潞安矿区煤层渗透率的各向异性特征实验研究*

牛丽飞,曹运兴,石 玢，张 震，贾天让

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 瓦斯地质研究所，河南 焦作 454000；3.河南理工大学 煤层气/瓦斯地质工程研究中心，河南 焦作 454000；4.中原经济区煤层/页岩气协同创新中心，河南 焦作 454000；5.河南省非常规能源地质与开发国际联合实验室，河南 焦作 454000)

0 引言

煤是一种疏松多孔介质，存在着大量的裂隙和层理，在很大程度上影响煤层变形和瓦斯渗流[1-2]。当开采煤层时，煤层中的裂隙和层理会发生改变，煤层中的应力重新分布，导致煤体变形，进而影响瓦斯的抽采[3-4]。

在有关煤体层理裂隙对煤体变形和渗透率影响方面，相关学者进行了大量的研究。煤体在变形方面，在应力作用方向上，煤体的变形具有显著的差异性，煤体的变形量沿应力作用方向呈现近似指数关系衰减的特征[5]，在改变轴压加载变形破坏中，煤体变形可分为压密、稳定发展、非稳定破裂发展和破裂后4个阶段；改变轴压加载前，煤体渗透率与轴压的加载速率呈负相关变化，中后期渗透率变化速率与轴压加载速率相关性不大[6]，而在循环加载过程中，煤样渗透率的变化趋势与应变累积量增速的变化趋势具有一致性[7-8]；煤体在渗透率方面，煤体结构各向异性对煤体渗透特性具有重要影响[9]，煤体平行层理(割理)方向渗透性高于垂直层理方向，造成这种现象的原因在于煤体中平行层理方向的裂隙度大于垂直层理方向[10]，并且渗透率随着有效应力的增大而呈负指数减小[11-13]。相关学者还建立了层理裂隙煤体渗透率与有效应力之间的理论模型[14]，有效应力与应变的关系[15]以及基于体积应变含瓦斯煤体渗透率模型[16]。

上述研究探究了层理对煤体渗透率的影响，但未具体描述不同层理方向煤体的变形，煤层在受到不同应力的作用时，平行层理和垂直层理方向会存在很大的差异，进而2个方向的渗透性也会存在较大差异。针对上述情况，本文对平行层理和垂直层理2个方向的原煤试样进行不同应力条件下的渗流实验。

1 样品及实验装置

1.1 样品准备

试验煤样选自山西潞安矿区常村煤矿山西组3号煤层2302掘进工作面，埋深500～562 m。按照《工程岩体试验方法标准GB/T 50266-99》，沿平行层理和垂直层理方向上将原煤样加工成φ50 mm×100 mm的圆柱体，煤样的煤质参数见表1，标准试件见图1。

表1 煤样的煤质参数Table 1 Coal quality parameters of coal sample

图1 实验煤样Fig.1 Experimental coal samples

1.2 实验设备

试验在河南理工大学瓦斯/煤层气地质工程研究中心进行，采用气相驱替增产实验系统，该系统主要由真空脱气系统、注气系统、温度控制系统、应力加载控制系统、气体组分分析系统和数据采集系统6部分组成，见图2。该装置可模拟围/轴压为0～40 MPa及注气压力0～40 MPa条件下的煤层渗透性、吸附及煤岩变形特性。

2 实验方法

本实验采用高纯度氮气代替甲烷气体，氮气注气恒定压力为2.0 MPa；轴压和围压初始压力均为4.0 MPa，以2.0 MPa的压力梯度加载至16.0 MPa，共计7个压力点，见表2。

表2 煤样实验方案Table 2 Experimental scheme of coal samples

按照下述步骤测试煤样在不同轴压和围压条件下，平行和垂直层理方向的应变和渗透率变化规律。

1)煤样为φ50 mm×100 mm煤柱，实验前将试件在真空干燥箱内(100 ℃)干燥12 h，用酒精把煤柱表面擦拭干净，再用502胶和玻璃胶把应变片粘贴到煤柱表面，保持垂直，不能交叉；使用工具测量煤体的长度，将粘贴好应变片的煤柱放入φ50 mm的夹持器中。

图2 煤层气相驱替增产实验装置Fig.2 Test device of gas phase displacement for increasing production of coal seam

2)对夹持器(含煤样)进行抽真空：打开真空泵抽真空不少于12 h，或者真空压力表示数为0.1 Pa时，完成抽真空。

3)把应变片的另一头与应变仪相连，对渗透率和应变进行监测。

4)根据实验设计，按照上述的轴压围压和注气压力进行设置，打开流量计，进行监测，直至渗透率稳定，进行下一项轴压和围压的设置。

3 渗透率实验结果与分析

3.1 实验结果

煤体在加载作用下，沿平行和垂直层理方向2个煤样的渗透率和应变实验结果分别见表3和表4。

表3 加载过程煤样渗透率Table 3 Permeability of coal samples during loading process

表4 加载过程煤样应变情况Table 4 Strain of coal samples during loading process

3.2 渗透率实验结果分析

根据表3渗透率实验结果，分别绘制加载过程中平行层理方向和垂直层理方向渗透率-有效应力演化特征曲线，如图3和表5所示。

表3和图3表明：煤样在加载过程中，平行和垂直层理方向煤样的渗透率均随有效应力的增加而不断减小，平行层理方向的渗透率从0.029 342 mD降至0.001 07 mD，垂直层理方向的渗透率从0.004 016 mD降至0.000 484 mD，有效应力是决定渗透率的重要因素。平行层理方向和垂直层理方向渗透率与有效应力的变化趋势是相似的，加载初期渗透率的减少量最大，后期随着有效应力的增加渗透率逐渐趋于平缓。原因在于在加载初期，内部裂隙容易受压缩闭合，渗透率的下降较为急剧；后期已受压缩的裂隙难以进一步压缩闭合，渗透率下降趋于平缓。平行层理方向渗透率的下降幅度最大，且始终大于垂直层理方向，可推断平行层理方向的裂隙度[13]大于垂直层理方向的。因此，煤层进行瓦斯抽放时，钻孔应尽量沿着平行层理方向布置，以提高瓦斯抽放效果。

图3 煤样加载过程渗透率变化特征Fig.3 Characteristics of permeability change during loading process of coal samples

层理拟合结果R2平行Y=0.285xexp(-2.036)0.999 25垂直Y=0.002 3xexp(-1.582)0.982 68

3.3 不同层理应变增加量与渗透率变化关系

加载过程中平行层理方向与垂直层理方向的应变增加量与渗透率的变化关系，如图4所示。

实验煤样的渗透率反映轴向方向的裂隙结构特征，实验过程中渗透率主要受径向方向变形的影响。由表4和图4可知，随着加载，径向方向应变增加量不断减小，累积应变量不断增加，渗透率不断减小，渗透率与应变增量呈正相关性，平行层理方向的正相关性更明显，主要是由于平行层理方向的裂隙度大，相同压力条件下，平行层理的径向应变量大于垂直层理，这也表明了煤体渗透率各项异性受煤层不同方向孔隙结构和有效应力大小控制。

图4 不同层理应变增加量与渗透率的关系Fig.4 Relationship between increment of strain under different bedding and permeability

4 煤样变形特征实验结果与分析

4.1 平行与垂直层理方向的变形对比特征

加载过程中平行层理方向与垂直层理方向的变形量与有效应力的变化关系，如图5所示。

图5 应变与有效应力的关系Fig.5 Relationship between strain and effective stress

图5表明：平行和垂直层理方向的应变趋势是一致的。在整个加载过程中，平行层理径向应变增加量是垂直层理的1.16倍，垂直层理的轴向应变增加量是平行层理的1.76倍，由于煤样轴向方向的裂隙是径向方向的压缩空间，径向方向的裂隙是轴向方向的压缩空间，因此平行层理方向的裂隙发育程度大于垂直层理方向。

4.2 不同层理应变增加量与有效应力的关系

不同层理的煤样，在加载过程中应变增加量与有效应力的关系如图6所示。

图6 不同层理应变增加量与有效应力变化特征Fig.6 Change characteristics of strain increment and effective stress under different bedding

图6表明：煤样在加载过程中，平行和垂直层理方向的变化量均随有效应力的增大而不断减小；2个方向上应变增加量的变化趋势是相同的，开始加载时，煤体变形的增加量急剧下降，然后趋于平缓。原因在于煤样原位埋深500 m左右，所受地应力大约为12 MPa，当煤样受采动影响并采集出后不再受地应力影响，发生变形，当煤样重新受到轴压和围压后，随着有效应力地不断增加，累积变形量不断增加，煤体内部的裂隙不断减小，12 MPa之前应变增加量的变化很剧烈，12 MPa之后，煤样接近原始地应力状态，应变增加量趋于平缓。

5 结论

1)煤样在加载过程中，不论平行层理还是垂直层理煤样的渗透率均随着有效应力的增大而减小，变化趋势是相同的，应力加载初期渗透率下降最为急剧，后期逐渐趋于平缓；平行层理渗透率下降幅度比垂直层理要大；整个过程中，平行层理渗透率始终大于垂直层理。因此，原始煤层中抽放钻孔尽量沿平行层理方向布置。

2)平行层理的径向应变大于垂直层理，垂直层理的轴向应变大于平行层理，应变量的增加量均随有效应力的增加而不断减小，平行层理裂隙发育程度大于垂直层理。

3)煤样在加载过程中，2种方向煤样的应变增加量的变化趋势是一致的；煤体应变的增加量与渗透率变化的趋势相对应，都是逐渐下降；煤样的径向应变增加量与渗透率具有正相关性。