含水率对含瓦斯煤的渗流特性影响试验研究

魏建平，位 乐，王登科

(1.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003；2．河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003)

含水率对含瓦斯煤的渗流特性影响试验研究

魏建平1,2，位 乐1,2，王登科1,2

(1.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003；2．河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003)

利用自主研发的三轴煤岩瓦斯渗流试验系统，测定煤样在含水率、围压和瓦斯压力的不同组合情况下的渗流量，得到含水率与含瓦斯煤渗透特性之间的关系表达式，揭示了受水分影响的含瓦斯煤渗透特性的一些新的认识:① 不同含水率煤样，固定瓦斯压力条件下，含瓦斯煤渗透率随围压的增大而减小，且呈指数函数关系；② 不同含水率条件下的含瓦斯煤，随着瓦斯压力的增大，含瓦斯煤渗透率的先减小后增大，呈现出“V”字型变化趋势，具有明显的Klinkenberg效应；③ 瓦斯压力对含瓦斯煤渗透性的影响大于围压的影响；④ 恒定温度环境条件下，含水率对含瓦斯煤的渗透性有很明显的影响，随着煤样中含水率的增加，含瓦斯煤的渗透率逐渐减小，整体呈负指数关系。

含水率；渗透率；含瓦斯煤；渗流特性

我国煤矿灾害中瓦斯事故一直居高不下，对本煤层瓦斯灾害的控制都可以归因于瓦斯在煤层中的流动，即瓦斯在煤层中的渗流，因此煤层瓦斯渗流特性已日益成为瓦斯灾害防治领域的重要研究方向。国内外学者从煤体所处的地应力场、地电场、温度场、蠕变以及不同煤质和不同孔隙气体等方面开展了很多相关研究。尹光志等[1]研究了瓦斯型煤试件的全应力-应变过程瓦斯渗透特性变化规律；王宏图等[2]研究认为瓦斯渗流量随电场强度的升高近似成线性增大；马衍坤等[3]通过实验研究验证了瓦斯吸附渗流过程中，瓦斯分子进入煤基质，造成煤体基质膨胀，影响瓦斯在煤层中的渗流规律，使煤层瓦斯渗透率降低；李志强、梁冰等[4-5]研究了温度对煤体渗透率的影响，认为渗透率随温度的升高而增大，且呈正指数关系；许江等[6]研究认为蠕变后煤样渗透率降低，下降幅度为25.2%～38.7%；郑贵强[7]对不同煤阶的渗透特征进行了实验和模拟研究；王登科等[8]研究了考虑开采扰动作用下复杂应力路径下渗透性变化规律，提出了含瓦斯煤在围压的升降过程中会发生渗透率的损害，其损害程度可用最大渗透率损害率来表征；W.F.Brace[9]进行了应力作用下岩体渗透率变化规律研究，研究结果表明岩石类材料的渗透率对应力反应非常敏感；C.R.McKee等[10]建立了煤体渗透率、孔隙度和密度与有效应力和埋深之间的关系方程，并利用现场数据进行了验证；Liu等[11]研究了瓦斯抽放钻孔的渗流规律，并建立了考虑吸附效应的一维控制方程，计算出了瓦斯抽放钻孔的渗流速度分布情况；赵阳升等[12-13]提出了块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法，同时指出瓦斯吸附和变形作用对煤层瓦斯渗流有重要影响，而且渗透率随孔隙压的变化表现为存在一临界值，孔隙压小于该临界值时煤层渗透率衰减，反之则增加；刘见中等[14]研究了含瓦斯煤在不同应力条件下的渗流特性，结果表明轴压、围压和瓦斯压力是影响含瓦斯煤渗透率大小的主要因素。

以上研究都是基于干燥煤样所得到的研究成果。目前控制瓦斯灾害的主要有效途径就是瓦斯抽放，而水分是煤层的固有组成部分，在实际工程应用中特别是下向钻孔抽采时常常受到水的影响，因此在研究煤层瓦斯运移规律时，考虑水分的影响更能客观反映出瓦斯气体在煤层中的赋存状态和流动规律。目前关于水分对含瓦斯煤渗透特性影响的研究并不多见，冯增朝[15]等从吸附角度考虑了含水率的影响；尹光志等[16]研究认为煤体含水率与甲烷有效渗透率关系可用线性函数表述；Wang Shugang等[17]以构造煤为研究对象认为随着含水率的增加煤的孔隙率降低，从而最终导致煤的渗透率降低；袁梅等[18]研究认为渗透率与水分成反相关关系，含瓦斯煤样的渗透率随含水率的增加呈非线性递减关系，并服从指数分布关系，且含水率越高，渗透率降低幅度越大。可以看出目前关于水分对含瓦斯煤渗透特性影响的认识尚未达成一致。

笔者以取自平煤集团方山矿新井二1煤的煤样为研究对象，利用自主研发的三轴煤岩瓦斯渗流试验系统对不同含水率含瓦斯煤的渗流特性进行深入研究，以期丰富煤层瓦斯渗流理论。

1 试 验

1.1 煤样制取与试验装置

在做渗流试验之前，根据GB/T 212—2001对所取煤样进行了工业分析、吸附常数和镜质组反射率的测定，所得的基础参数见表1。

表1煤样工业分析、吸附常数和镜质组反射率的测定结果
Table1Theresultsofproximateanalysis,adsorptionconstantsandvitrinitereflectanceofcoalsamples

吸附常数a/(m3·t-1)b/MPa-1Mad/%Aad/%Vad/%Rmax/%18 8200 7150 9910 4814 381 67

试验所用不同含水率煤样的制取过程如下:

(1)将原始煤块粉碎，筛取粒径0.2～0.5mm的煤粉，向煤粉中加入适量蒸馏水，并搅拌均匀。将搅拌好的煤粉装入制样模具，利用压力机在150kN的载荷条件下，将煤粉压制成φ50mm×100mm的标准煤样。

(2)取制作好的型煤煤样，放入烘箱内烘干，制成干燥煤样，并称量出煤样的干重m0。

(3)将真空容器、高压气管、缓冲瓶和真空泵连接好，并检查好回路的气密性；在干燥煤样外包裹一层透水布，然后将煤样置于盛有蒸馏水的密闭容器中，使干燥煤样完全浸泡于蒸馏水中，开启真空泵，对密闭容器抽真空3 h获得饱和水煤样。

(4)将饱和水煤样取出，并称量出煤样饱和水质量ms，计算煤样的饱和水含水率ws为

(1)

(5)将饱和水煤样置于干燥箱内，在105℃的温度下进行烘烤，一般情况每隔30min对煤样称重一次，称重时间可根据实际需要进行调整，直至煤样质量达到预先的设定值mp时，便停止烘烤，然后将煤样取出后置于恒温恒湿养护箱内，并每隔2h对煤样进行称重，直至煤样质量变为mu后不再变化为止，该过程需要1～2d，此时煤样内部的水分已经达到分布均匀状态。煤样最终的含水率wu为

(2)

(6)重复步骤(2)～(5)，可成功制取不同含水率的煤样。制作好的不同含水率煤样如图1所示。

图1 试验所用型煤煤样Fig.1 Briquette samples for testing

试验所用的设备为自主设计研发的三轴煤岩瓦斯渗流试验系统(图2)。试验系统主要由贮气瓶、煤样夹持器、恒温水浴、手动加压泵、精密压力表和数字流量计等组成。主要性能参数：围压范围0～50MPa，精度±0.1MPa；轴压范围为0～70MPa，精度±0.1MPa；孔隙气压范围为0～15MPa，精度±0.05MPa；煤样温度范围为室温～80℃，精度±0.1℃；气体流量监测精度为0～500mL/min，精度±2mL/min。

图2 试验系统示意Fig.2 The experiment system schemes

1.2 试验原理

根据前人研究结果，瓦斯在煤层中的流动符合达西定律，则含瓦斯煤渗透率的计算公式为

(3)

式中，K为渗透率，10-15m2；Q0为气体流量，cm3/s；p0为大气压力，Pa；μ为气体动力黏性系数，Pa·s，40℃时μ=1.1502×10-5Pa·s；L为试件长度，cm；p1为进口气体压力，Pa；p2为出口气体压力，Pa；A为煤样横截面积，cm2。

1.3 试验方法和步骤

采用体积分数为99.99%的甲烷气体作为试验介质。为避免试验结果受温度影响，保证煤样和进入煤样的甲烷气体温度保持一致，将甲烷参考罐和煤样夹持器一起置于恒温水浴中。在恒温40℃条件下，利用试验系统考察不同含瓦斯煤在4个级别(0.2，0.4，0.6，0.8MPa)的瓦斯压力和6个级别(4，6，8，10，12，15MPa)的围压组合条件下的渗流特性。

具体试验步骤如下:

(1)利用恒温水浴将环境温度设定在40℃。取一制作好的特定含水率煤样，安装在煤样夹持器5中(图2)，关闭阀门14～16,19，打开阀门17和18，利用手动加压泵对煤样施加大于气体压力的预定围压后关闭阀门17以保持恒定的围压；同时在煤样轴向方向施加0.2MPa左右的轴压，以确保煤样的两端顶紧夹持器两端的压头，之后关闭阀门18保持轴压的恒定。

(2)打开阀门14，利用减压阀2，向瓦斯参考罐4中充入压力为p1的甲烷气体；待甲烷气体达到实验温度40℃时，打开阀门15和16，向煤样中通入压力为p1的甲烷气体，让煤样充分吸附甲烷气体8h以上；然后关闭阀门15，通过压力表10观察煤样吸附瓦斯的压力变化情况，如果压力下降，便打开阀门15补充瓦斯吸附压力，直至在10min内压力表10的读数不再降低，即认为煤样已达到吸附平衡。

(3)为保证煤样内部水分的不流失，不能对煤样进行抽真空操作。除水分外，煤样的孔隙和裂隙中还存在有一定量的空气。为排除空气的影响，确保煤样吸附的是纯甲烷气体，在渗流试验开始之前，进行了多次瓦斯吸附。具体做法是:当煤样达到第1次吸附平衡后，打开瓦斯出口，将煤样中的气体排出，同时测定排出气体的甲烷体积分数；气体排放结束后，关闭瓦斯出口阀门，再往煤样中充入压力p1的甲烷气体，煤样达到吸附平衡后，再次排放瓦斯气体，同时测定排出气体的甲烷体积分数；重复3次以上，直到煤样排放出气体的甲烷体积分数达到99%以上，此时煤样原始孔隙气体对试验结果的影响已经十分微小，可以认为煤样吸附甲烷气体达到平衡。

(4)煤样达到吸附平衡后，保持阀门14～16开通,以保证煤样进气端的瓦斯压力大小一直是p1，运行数字流量计软件，利用气体质量流量计8自动采集流量数据，打开阀门19，开始渗流试验。待出口端瓦斯气体流量稳定后，便可关闭瓦斯出口阀门19，然后改变围压或改变瓦斯压力，进行下一个试验条件下的瓦斯渗流试验。

(5)重复以上步骤直至所有载荷条件下的渗流试验顺利完成；上述试验过程中,对同一煤样步骤(3)只需进行一次，改变试验条件后不再重复进行孔隙气体置换步骤。

试验过程中要注意围压一定要大于气体压力以防止气体泄漏；改变围压条件后须待煤样结构稳定以后再记录数据，以减小试验误差；每次改变试验条件时，试验开始之前必须保证煤样达到吸附平衡。

2 结果和讨论

2.1 含瓦斯煤渗透率与围压的关系

在0.2和0.4MPa、固定含水率条件下(对同一煤样改变试验围压)，煤样渗透率随围压的变化趋势如图3所示。根据图3的试验数据，可得到不同试验条件下煤样渗透率与围压之间的拟合方程，见表2。

图3 恒定瓦斯压力条件下煤样渗透率与围压关系Fig.3 Relationship curves between permeability and confining pressure under constant gas pressure

由图3可知，在固定气体压力和含水率条件下，煤样渗透率随着围压的增大逐渐减小，且随着围压的逐渐增大，煤样渗透率的变化趋势逐渐减缓。出现这种情况的原因是随着围压的增大，煤样被压实压密，孔隙率变小，瓦斯气体通过煤样的难度增大。同时由表2可知，随着围压的增大，煤样渗透率呈负指数下降的变化规律，与前人的研究结果[19]一致。

表2不同瓦斯压力下煤样渗透率与含水率关系拟合表达式
Table2Fittingfunctionsofpermeabilityandconfiningpressureunderdifferentgaspressure

瓦斯压力/MPa含水率/%拟合曲线方程R21 52K=4 3242e-0 0664σ30 99480 23 66K=2 4256e-0 0785σ30 99535 36K=1 4647e-0 1019σ30 99171 52K=2 8629e-0 0519σ30 97390 43 25K=2 0167e-0 0783σ30 99855 41K=1 995e-0 18σ30 9937

2.2 含瓦斯煤渗透率与瓦斯压力的关系

在6和12MPa围压条件下，煤样渗透率随含水率变化的趋势，如图4所示。根据图4的试验数据，可得到不同试验条件下煤样渗透率与含水率之间的拟合方程，见表3。

图4 恒定围压条件下煤样渗透率与含水率关系Fig.4 Relationship curves between permeability and moisture content under confining pressure

为得到煤岩渗透率随瓦斯压力的变化规律，取3%含水率条件(图4中虚线位置)作为分析对象。根据渗透率与含水率关系的拟合表达式作图，从图5可以看出,在3%的含水率条件下，煤样渗透率与瓦斯压力之间存在着非线性关系。随着瓦斯压力的增大，煤样渗透率经历了一个先变小后增大的过程，最终形成“V”字型走势，具有明显的Klinkenberg效应。同时还发现煤样渗透率由逐渐变小到逐渐增大的拐点处瓦斯压力约为0.6 MPa，与前人的研究结果[20]基本一致。

表3恒定围压条件下煤样渗透率与含水率关系拟合表达式
Table3Fittingfunctionsofpermeabilityandmoisturecontentofcoalunderconfiningpressure

围压/MPa瓦斯压力/MPa拟合曲线方程R20 2K=4 9876e-0 3367w0 994660 4K=3 1682e-0 2836w0 99890 6K=2 8110e-0 3932w0 99860 8K=2 6054e-0 305w0 99610 2K=3 5503e-0 3887w0 9929120 4K=3 4159e-0 497w0 99360 6K=1 9107e-0 4755w0 99120 8K=1 7856e-0 3802w0 9969

图5 恒定3%含水率煤样渗透率与瓦斯压力关系Fig.5 Relationship curves between permeability and gas pressure under moisture content of 3%

2.3 含瓦斯煤渗透率与含水率的关系

在0.6和0.8MPa气体压力条件下，煤样渗透率随着含水率变化趋势如图6所示(图中相同含水率测试结果为同一煤样在不同围压条件下的测试数据)。利用图6中的试验数据，可得到不同试验条件下煤样渗透率与含水率之间的拟合方程，见表4。

由图4～6可知，不论在恒定围压还是在恒定瓦斯压力条件下，含瓦斯煤的渗透率均随着含水率的增加而降低，并且均符合指数变化规律(表3,4)。

以图4为例，在6 MPa的恒定围压和0.2MPa的瓦斯压力条件下，含水率从1.52%增至5.36%过程中，含瓦斯煤的渗透率从2.98×10-15m2降至0.79×10-15m2，降幅达73.5%；图8中，在0.6 MPa瓦斯压力和4MPa的围压条件下，含水率从1.45%增至4.54%过程中，含瓦斯煤的渗透率从1.82×10-15m2降至0.65×10-15m2，降幅达64.3%。显然，水分的存在大大制约了含瓦斯煤的渗透特性。水分的存在之所以能对含瓦斯煤的渗透性造成如此大的影响，主要是因为煤有很强的亲水性，随着含水率的增加，煤样中的水吸附在煤的表面，同时占据了煤样的孔隙，水进入多孔介质中，水优先进入大孔隙而跳过小孔隙[21]，从而导致了瓦斯渗流过程中的有效渗流通道变窄甚至完全闭合，而煤样的有效孔隙率是影响煤样渗透性的重要因素，所以煤样渗透率随着含水率的增大而降低。

图6 恒定瓦斯压力条件下煤样渗透率与含水率关系Fig.6 Relationship curves between permeability and moisture content under gas pressure

表4 恒定瓦斯压力条件下煤样渗透率与含水率关系拟合表达式Table 4 Fitting functions between permeability and moisture content of coal under fixed gas pressure

2.4 围压和瓦斯压力对不同含水率的含瓦斯煤渗透性的影响程度

由表3，4可知，不论恒定瓦斯压力改变围压，还是恒定围压改变瓦斯压力，随着含水率的增加，围压和瓦斯压力对含瓦斯渗透性的影响均符合“K=me-nw”(m，n为拟合系数)的指数变化规律。

在表3,4中，对拟合系数m分析可以得出围压和瓦斯压力对含瓦斯煤渗性的影响程度。系数m随围压和瓦斯压力的变化规律如图7所示。

图7 拟合系数m随围压和瓦斯压力的变化趋势Fig.7 Relationship curves between fitting coefficient m and confining pressure,gas pressure

为更直观地分析围压和瓦斯压力对含瓦斯煤渗透性的影响大小，在图7中均采用线性拟合方式，拟合结果见表5。

表5拟合系数m与围压和瓦斯压力的关系拟合表达式
Table5Fittingfunctionsbetweenthefittingcoe-fficientmandconfiningpressureandgaspressure

变量拟合曲线方程R2围压6MPam=-3 7519p+5 26900 7925围压12MPam=-3 3990p+4 36550 8593瓦斯压力0 6MPam=-0 1391σ3+3 65950 9564瓦斯压力0 8MPam=-0 1214σ3+3 30020 9935

由表5可知，瓦斯压力p系数的平均值为3.5754，围压σ3系数的平均值为0.1303，3.5754>0.1303，瓦斯压力对含瓦斯煤变化率的影响要大于围压的影响。导致产生这种现象的原因可能是试验过程中存在的瓦斯吸附解吸过程，因为在实际的煤层瓦斯渗流过程中也往往伴有瓦斯的吸附解吸。在原始瓦斯压力p的条件下，煤层瓦斯处于吸附解吸平衡的状态，从煤层中析出的瓦斯总流量大于单一的瓦斯渗流流量。

3 结 论

(1)随着围压的增大，煤样渗透率逐渐减小，且减小的趋势伴随围压的增大逐渐减弱，与围压呈负指数函数关系。

(2)不同含水率条件下的含瓦斯煤，随着瓦斯压力的增大，煤样渗透率先减小后增大，具有明显的Klinkenberg效应，整个变化曲线成“V”字型。

(3)煤样瓦斯的渗透率与含水率的关系不是简单的反相关线性关系，而是随着含水率的增加，通过煤样瓦斯的渗透率逐渐减小，减小的趋势随着含水率的增加逐渐降低，呈负指数函数关系。

(4)通过对围压和瓦斯压力在瓦斯渗流影响的分析可知，瓦斯压力对含瓦斯煤渗透率的影响要大于围压的影响。

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Experimentalstudyofmoisturecontentinfluencesonpermeabilityofcoalcontaininggas

WEI Jian-ping1,2，WEI Le1,2，WANG Deng-ke1,2

(1.StateKeyLaboratoryCultivationBaseforGasGeologyandGasControl(HenanPolytechnicUniversity)，Jiaozuo454003，China；2.SchoolofSafetyScienceandEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454003，China)

The relational expression between the moisture content and the permeability of coal containing gas was obtained through measuring the gas seepage flux under the combination of moisture,confining pressure and gas pressure by using a self-developed triaxial gas seepage testing system.Based on the experimental data of coal containing gas,some novel interaction results of seepage property influenced by moisture are obtained as follows:① For coal samples of different moisture content,the permeability of coal containing gas decreases with increasing of confining pressure under the fixed gas pressure condition;and the decreasing rule obeys an exponential law.② With the increasing in gas pressure,the permeability of coal samples decreases first and then increases,presenting a “V” style change trend and obvious Klinkenberg effect.③ The influence of gas pressure on the permeability of coal containing gas is greater than the effect of confining pressure.④ Moisture content has a significant effect on the permeability of coal containing gas under the constant temperature condition;and the permeability of coal containing gas slowly decreases with the increase in moisture content,following a negative exponential function law.

moisture content;permeability;coal containing gas;seepage characteristic

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0209

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2012CB723103)；国家自然科学基金资助项目(51104059)；教育部长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT1235)

魏建平(1971—)，男，河南遂平人，教授，博士。E-mail:weijianping@hpu.edu.cn

TD712

A

0253-9993(2014)01-0097-07

魏建平，位 乐，王登科.含水率对含瓦斯煤的渗流特性影响试验研究[J].煤炭学报,2014,39(1):97-103.

Wei Jianping,Wei Le，Wang Dengke.Experimental study of moisture content influences on permeability of coal containing gas[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):97-103.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0209