煤层透气性系数测定方法优化★

宋　译　蔡　璐　谭正华

(1．湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭　411201; 2．湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭　411201;3．湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭　411105)



煤层透气性系数测定方法优化★

宋译1，2蔡璐1谭正华3

(1．湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭411201; 2．湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭411201;3．湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭411105)

摘要:针对实验室测定传统煤样透气性系数方法上存在的问题，优化设计了一种不规则块状原煤试件渗透试验装置，通过实验，分析了其测定煤层透气性系数的准确程度，指出改良后的测定方法保证了原煤特有的理化特质，其测定结果的精确度更高。

关键词:煤层，透气性，实验装置，酚醛树脂

随着改革开放和国民经济的快速发展，社会的不断进步，工业生产对能源的需求量越来越多。在我国一次能源构成中，煤炭依靠其储量大，易采取等优越性，显得尤为重要。20世纪90年代至今的大量开采，致使煤炭开采深度不断增加，煤与瓦斯突出事故也出现多次，在煤矿事故中越发凸显。与此同时，煤与瓦斯突出事故造成的后果又往往是惨痛的，会造成巨大的财产损失以及人员伤亡。所以，瓦斯的防治与治理已经成为许多高瓦斯矿井安全防治工作的主要对象。在瓦斯防治与治理的方法中，预抽煤层瓦斯是一个重要方法，其瓦斯抽采效果主要评价指标是煤层透气性系数，同时该指标也是煤层突出危险性的一个重要指标［1，2］。所以，如何准确地测定煤层透气性系数具有非常重要的意义。目前阶段，测定煤层透气性系数的方法分为现场和实验室测定。在工程应用中采用的数据要求是通过现场测定才能确定，大多采用径向钻孔流量法来进行测定，之所以不采用实验室方法来测定，主要由于煤层本身是非均质各向异性介质，在目前的实验室条件下很难模拟井下的实际情况，往往测定出来的结果和现场测定结果相差几十倍甚至上百倍，另外现场实际测定结果往往也只能反映局部情况，费工费时［3-6］。因此，如何去发现一种实验室即可准确计算出稳定数值的方法对于煤矿安全生产和降低成本有着重要的意义。本文将对煤层透气性系数的计算进行理论分析，对现有的实验室不加围压时的煤样透气性系数的测定方法进行探讨，以期解决其中存在的问题和不足之处，给出科研工作需要的准确优化方法。

1　传统煤样透气性系数的实验室测定方法及其存在的问题

从需要测定的煤层中随机捡取若干煤样，然后在实验室中将煤样制成一定规格的试样，放入与之两端面相仿的夹具中。为了使煤样和夹具壁之间密切接触不漏气，一般外加一个胶皮套或硅橡胶务使其不漏气，然后放在特制的仪器中，测定在一定的压差中，通过煤样的瓦斯流量。

根据煤样的几何尺寸，两端压差的大小和流量，利用达西定律计算其透气性系数。其实验装置如图1所示。

测定方法为:在测定过程中先保持入口压力Pk和出口压力Pr不变的情况下，记录下此进气压力情况下煤样的流量Q。此时煤样中稳定流动的瓦斯符合达西定律;我们假设煤样均质，同时实验过程没有任何漏气，则有:

其中，Q为流量计流量，m/d;F为煤样的截面面积，m;L为煤样长度，m;Pk为入口压力即煤层瓦斯压力，MPa;Pr为出口压力即大气压力，MPa;K为煤样渗透率，1×10-15m2;λ为透气性系数，m2/(MPa·d);μ为流过气体绝对粘度，10-4Pa·s;U为流过煤样流速，cm/s;j为单位换算系数;Pat为煤样中的瓦斯压力，MPa;1 mD=8．4 m2/(MPa·d)=42 m2/(MPa2·d)。

图1　实验装置示意图

当对同一个煤层的若干煤样进行测定计算后，取平均值作为该煤层的透气性系数。

但是用以上实验方法测定的煤样透气性系数与现场测定值误差较大，结合前人在理论和实验的研究，分析误差的出现主要是由于以下几点原因:1)预测公式是基于达西定律的线性渗透模型，而其又与实际煤层环境有一定差异。2)煤样中瓦斯流动的通道除了经过煤体本身的微孔隙外，煤层中节理裂隙起着很重要的作用，在实验室对于软煤需要打碎后重新压制成型煤，这就改变了煤原有的裂隙节理。另外，原煤煤样与型煤煤样之间变形程度及其峰值强度在数量上也存在很大差异，并不能很好的反映原煤的渗透特性，因此实际情况中煤层的渗透性实验室无法准确反映。3)在制作煤样的过程中，煤样受到外界环境的影响，失去原有的有效应力作用，可能产生新的裂隙或使原有裂隙加大，此外，取样一般在煤层的暴露面上采集，而在暴露面上的煤都是经过矿山压力破坏后的煤体，所以其透气性显然与原始煤层中有所不同。另外传统实验方法对于规则原煤试件的制取还会遇到一些别的问题，例如，试样夹具很难将其夹持住，保证不从夹具处漏气，从而影响测定结果;对于强度小、易破碎的煤岩块体，由于煤岩块体只受加持力，所受外力不均衡，再加上气压的作用，在实验的过程中随着气压的增大容易受到损伤而破碎，从而影响测定结果。

2　优化设计

针对传统煤样透气性系数实验室测定方法存在的问题，优化设计主要是设计一种不规则块状原煤试件渗透试验装置，利用酚醛树脂将不规则煤块浇筑成透明、可承受一定压力的规则试件，可实现原煤渗透试验，理论上对于测定结果的准确性会有较大的提高，优化后的实验装置如图2所示。

图2　优化后实验装备示意图

3　实验分析

根据上述优化设计制备试样、搭建实验平台、采集实验数据并对其进行计算分析，最后对优化后的设计进行评估。

1)试件制备。采用取自河南义安煤矿11061工作面的软煤煤样。该煤层煤样强度低、脆性大、含水量低，且煤样有明显的层状节理裂隙方向，如表1所示。

表1　试件图样表

首先把煤样加工成若干块长宽高约为100 mm～150 mm的立方体原煤煤块，然后用透明树脂浇筑原煤煤样形成200 mm× 200 mm×200 mm的原煤包裹体试件，如图3所示。把在煤块层状节理裂隙方向呈水平方向的试件两个面上钻φ14 mm孔直至煤样10 mm深的位置。

图3　原煤包裹体试件

2)实验平台的搭建。考虑到试验安全性的有关原则，本试验之中采用的试验气体是氮气，规格为40 L瓶装高压氮气，加装减压阀以此来控制出气压力，形成了气压加载系统;试验的出气流量监测，采用的是北京七星华创电子股份有限公司生产的型号为D08-8CM流量积算仪。实验平台如图4所示。

3)实验内容。进行氮气渗透试验，根据现场数据收集得到的相关参数，取样煤层的瓦斯压力为0．4 MPa～0．45 MPa，根据现场实际测量的煤层透气性系数0．781 m2/(MPa·d)。所以，实验设定渗透气压分别为0．4 MPa，待进气气压稳定至预设值后，读取稳定的流量积算仪读数。根据渗透率计算公式测得三块煤样在0．4 MPa进气压力时的渗透率。

其中，K为渗透率，mD;Q0为渗透量，cm3/s;μ为气体动力粘性系数，其值为1．08×10-5Pa·s;A为试样的截面面积，cm2;P0为测点大气压力，Pa;P1为进口气体压力，Pa;P2为出口气体压力，Pa。

结合本实验，可以认为P0=P2为一个标准大气压力。

4)测定结果。根据实验内容测得的三块煤样在0．4 MPa进气压力时的渗透率，如表2所示。

表2　煤样的渗透率测定结果

5)结果计算分析。式(1)中μ值由于实验采用的是N2，实验温度为20℃时氮气的绝对粘度为17．58×10-4Pa·s。

根据现场资料，取样煤层的瓦斯压力为0．4 MPa～0．45 MPa，实验过程中，当进气压力为0．4 MPa时，测得的渗透率和20℃时氮气绝对粘度代入λ=可以得到试件的透气性系数，得到试件A的透气性系数为0．926 m2/(MPa·d)、试件B的透气性系数0．883 m2/(MPa·d)、试件C的透气性系数0．584 m2/(MPa·d)，取其三个煤样的平均值0．797 m2/(MPa·d)。

根据现场实际测量的煤层透气性系数0．781 m2/(MPa·d)，实验室测量的结果与实际测量的结果仅相差0．016 m2/(MPa·d)，准确度上有了很大的提高。

4　结语

在深入讨论现有传统煤样透气性实验室测定方法的基础上，针对其进行实验装置的改良。新的实验装备具备原有方法所不具备的效果:

1)经不饱和酚醛树脂加工出的试件，能最大程度保持原煤岩块体的原有裂隙和节理，该方法简单，加工方法容易操作，且试模可以重复使用，具有很强的实用性。2)因为酚醛树脂具有很强的抗压力，可间接给煤岩施加不同方向的应力，方便研究不同应力状态下原煤的渗透变化规律。3)酚醛树脂成型后，具有良好的可视性，可以在实验过程中观察煤岩的变化。4)实验装置从进气到出气均紧密连接，在较大的进气压力情况下，可以保证不出现漏气情况，有效的保证了实验数据的真实准确，也使得测定结果更加真实可靠，稳定性强。5)根据义安矿原煤煤样进行的实验，实验室测量的结果与实际测量的结果仅相差0．016 m2/(MPa·d)，准确度上有了明显的提高。6)这种透气性系数测定方法仍旧存在煤样本身与煤层有差别，同时，没有考虑模拟地应力的作用，也为今后的研究指明了方向。

参考文献:

［1］李建敏．煤与瓦斯突出防治技术手册［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2006:80-90．

［2］刘明举，何学秋．煤层透气性系数的优化计算方法［J］．煤炭学报，2004，29(1):74-77．

［3］胡殿明，林柏泉．煤层瓦斯赋存规律及防治技术［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2006:100-109．

［4］冯增朝．低渗透煤层瓦斯抽放理论与应用研究［D］．太原:太原理工大学，2005．

［5］余楚新，鲜学福，谭学术．煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程的研究［J］．重庆大学学报，1989，12(5):1-10．

［6］贾文青，刘宁华．煤层瓦斯压力的测定及分析［J］．山西煤炭，2011，31(10):22-24．

Optimization of determination method about permeability coefficient of coal seam★

Song Yi1，2Cai Lu1Tan Zhenghua3
(1．School of Energy and Safety Engineerring，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China; 2．Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China; 3．Information Engineering College，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China)

Abstract:According to some problems in the measuring methods of the traditional coal sample permeability coefficient，the paper optimizes the trial permeability test equipment for some irregular coal，analyzes the accuracy of the measurement for the seam permeability coefficient，and points out the improved method can ensure the physiochemical property of the former coal，and indicates the result has higher accuracy．

Key words:coal seam，permeability，experiment equipment，phenolic resin

作者简介:宋译(1979-)，女，硕士，讲师

收稿日期:2015-10-24★:湖南省自然科学基金资助项目(项目编号:2015JJ4023，14JJ3077);湖南省教育厅项目资助项目(项目编号:13C308，13C917);河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室开放基金(项目编号:WS2013A07);煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金资助项目(项目编号:201005)

文章编号:1009-6825(2016)01-0068-03

中图分类号:TD823．2

文献标识码:A