2种原煤样渗透性对比试验研究*

宫伟东，解学才，梁跃强，崔金雷

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院， 北京 100083)

0　引言

含瓦斯煤体渗透性演化规律对于瓦斯抽放、煤层气开发、煤与瓦斯突出防治具有重要意义[1]。我国众多学者对含瓦斯煤体的力学性质、煤样渗透率与围压或孔隙压力之间的变化关系等进行了系列研究[2-6]。许江等[7]探讨了地应力、孔隙压力、温度等因素对煤样渗透率的影响；孙培德[8]拟合出煤样渗透率随有效应力和孔隙压力变化的关系式；尹光志等[9]研究了加载条件下硬煤渗透率与有效应力的关系；魏建平等[10]对比分析了受载含瓦斯型煤与原煤2种煤样的渗透性之间的异同。由于构造煤原煤煤样制作困难，前人对构造煤渗透性的认识主要是来自型煤煤样的研究成果，但型煤与构造煤原煤样内部的孔裂隙结构存在差异，不能真实的描述构造煤的渗透性变化规律[11]，得出的结论对于构造煤发育矿井安全生产的指导作用不可预知；且之前的研究多是针对围压、孔隙压力及轴压加载过程对于煤样渗透性的影响，针对卸压过程中的研究比较少。基于此，笔者制取了构造煤与硬煤2种原煤样，使用三轴渗流装置进行渗透性试验，分别研究了围压、瓦斯压力对2种煤样渗透率的影响，并在恒定围压及瓦斯压力条件下，研究了2种煤样在轴压加载及卸载过程中的渗透率动态变化规律，为研究构造煤煤样的渗透性及构造煤发育煤层的瓦斯流动规律提供一种思路。

1　试验装置与试验方法

1.1　2种原煤样的制作

构造煤煤样取自登封市国投新登煤矿，构造煤煤样孔隙率范围为10%～12%，f值为0.4；硬煤煤样取自焦作方庄煤矿，硬煤煤样孔隙率范围为4%～5%，f值为1.2。2种原煤样的制作方法相同，构造煤煤样制取步骤：1)井下取得规则的构造煤大煤块；2)对构造煤煤块进行机械加工。

1)井下规则的大煤块的制取。用手锯在工作面将煤体锯成规则正方体，用铁框(尺寸为220 mm×220 mm×220 mm，如图1)罩住正方体煤块，煤块与铁框之间的间隙用聚氨酯填充，聚氨酯凝结后用手锯将煤块底部锯断并带至地面并蜡封。

2)对构造煤煤块进行机械加工。用钢丝锯将固态聚氨酯锯通，取下大煤块；将大煤块用钢丝锯切割成多个规格为45 mm×45 mm×100 mm的长方体煤样，用钢丝锯将长方体煤样打磨成类圆柱体，并用纱布打磨圆滑，选择一种合适的填充材料来将类圆柱体补充成标准煤样。填充材料应满足：①填充材料凝固基本不发生膨胀，在模具中凝固不能影响到煤样的原始孔裂隙结构；②凝固后要富有弹性，可以避免在加压时影响煤样的受力和煤样内部的孔隙分布，造成所测渗透率的不准确。在选用了橡胶、聚氨酯、硅酮酸性玻璃胶(下文用玻璃胶简称)等材料进行试验后，玻璃胶满足上述条件，浇筑制作的煤样成功率高。

3)加工一个内径为φ50 mm×130 mm的模具(如图2)，将类圆柱体煤样放进模具中，用玻璃胶将煤样补充成标准煤样(φ50 mm×100 mm)，每个煤样玻璃胶用量大概在15 ml，且玻璃胶凝固过程几乎不发生膨胀，因此对煤样原始孔裂隙结构影响较小；待玻璃胶凝固后将煤样推出晾干，将煤样底部、顶部的胶体打磨干净，标准的构造煤煤样制作成功，硬煤煤样采用同样的方法制作。

图2　不锈钢模具Fig.2　The stainless steel molds

图3　原煤煤样Fig.3　Raw coal sample

1.2　试验装置

本文所用三轴渗流装置(如图4)主要由瓦斯气体系统、应力加载系统、三轴渗透仪和流量采集分析系统4部分组成。瓦斯气体系统供给纯度为99.999%的瓦斯，并可调节通入瓦斯压力；应力加载系统是由液压泵分别给煤样加载轴压和围压，轴压范围为0～100 MPa，轴压精度为0.1 MPa，围压范围为0～60 MPa，围压精度为0.1 MPa；三轴渗透仪是固定煤样进行试验的场所；流量采集分析系统是采集试验系统出口的瓦斯流量，实验所用流量计型号为CS200-A型流量计，量程为0～500 sccm(sccm表示每分钟流过的标准毫升)，精度为±0.2%FS。

图4　三轴瓦斯渗透性试验装置示意Fig.4　The schematic diagram of the three-axis gas permeability experimental system device

1.3　试验步骤

选择瓦斯压力分别为0.2 MPa，0.4 MPa，0.6 MPa，围压为2 MPa，3 MPa，5 MPa的交叉对比试验，试验组合一共有3×3共9组，具体的试验步骤如下：

1)对试验装置进行气密性检验，确保试验数据的准确性。

2)将煤样放入橡胶套中，煤样侧面抹上密封胶，以防止气体从煤样与橡胶套之间流过，等密封胶晾干以后将橡胶套放入三轴渗透仪中的夹持器上，煤样两端用压头压好。连接瓦斯气罐，按试验方案对煤样进行加载围压，调节瓦斯压力，围压要大于瓦斯压力，再次检测试验装置的气密性，一切正常后使煤样充分吸附24 h。

3)打开出气阀，待瓦斯流量流出稳定后，按试验方案，进行轴压加载卸载试验。

2　试验结果分析

2.1　围压对瓦斯渗透性的影响

恒定瓦斯压力条件下，围压对2种原煤样渗透率的影响结果如图5所示。

图5　固定瓦斯压力下渗透率随围压的变化规律Fig.5　The law of permeability changes over confining pressure with the gas pressure fixed

恒定瓦斯压力状态下，2种原煤样的瓦斯渗透率都随围压的增大而减小。增加围压使渗透率减小的原因主要有：(1)增加围压将整个煤样煤体压密压实，使其内部原有孔隙裂隙闭合，阻塞了瓦斯流动通道；(2)在围压作用下，煤样被压实压密，煤体承受破坏变形能力增大，新的裂隙、孔隙难以形成。

在2～5 MPa围压范围内，2种煤样的渗透率变化量有一定的差别，构造煤煤样在围压从2 MPa增大到5 MPa的过程中，3种气体压力下渗透率分别减小了60%，69%，74%，而硬煤煤样渗透率减小量分别为31%，54%，65%，说明围压增大对构造煤渗透性的影响要大于其对硬煤原煤样的影响。煤体结构主要由微观孔隙和骨架结构组成，硬煤及构造煤内部都存在孔隙结构，但硬煤骨架结构强度比构造煤结构大，抵抗外界应力变形能力较构造煤强，这点从下文中图7破碎试验中也可以得出，因此围压增大导致硬煤煤样的变形量小于构造煤煤样，硬煤内部孔隙裂隙等瓦斯流动通道闭合程度小于构造煤煤样，导致其由围压增大引起的渗透率下降量比构造煤煤样小。

2.2　围压恒定瓦斯压力对瓦斯渗透性的影响

瓦斯压力对2种原煤样瓦斯渗透性的对比试验分析结果如图6所示。

图6　固定围压下渗透率随瓦斯压力的变化规律Fig.6　The law of Permeability changes over gas pressure with the confining pressure fixed

由图6可以看出，在围压固定及0.2～0.6 MPa的瓦斯压力范围内，2种原煤样的渗透率都随瓦斯压力的增大而减小，且2种原煤样渗透率在瓦斯压力从0.4～0.6 MPa的过程中的减小量在普遍小于0.2～0.4 MPa的减小量，主要是由于Klinkenberg效应所导致，即在本试验瓦斯压力范围内，2种原煤样瓦斯吸附过程占大部分，煤体吸附瓦斯导致其结构发生膨胀，在围压恒定的条件下煤体很难沿径向向外壁膨胀变形，因此煤体发生向内膨胀，使孔隙裂隙等通道发生一定程度的闭合，导致渗透率下降。而随瓦斯压力的继续增大，当煤体吸附瓦斯达到饱和状态后，游离瓦斯逐渐增多，Klinkenberg效应减弱，超过一定值时，较大的瓦斯压力成为控制煤样渗透率的主导因素，煤样的渗透率回升。不同的煤样，渗透率回升的临界瓦斯压力值不一样，李祥春等[15]和周世宁等[12]的研究结果是1 MPa(围压2.5 MPa)，孙培德[13]的研究结果是3 MPa(围压大于2.5 MPa)，在临界瓦斯压力值以下，煤样的渗透率随瓦斯压力的增大而减小，围压为4 MPa和5 MPa 时，在P<0.8 MPa时煤样有明显的Klinkenberg效应[14]。以上研究中，渗透率回升的瓦斯压力临界值集中在1 MPa左右，本次试验最大瓦斯压力0.6 MPa，围压在5 MPa以内，试验中2种煤样的渗透率均没有回升，说明瓦斯压力处于临界瓦斯压力之下；瓦斯压力越低，Klinkenberg效应越明显，造成渗透率0.4 MPa到0.6 MPa的过程中的减小量在普遍小于0.2 MPa到0.4 MPa的减小量。

3　轴压加载卸载过程中的瓦斯渗透性动态变化分析

3.1　构造煤与硬煤原煤样的承载应力极限测定

在加卸载轴压研究煤样的渗透率变化规律过程中，必须保证加载阶段煤样不发生破碎，因此要确定2种煤样能承受的极限轴向应力。围压增大，煤样强度增大；瓦斯压力升高，煤体强度减小，围压对煤样强度的影响远大于瓦斯压力的影响，因此本次试验忽略瓦斯压力影响，只考虑围压的影响，故采用围压2 MPa，瓦斯压力0.2 MPa的条件下测试2种煤样所能承受的极限轴向应力，试验结果如图7所示。

图7　2种煤样渗透率-轴压试验结果Fig.7　The permeability-axial pressure experiment results of two coal samples

由图7可以得出，构造煤与硬煤煤样分别在应力达到17 MPa和28 MPa时，渗透率突然增大，此时煤样已经破裂，因此构造煤煤样的极限轴向应力约为17 MPa，硬煤煤样所能承受的极限轴向应力约为28 MPa，构造煤破碎所需的应力远小于硬煤，煤体破碎是发生突出的前提，这说明了构造煤容易发生突出事故的原因。在试验中为了保持煤样不发生破碎，将构造煤和硬煤煤样加载的轴压最大值分别设为16 MPa和26 MPa。

3.2　2种煤样的加载卸载过程中的渗透性变化对比分析

根据已经测定的煤样所能承受的极限应力，对2种煤样进行轴压加载卸载试验，根据试验结果绘制9组轴压-渗透率曲线，从中选取了2组具有代表性的试验结果，如图8所示。

图8　轴压变化对2种煤样渗透率的影响Fig.8　The influence of changing axial pressure on permeability of two coal samples

从图8可以得出：

1)在轴压加载阶段，2种煤样渗透率总体趋势都是随轴压增大渗透率减小，构造煤渗透率减少量在85%～89%，而硬煤渗透率减少量在72%～77%，整个过程构造煤煤样渗透率减少量要更大。

2)根据煤样渗透率变化趋势，将加载阶段分为初期、中期及后期3个阶段。加载初期，构造煤渗透率减小速率较硬煤小。构造煤内部存在大量的孔隙裂隙结构，且构造煤在形成过程中受到不同方向应力的挤压、揉搓及破碎等作用，层理紊乱，其内部一部分孔裂隙结构在原始条件下并不相通，即瓦斯不能在这部分结构中流通。加载初期的轴向应力导致构造煤煤样内部并不相通的一部分孔隙结构发生了滑移、错位，使得这些孔隙结构互相连通，该效应抵消了一部分由于应力作用导致的渗透率减小，因此构造煤煤样在轴向应力加载初期渗透率减小速率较硬煤煤样小；而硬煤内部结构致密，层理清晰一致，原始裂隙孔隙结构中出现孔隙裂隙结构不相通的比例远小于构造煤，因此硬煤煤样的渗透率随轴压的增大而一直减小，且减小速率远大于构造煤煤样。加载中期2种煤样的渗透率都随轴压增大而减小，构造煤煤样由于轴压的进一步加载，渗透率较小速率比初期稍微有所增大，而硬煤的渗透率减小速率较加载初期有所降低；加载后期2种煤样渗透率较小速率低于加载中期，曲线最为平缓。

3)在卸载过程中，2种原煤样渗透率都随轴压的减小不断增大，但直至轴压卸载至0 MPa，2种煤样渗透率均没有完全恢复到加载前的状态。由图8可以看出，构造煤原煤样和硬煤原煤样渗透率分别恢复到应力加载前25%左右及45%左右，即硬煤原煤样渗透率的恢复率大于构造煤原煤样。在轴压加载过程中，2种煤样内部既发生弹性破坏，也有塑性破坏，2种破坏均使煤样内部孔裂隙结构都发生部分闭合，但弹性破坏闭合的孔隙裂隙结构在应力卸载后能重新恢复，而塑性破坏引起的孔隙裂隙闭合是不能恢复的永久性闭合，因此2种煤样在应力卸载后渗透率均没有恢复到加载前的初始值；且由于构造煤煤样在加载过程中发生的塑性破坏比例大于硬煤煤样，因此在轴压卸载后，其渗透率恢复程度远小于硬煤。

4　结论

1)在围压为2～5 MPa的范围内及恒定瓦斯压力的试验条件下，2种煤样的瓦斯渗透率都随围压的增大而减小，但硬煤抵抗外界应力变形能力较构造煤强，导致硬煤由围压增大引起的渗透率减小量比构造煤煤样小；在0.2～0.6 MPa的瓦斯压力及恒定围压的试验条件下，由于Klinkenberg效应的影响，2种煤样的瓦斯渗透率均随瓦斯压力的增大而减小。

2)保持瓦斯压力及围压恒定，在构造煤及硬煤煤样最大加载轴压分别为16 MPa及26 MPa的试验条件下，2种煤样渗透率都随轴压的增大而减小。加载初期，构造煤煤样渗透率减少速率较硬煤缓慢；加载中期2种煤样的渗透率均随轴压增大而减小，构造煤煤样渗透率较小速率比初期稍微有所增大，而硬煤煤样较加载初期有所降低；加载后期2种煤样渗透率减小速率低于加载初期和中期，渗透率曲线最为平缓。

3)在轴压卸载阶段，保持瓦斯压力及围压恒定，2种原煤样均从各自的最大加载轴压开始卸载，2种煤样渗透率都随轴压的减小而增大，但2种煤样渗透率都没有恢复到原始渗透率，说明2种煤样内部孔裂隙结构均发生了永久性损伤；构造煤煤样渗透率恢复程度小于硬煤，说明构造煤煤样在加载过程中发生塑性破坏比例要大于硬煤煤样。

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