过程煤体内部裂隙发生永久性损伤,层理裂隙损伤致使其难以在卸载过程得以愈合,最终渗透率只恢复到初始值的14%。因存在轴压,使得相应的卸载量下,围压越低,渗透率恢复越快。在开采过程中煤体卸压变形后,煤层渗透率增大,煤层中瓦斯更易从煤体中释放,将易引起瓦斯积聚,从而增加瓦斯超限或煤与瓦斯突出的危险性。

由于本实验采用原煤进行渗透实验,渗透率比较小,试件两端达到新的平衡需要较长时间,压力随时间变化如图5所示,单次渗透率的测试时间均为12 h以上。

图5 压力与时间关系曲线Fig.5 Pressure versus with time

受实验条件的限制,并非所有的有效应力条件下均可实测试样的渗透率,因此通过理论分析建立相应的渗透模型是有必要的。为掌握整个实验过程渗透率演化特性,对煤体受力作分析,如图6所示,其有效应力由轴压、围压和孔隙压力共同作用,据此建立有效应力与渗透率关系模型。

图6 煤体受力示意模型Fig.6 Sketch of coal sample under different stress

对于裂隙煤岩体加卸载过程,诸多学者对渗透率与裂隙关系进行了研究[14－15]。Eric P.Robertson曾提出渗透率与裂隙之间关系[16]为式中,Δk为渗透率变化量;Δp为压力变化量;b0为裂隙初始宽度;b为裂隙宽度;a0为裂隙间的初始长度; a为煤基质的长度;Cf为裂隙压缩系数;Δpf为孔隙压力变化量;Δpob为轴压变化量;E为杨氏模量;ν为泊松比;Smax为朗格缪尔应变;pL为朗格缪尔压力;pfo为初始孔隙压力。

结合本实验的过程与条件,实验中的孔隙压力pf为恒定值,即Δpf=0,测试过程吸附膨胀变形可以忽略,则式(2)可简化为

由C.R.McKee等[18]提出的裂隙压缩系数与有效应力之间的关系式为其中,c0为初始裂隙压缩系数;α为裂隙压缩系数变化率;σ为有效应力;σ0初始有效应力。假设在卸载过程中,有效应力主要是由轴向应力引起,则联合式(4)和式(5)可得出该实验条件下裂隙煤体渗透率与有效应力之间的关系式为

对式(6)进行作渗透率变化曲线拟合,并结合本实验数据进行对比,得出k/k0与有效应力之间的关系如图7所示。

由图7可以看出,理论模型与实验结果具有较好的吻合度,k/k0均随着有效应力的增大而减小,并逐渐趋于恒定值,验证了理论推导模型的精度及有效性。

3 结 论

(1)在不同加卸载条件下对层理裂隙原煤体的渗透特性进行实验,揭示了层理裂隙煤体在加卸载过程中渗透率的演化特性。其中加载过程渗透率随有效应力的增加而减小,加载初期渗透的变化率最大;卸载过程渗透率随有效应力的减小而增大,且在卸载过程的渗透率增大速度比加载过程中渗透率降低速度明显缓慢,表明加载过程煤体层理裂隙变形、闭合对裂隙面间造成永久性的损伤,使得在卸载过程中难以恢复而造成渗透率损失。

(2)实验用原煤试件进行渗透率测试,其渗透率较低,测试周期较长,因在实验和理论分析的基础上,建立了层理裂隙煤体渗透率与有效应力之间的关系,并与实验数据作对比分析,得出该理论模型与实验结果具有较好的吻合度,能够很好地反映渗透率与有效应力的关系。

[1] Laubach S E,Marrett R A,Olson J E,et al.Characteristics and ori-gins of coal cleat:a review[J].International Journal of Coal Geology,1998(35):175－207.

[2] Bennett J G.Broken coal[J].International Journal of Fuel,1936 (10):22－39.

[3] 程远平,付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报,2009,26(2):127－139.

Cheng Yuanping,Fu Jianhua,Yu Qixiang.Development of gas extraction technology in coal mines of China[J].Journal of Mining &Safety Engineering,2009,26(2):127－139.

[4] 袁 亮,郭 华,李 平,等.大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术[J].煤炭学报,2013,38(1):1－8.

Yuan Liang,Guo Hua,Li Ping,et al.Theory and technology of goaf gas drainage with large diameter surface boreholes[J].Journal of China Coal Society,2013,38(1):1－8.

[5] 黄学满.煤结构异性对瓦斯渗透特性影响的实验研究[J].矿业安全与环保,2012,39(2):1－3

Huang Xueman.Experimental study on influence of structural anisotropy of coal upon gas permeability[J].Mining Safety&Environmental Protection,2012,39(2):1－3.

[6] 于永江,王来贵,赵 娜.冲量及层理对煤块冲击韧度的影响[J].辽宁工程技术大学学报,2006,25(6):842－844.

Yu Yongjiang,Wang Laigui,Zhao Na.Effect of impulse and bedding on impact toughness of coal[J].Journal of Liaoning Technical University,2006,25(6):842－844.

[7] 陈金刚,秦 勇,宋全友,等.割理方向与煤层气抽放效果的关系及预测模型[J].中国矿业大学学报,2003,32(3):223－226.Chen Jingang,Qin Yong,Song Quanyou,et al.Coupling relationship between direction of coalbed cleat and methane drainage effect and its prediction model[J].Journal of China University of Mining& Technology,2003,32(3):223－226.

[8] 毕建军,苏现波.煤层割理与煤级的关系[J].煤炭学报,2001, 26(4):346－349.

Bi Jianjun,Su Xianbo.The relation between cleat frequency and coal rank[J].Journal of China Coal Society,2001,26(4):346－349.

[9] Pomeroy C D,Robinson D J.The effect of applied stresses on the permeability of a middle rank coal to water[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1967(4):329－343.

[10] Koenig R A,Stubbs P B.Interference testing of a coal-bed methane reservoir[A].SPE Unconventional Gas Technology Symposium.Louisville,Kentucky[C].1986.

[11] Wang Shugang,Elsworth Derek,Liu Jishan.Permeability evolution in fractured coal:the roles of fracture geometry and water-content [J].International Journal of Coal Geology,2011,87:13－25.

[12] Li Huoyin,Shimada Sohei,Zhang Ming.Anisotropy of gas permeability associated with cleat pattern in a coal seam of the Kushiro coalfield in Japan[J].Environmental Geology,2004,47:45－50.

[13] 潘荣锟,王 力,陈向军,等.卸载煤体渗透特性及微观结构应力效应研究[J].煤炭科学技术,2013,41(7):75－78.

Pan Rongkun,Wang Li,Chen Xiangjun,et al.Study on permeability characteristics of unloading coal body and stress effect of microstructure[J].Coal Science and Technology,2013,41(7):75－78.

[14] 于洪丹,陈飞飞,陈卫忠,等.含裂隙岩石渗流力学特性研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(S1):2788－2795.

Yu Hongdan,Chen Feifei,Chen Weizhong,et al.Research on permeability of fractured rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(S1):2788－2795.

[15] 梁宁慧,刘新荣,艾万民,等.裂隙岩体卸荷渗透规律试验研究[J].土木工程学报,2011,44(1):88－92.

Liang Ninghui,Liu Xinrong,Ai Wanmin,et al.Experiment study on the permeability of fractured rock under unloading[J].China Civil Engineering Journal,2011,44(1):88－92.

[16] Eric P Robertson,Richard L Christiansen.A permeability model for coal and other fractured,sorptive-elastic media[A].Society of Petroleum Engineers Eastern Regional Meeting[C].2006.

[17] Bai M,Elsworth D.Coupled processes in subsurface deformation, flow and transport[M].Reston:American Society of Civil Engineers Press,2000.

[18] McKee C R,Bumb A C,Koenig R A.Stress-dependent permeability and porosity of coal and other geologic formations[J].SPE Formation Evaluation,1988,3(1):81－91.

Research on permeability characteristics of layered natural coal under different loading and unloading

PAN Rong-kun1,2,CHENG Yuan-ping1,DONG Jun1,CHEN Hai-dong1
(1.National Engineering Research Center for Coal Gas Control,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2.Department of Safety &Science Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

In order to obtain the permeability evolution of the coal seam with layered fracture on different conditions, the coupling testing equipment of permeability-mechanical was performed to investigate the natural coal with level bedding planes in the process of loading-unloading.The experimental results show that in the loading stage,the layered gap width becomes smaller and the permeability reduces with the increase of effective stress.And the maximum variation of permeability appears in initial loading,the permeability declines nearly 81%when the effective stress increases from 1 MPa to 7 MPa,then the permeability changes tend to be gentle;in unloading stage,the compressed layered crack is able to recover gradually and permeability of coal increased with the confining pressure unloading.But the permeability of coal recovered only to 14%of the initial value at last,the reason is that the permanent damage of the layered fractured surface for the deformation and crack closure in loading process is difficult to restore in the unloading process,thus the loss of permeability occurs.The theory model of the relation permeability and the effective stress was established on the experiment condition,which had a good fit with the experiment results.

loading and unloading;layered crack;permeability;natural coal;effective stress

TD712

A

0253－9993(2014)03－0473－05

潘荣锟,程远平,董 骏,等.不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性研究[J].煤炭学报,2014,39(3):473－477.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0791

Pan Rongkun,Cheng Yuanping,Dong Jun,et al.Research on permeability characteristics of layered natural coal under different loading and unloading[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):473－477.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0791

2013－06－07 责任编辑:毕永华

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201204);国家自然科学基金资助项目(51304070);河南省教育厅科学技术研究重点资助项目(13A440333)

潘荣锟(1980—),男,广西南丹人,讲师,博士研究生。Tel:0391－3987936,E－mail:prk2008@126.com