卸压边界区径向瓦斯渗流特性试验研究

刘 震,李增华，杨永良，杨继超，季淮君

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

卸压边界区径向瓦斯渗流特性试验研究

刘 震1，2,李增华1，2，杨永良1，2，杨继超1，2，季淮君1，2

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

以淮北青东煤矿8号突出煤层煤样为研究对象，利用自行研制的径向瓦斯渗流实验系统，结合保护层卸压边界区地应力及瓦斯压力分布特征，进行变轴压、变瓦斯压力、变钻孔孔径条件下突出煤样径向瓦斯渗流试验。试验结果表明：相同轴压下，径向瓦斯渗流量随瓦斯压力增加而增加，成二次多项式关系，渗透率随瓦斯压力增加，在0～0.6 MPa内迅速降低，随后缓慢下降，并趋于稳定；相同瓦斯压力下，渗透率随覆压增加呈线性递减趋势；受钻孔卸压影响，在低轴压阶段，大孔径松软低强度试样渗透率显著高于小孔径试样的渗透率，随轴压增加，两者渗透率逐渐趋于一致。

渗流流量；渗透率；瓦斯压力；轴压；钻孔孔径

开采保护层作为优先选择的区域防突措施被广泛应用于我国突出煤层防突工作中。保护层开采效果及范围考察是保护层开采防突工作的重要内容之一，《防治煤与瓦斯突出规定》中要求采用瓦斯压力、含量、顶底板位移量指标，结合透气性系数变化率等指标进行保护效果检验。各指标尤其是透气性系数变化率均是通过钻孔方式来实现保护层卸压效果的考察。因此，需要研究保护层卸压区尤其是边界区域钻孔径向瓦斯渗流特性。国内外针对煤层瓦斯渗流特性及影响因素开展了大量的研究工作。周世宁和林柏泉[1-2]研究了地应力、瓦斯压力对煤样渗透率及变形的影响规律；孙培德[3]研究了变形过程中煤样渗透率的变化规律；谭世福[4]、隆清明[5]分别研究了吸附作用对煤体瓦斯渗流特性的影响；尹光志[6-7]、曹树刚[8]、胡雄等[9]分别研究了地应力、瓦斯压力对突出型煤和原煤渗流的影响；王光荣[10]、朱卓慧[11]、李东印[12]、蒋长宝等[13]分别研究了不同应力条件煤体变形及瓦斯渗流特性；S.Harpalani等[14]进行了煤的常规渗透率实验研究；J.R.E.Enever等[15]研究了渗透率与有效应力的关系。以上学者多以单向稳态渗流为基础，研究地应力和瓦斯压力对煤体瓦斯渗流特性的影响，而对现场以钻孔为主导防突措施的径向渗流特性的试验研究较少。

笔者利用自行研制的瓦斯径向渗流试验系统，以淮北青东煤矿被保护8煤层卸压边界区域瓦斯赋存特征为背景，进行了不同覆压、瓦斯压力条件下钻孔径向瓦斯渗流试验，对研究卸压边界区瓦斯渗流特性及通过钻孔瓦斯涌出规律确定保护层开采效果及范围提供基础理论依据。

1 试验设备及方法

1.1 试验样品

试验样品取自安徽省淮北市青东煤矿828工作面，为上部726工作面的被保护工作面。现场测定了726工作面回采后，下部被保护煤层理论卸压线区域的瓦斯压力，其分布特征为：由卸压区残余瓦斯压力0.4MPa逐渐过渡至1.0MPa瓦斯压力，卸压区煤层透气系数比未卸压区扩大了70倍，现场采集了卸压边界区煤样，煤样采集标高为-585m，通过观测发现煤体疏松、呈颗粒状、无节理，易捻成粉末，因而无法采集到块状煤样，采集松散煤体密封送至实验室。测定煤体坚固性系数f为0.15，判定煤体破坏类型达到Ⅳ类，实测8煤层原始瓦斯压力最大为1.61MPa，为松软低透强突出煤层。其工业分析见表1。

表1煤样的工业分析值
Table1Industrialanalysisofcoalsample

煤样Ad/%Mad/%Vdaf/%真密度/(g·cm-3)青东8煤29 251 2826 061 46

1.2 试验系统及测试原理

试验系统如图1所示，主要包括：电加热恒温系统、高压罐体、覆压加载系统、瓦斯压力及流量检测系统、数据采集系统、抽真空及稳压注气系统。

图1 径向渗流试验系统Fig.1 Test system of radial gas flow

在正常压力范围内，煤体内瓦斯流动状态属于层流运动，符合达西渗透定律，根据平面径向稳态渗流规律，得到实验室测定煤样渗透率的计算公式为

(1)

式中，K为煤样的渗透率，10-15m；μ为瓦斯的黏度系数，20℃时取为1.087×10-5Pa·s；p0为试验室的大气压力，Pa；Q0为气体流量，mL/s；pw，pe分别为内外边界压力，MPa；rw，re分别为内外边界半径，cm；h为煤层厚度，cm。

1.3 试验过程

试验采用浓度为99.99%的甲烷气体。因煤体极度松软，以原煤筛分粒径0～0.5mm煤样装入高压罐体，启动连接密封活塞的压力机进行覆压加载。结合现场钻孔径向渗流实际情况，距离钻孔较远处应力、应变均处于原始状态，为减小尺寸效应及钻孔轴向渗流的影响，应保证试样尺寸明显大于钻孔孔径，试验选择大尺寸平板试样(φ140mm×35mm)，渗气花管模拟钻孔，尺寸为φ7 mm，渗气花管上安设套管(在研究钻孔卸压影响时才安设套管)。通过渗透圆管管壁对试样径向应变予以固定约束，施加轴压模拟上覆岩层压力。数据采集系统中压力变送器用来实时记录煤样外边界瓦斯压力，涡轮流量计及集气装置用来测试钻孔瓦斯涌出流量。具体试验步骤如下：

(1)称取0.90kg煤样装入高压罐体，启动连接密封活塞的压力机，施加12MPa原始覆压。

(2)参照煤炭行业标准“煤的甲烷吸附量测定方法”(高压容量法)MT/T752-1997，设定电加热恒温垫温度为60℃，开启真空泵，进行长时间脱气(8h)。

(3)设定电加热恒温垫温度为30℃，打开瓦斯钢瓶和稳压阀，使甲烷进入高压罐体，并通过渗透圆管进入试验煤体中，试验煤体进行长时间等温吸附(24h)。

(4)开启数据采集系统，将轴压和瓦斯压力调节为设定值，吸附瓦斯4h后，打开渗气花管和流量计之间的阀门进行瓦斯释放，释放20min待瓦斯流量稳定后，记录数据采集系统中的流量测试结果。

(5)改变覆压和瓦斯压力试验值，重复进行上述试验步骤(4)，试验覆压选择依据为青东煤矿上保护层开采卸压边界区地应力分布特性数值模拟结果[16]，试验瓦斯压力选择依据为现场实测结果，覆压为4，8，10，12MPa，瓦斯压力为0.2～2.0MPa。

2 试验结果及分析

2.1 瓦斯压力对径向渗流特性的影响

根据试验测试结果，得出4种覆压条件下，突出煤样径向瓦斯渗流流量与瓦斯压力关系，对试验结果做进一步处理，拟合出4种覆压条件下试样径向瓦斯渗流流量与瓦斯压力的关系，如图2所示，瓦斯渗流流量v与瓦斯压力p的拟合公式见式(2)。

(2)

图2 渗流流量与瓦斯压力的关系及拟合曲线Fig.2 Relationship and fitting curves of gas seepage velocity and gas pressure

由图2可知，4种不同覆压条件下，突出煤样径向瓦斯渗流流量均随瓦斯压力的增加而增大。径向瓦斯渗流流量与瓦斯压力之间存在二次多项式关系，与其他学者通过单向渗流试验得出的结果一致[10]。

由图2和式(2)可知，在低压范围内，瓦斯渗流流量增加缓慢，随着瓦斯压力升高，煤样瓦斯渗流流量增量逐渐增大。每条拟合曲线在各瓦斯压力点处的切线斜率，可以表征瓦斯渗流流量与瓦斯压力在该点处增量比的极限。瓦斯渗流流量在瓦斯压力为0.4,0.7,1.0MPa点处增量比的极限分别为61.2,118.9,163.0mL/(s·MPa)(4MPa覆压)；47.1,69.0,85.7 mL/(s·MPa)(8MPa覆压)；26.3,55.0,76.9mL/(s·MPa)(10MPa覆压)；20.4,41.3,57.3 mL/(s·MPa)(12MPa覆压)。

由试验数据，根据式(1)可计算出4种覆压条件下，突出煤样渗透率与瓦斯压力关系曲线，如图3所示。

图3 渗透率与瓦斯压力的关系曲线Fig.3 Relationship curves of permeability and gas pressure

由图3可知，4种覆压条件下，突出煤样径向瓦斯渗流得出的渗透率随瓦斯压力增加呈递减趋势，最终趋于稳定。低瓦斯压力阶段(0～0.6 MPa)，渗透率下降速率大，符合Klinbengerg效应[17]中低瓦斯压力阶段的瓦斯渗流特性，但随着瓦斯压力的继续增加，试验的突出煤体渗透率趋于稳定，不同于单向渗流试验得出的渗透率随瓦斯压力的增加呈现“V”字形变化[10]。究其原因可能是，突出煤样为筛分的小粒径煤粒经压制而成，径向渗流中试样仅受轴压作用，径向应变被渗透圆管固定约束，煤样内部结构均匀，裂隙不够发育，主要渗流通道为中孔、大孔(该试验条件与深部高破坏程度、松软煤层的瓦斯渗流条件相似，而该类煤层突出危险性相对较高)。煤吸附瓦斯后发生膨胀变形，受轴压及径向约束，煤样体积不变，占主要瓦斯吸附量的微孔结构发生膨胀变形后必然向内挤压中孔和大孔，导致有效渗流通道断面减小；随着瓦斯压力增加，中孔和大孔表面吸附的瓦斯量增加，吸附层增厚，占据孔道面积增大，构成渗透的通道断面缩小。因此随着瓦斯压力的增加，煤体微孔、中孔、大孔吸附瓦斯量均增加，受微孔膨胀变形、吸附层增厚的影响，有效渗流通道逐渐减小，渗透率逐渐降低；但随着瓦斯压力增大，孔隙中吸附态瓦斯增量衰减，微孔膨胀变形、吸附层增厚效应逐渐减弱，因而渗透率逐渐趋于稳定。

2.2 地应力对径向渗流特性的影响

根据试验测试结果，选择0.40,0.74,1.00MPa三种瓦斯压力条件进行分析，图4给出煤样渗透率与覆压的关系。

图4 渗透率与覆压的关系曲线Fig.4 Relationship curves of permeability and overburden pressure

由图4可知，相同瓦斯压力条件下，随着覆压的加载，突出煤样渗透率随轴压增加而递减，呈线性关系，径向瓦斯渗流速度受覆压影响敏感。试验结果不同于渗流速度-轴压曲线的一般模式[8]，主要是由试验条件所决定。本文试验条件下，试样主要产生轴向压密变形，覆压加载过程中试样经历弹塑性变形，受径向固定约束，试样不会产生剪切屈服和拉伸破坏，因而不会产生剪张裂隙和拉张裂隙，故不存在渗透率突然增加的趋势。随着埋深增加，煤体破坏程度较高的松软煤层渗透率逐渐降低，研究结果符合原始煤层瓦斯渗透特性。受采掘活动和地质构造运动影响，原始煤层应力重新分布，应力不均衡造成的集中现象，使煤层渗透率骤减，该区域不利于高压瓦斯的运移，是发生煤与瓦斯突出的动力源。

2.3 钻孔孔径对径向渗流特性的影响

在未受采掘扰动影响时，煤体处于原始应力平衡状态。然而在钻孔施工过程后，应力平衡被破坏，钻孔周围煤体应力重新分布，并产生一定的变形。沿钻孔径向存在卸压区、应力集中区、原始应力区，且瓦斯压力会重新分布，引起钻孔影响区域的煤层渗透率发生改变，随着钻孔孔径增加，卸压区范围逐步扩大，钻孔影响区域的煤层等效渗透率发生改变。因现场直接测定煤层应力是很困难的，只能通过现场瓦斯渗流速度的变化规律，结合实验室测试钻孔卸压与煤层等效渗透的关系，反演出现场煤层应力及瓦斯赋存情况。

通过改变图1中套管的直径实现变孔径，具体通过改变试验步骤(1)实现，即预先将套管安设于渗气圆管上，套管与渗气圆管之间充填棉纱，然后称取0.90kg煤样装入高压罐体，启动连接密封活塞的压力机，施加12MPa原始覆压，稳定4h，退出密封活塞将套管取出，则内部形成钻孔的自由面，再次施加覆压，此时覆压由小至大，每进行一次覆压调整重复步骤(3)和(4)。试验套管外径φ18mm，套管内部渗气圆管直径为φ7 mm，得出两种孔径在不同轴压下渗透率与瓦斯压力的关系曲线及不同瓦斯压力条件下渗透率与轴压的关系曲线，分别如图5，6所示。

图5 变孔径条件下渗透率与瓦斯压力的关系曲线Fig.5 Relationship curves of permeability and gas pressure in different hole diameter

图6 变孔径条件下渗透率与覆压的关系Fig.6 Relationship curves of permeability and overburden pressure in different hole diameter

由图5可知，安设18mm套管所测渗透率随瓦斯压力的变化规律与不安设套管情况下一致，即渗透率随瓦斯压力增加呈递减趋势，并趋于稳定，在低轴压阶段，安设套管所测渗透率相对较高。由图6可知，安设套管后所测渗透率随覆压增加递减，4～8MPa轴压下，安设套管所测渗透率明显高于不安设套管时所测的渗透率，且随轴压的增加，两者渗透率差异性逐渐缩小；轴压高压10MPa后，两者渗透率随轴压的变化曲线出现重叠。

试验结果说明，随着钻孔孔径增加，钻孔周围煤体渗透率显著提高，但随着覆压的增加渗透率增加的趋势降低。其原因是：随着孔径增加，钻孔内部暴露自由面增加，加载覆压过程中，钻孔周围煤体经历了原始应力、集中应力、峰值应力、残余应力4个过程，集中应力与峰值应力在钻孔边界处产生的次生应力最大，进而造成煤体的剪切破坏，则该部分煤体覆压转移至邻近的外部煤体单元体中，外部煤体单元开始经历集中应力和峰值应力阶段，剪切破坏后的煤体在覆压作用下仍承受部分应力即残余应力，破坏后承受残余应力区域为该钻孔卸压区。受次生应力剪切破坏作用，煤体向孔洞方向发生膨胀变形，该变形主要是塑性变形；低强度松软煤体主要是蠕变，造成钻孔自由面逐渐缩小；高强度煤体当塑性变形高于极限变形时，发生塌孔等脆性破坏现象。本试验煤样为松软煤体，强度较低，主要发生蠕变变形。试验过程中，撤出套管后随着轴压增加，自由面周围煤体卸压区范围扩大，煤体渗透率普遍高于未安设套管所测渗透率；随着轴压增加，煤体蠕变造成自由面逐渐缩小，卸压范围增加趋势减弱，且卸压区煤体残余应力逐渐增加，则煤体渗透率逐渐趋近于未安设套管的情况；因本次试验安设套管孔径相对较小，影响卸压范围有限，当轴压高于10MPa后，套管附近煤体蠕变卸压作用远小于高轴压的增压作用，因而渗透率出现重叠现象。

以上研究结果在指导现场生产上可体现在两个方面：

(1)在低轴压下增加钻孔孔径可有效提高煤层渗透率，因此在卸压后的被保护层内施工大口径钻孔可以显著增加煤层渗透率，提高瓦斯抽采效果；

(2)在保护层效果及范围考察方面，因保护层开采后被保护煤层的卸压边界区域，煤层瓦斯压力由原始瓦斯压力逐渐过渡至残余瓦斯压力，地应力也由原始覆压过渡至卸压状态，通过在卸压边界区测定煤层瓦斯压力及煤层透气性系数变化，结合上述径向瓦斯渗流试验结果，可反演出卸压边界区应力分布规律，为保护层开采卸压效果和有效卸压边界的确定提供理论依据。

3 结 论

(1)试验研制的径向瓦斯渗流试验系统，可实现变覆压、变瓦斯压力、变钻孔孔径条件下径向稳态渗流试验，为研究现场钻孔周围煤体瓦斯渗流规律提供试验条件。

(2)径向瓦斯渗流试验结果表明，相同轴压下，径向瓦斯渗流速度随瓦斯压力增加而增加，呈二次多项式关系，渗透率随瓦斯压力增加，在0～0.6 MPa范围内迅速降低，随后缓慢下降，并趋于稳定；相同瓦斯压力下，渗透率随覆压呈线性递减趋势。

(3)受钻孔卸压影响，在低轴压阶段，松软低强度试样渗透率随钻孔孔径增加(7～18mm)显著增加，但随轴压继续增高，渗透率增加趋势减弱；轴压高压10MPa后，两者渗透率随轴压的变化曲线出现重叠。分析表明，主要是因为松软低强度试样随孔径增加，钻孔周围煤体在次生应力作用下发生剪切破坏，煤体向孔洞方向发生塑性蠕变，造成钻孔卸压，渗透率增大；同时随着轴压继续增大，钻孔卸压效果降低，渗透率增加趋势减弱。

(4)在指导现场实践方面，研究结果表明，在卸压后的被保护突出煤层内施工大口径钻孔可以显著增加煤层渗透率；同时通过现场测定卸压边界区域瓦斯压力和煤层透气性，结合瓦斯渗流试验结果，可反演出卸压边界区应力分布特征。

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Experimentalstudyofradialgasseepagecharacteristicsinstress-reliefboundaryarea

LIU Zhen1,2,LI Zeng-hua1,2,YANG Yong-liang1,2,YANG Ji-chao1,2,JI Huai-jun1,2

(1.FacultyofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology，Xuzhou221116，China;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)

Based on the coal samples of the outburst coal seam No.8of Qingdong Mine in Huaibei,with the distribution characteristics of ground stress and gas pressure in stress-relief boundary area,the experiment of outburst coal’s radial gas seepage was carried out under variable axial pressure,gas pressure and hole diameter by a self-developed test system of radial gas seepage.The experimental results show that the gas seepage flow increases with the increase of gas pressure under fixed axial pressure,and the relationship between gas seepage velocity and gas pressure can be described as quadratic polynomial function,the permeability of coal samples decreases rapidly with the increase of gas pressure in the range of 0-0.6 MPa,then decreases slowly with the developing of gas pressure and tends to be stable;the permeability of coal samples decreases linearly with the increase of axial pressure under fixed gas pressure;Affected by the borehole pressure relief,the permeability of soft and low strength coal samples with large diameter borehole is significantly higher than the coal samples with small diameter borehole in low axial pressure stage,both permeability gradually tends to be the same with the increase axial pressure.

gas seepage flow;permeability;gas pressure;axial pressure;hole diameter

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0244

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201200)

刘 震(1985—)，男，江苏沛县人，博士研究生。E-mail:liuzhen.cumt@163.com

TD713

A

0253-9993(2014)01-0104-06

刘 震,李增华，杨永良，等.卸压边界区径向瓦斯渗流特性试验研究[J].煤炭学报,2014,39(1):104-109.

Liu Zhen,Li Zenghua,Yang Yongliang,et al.Experimental study of radial gas seepage characteristics in stress-relief boundary area[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):104-109.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0244