保德矿区煤体渗透率对层理夹角的响应规律试验研究

赵美成，叶庆树，马衍坤，张 驰，徐 超

（1.神东煤炭集团公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；3.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083）

煤体渗透率是煤层瓦斯抽采的重要基础参数，对煤体渗透率的研究能够获得影响瓦斯抽采的关键因素及影响规律。层理、节理、应力、气体压力等均为影响煤体渗透率的重要因素，而且由于煤层赋存的非均匀性，煤体的渗透率呈现明显的层理效应[1]。Gash 等发现不同方向含瓦斯煤渗透率差异较大，沿割理方向渗透率差异较小，而沿垂直层理面方位渗透率较小[2]；黄学满进行了不同瓦斯压力下的渗透率测定，发现考虑垂直与平行层理面方位下渗透率差异可达一个数量级[3]；姜婷婷等通过实验发现影响煤体渗透率的主要因素是裂纹及裂缝的连通度，其次就是层理角度[4]；邓博知等针对垂直于平行层理2 个类型煤体，发现在渗流过程中煤体发生变形，平行层理方面煤体裂隙度大、渗透率高[5]；潘荣琨等测试了加卸载过程中的煤体渗透率，发现随着有效应力的增大，层理面间隙宽会变小，造成渗透率永久性损伤，即使围压卸除，渗透率也无法完全恢复[6]。孙国文等通过实验发现，垂直层理方向瓦斯渗流速度增长趋势大于平行层理方向，但平行层理方向瓦斯渗流速度明显大于垂直层理方向[7]；王登科等则发现受有效应力变化的影响，煤体渗透率优势方向会发生改变，平行层理方面渗透率不一定是最大值[8]。岳高伟等则发现不同方向钻孔抽采半径存在差异，平行于层理方向的抽采半径明显大于垂直于层理方向[9]。闫志铭[10]、范超军[11]等的研究也同样发现在不同的方位上瓦斯抽采效率差异明显。保德矿区瓦斯抽采主要沿平行于层理方向布置钻孔，但瓦斯抽采效果不理想。为探索合理的布置方式，研究得到保德矿区煤体渗透率对层理的响应规律意义重大。然而不同矿区煤体渗透率对层理的响应特征差异明显，因此利用利用QTS-2 型煤岩渗透率测试系统，针对保德矿区的试样，测试分析了不同地应力及瓦斯压力条件下，煤样渗透率对层理角度的响应规律，研究成果对煤层瓦斯抽采具有重要指导意义。

1 试验系统及方案

1.1 试样制备

试样取自山西省保德煤矿81310 工作面，利用取回的大块煤体，在取心设备上钻取煤样，加工成为φ50 mm×100 mm 标准试样。

在加工不同层理角度的试样时，先沿平行层理方向一侧找平，用夹具固定，确保钻取试样轴线方向与层理方向成一定角度。由于煤岩裂隙发育，在钻取中降低钻取速度，减少扰动，最后再打磨其表面，将试样打磨成符合标准的试样。

钻心方向与层理分别呈 0°、30°、45°、60°、90°。加工后的标准试样如图1，图中虚线表示煤岩层理。试样端面平整度误差控制在0.03 mm 内，尺寸的误差不大于0.5 mm，端面垂直于试件轴线，最大偏差角度不超过0.25°。

图1 加工后的标准试样Fig.1 Standard sample after processing

1.2 试验系统

渗透率试验采用QTS-2 煤岩渗透率测试仪，该设备采用稳态法。试验前将煤岩试样进行烘干，烘烤时间24 h。试验选用瓦斯作为测试气体，忽视其吸附效应的影响。渗透率计算如下：

式中：K 为气体渗透率，m2；Q 为煤样出口端的气体流量，mL/s；L 为煤样长度，cm；μ 为瓦斯气体黏度，mPa·s；A 为煤样的横截面积，m2；p1、p2分别为煤样入口端、出口端的气体压力，MPa。

1.3 试验方案

考虑到取样点的地应力和瓦斯压力，试验拟采用 5、8、10、12 MPa 的围压和 0.5、1.0、1.5 MPa 的进气压力。

对样品首先施加5 MPa 的围压；然后向夹持器中充入 0.5 MPa 的瓦斯气体；测试出口流量，并计算渗透率。试验结束后，提高瓦斯压力到1.0 及1.5 MPa，再次计算渗透率。最后将围压提高到更高的压力，再次分别进行0.5、1.0、1.5 MPa 进气压力下的试验。每个试样均要经历12 次试验。

2 试验结果及讨论

2.1 不同层理角度下渗透率变化

将不同围压下所得到的数据进行分析，不同进气压力下煤体渗透率对比如图2。随着层理角度的增大，煤体渗透率急剧下降。

图2 不同进气压力下煤体渗透率对比图Fig.2 Permeability of coal under different inlet pressures

进气压力为1.5 MPa 时，0°角与90°时渗透率相差1 个数量级。0°角煤样在5 MPa 时渗透率达到0.090 1 mD，90°煤样在 5 MPa 时的渗透率仅为0.021 9 mD，降低了75.7%。

对数据进行拟合分析，发现不同围压下的煤体渗透率与层理角度存在线性负相关的关系，围压增大，初始渗透率与下降速率均变小。由于煤是沉积而成，层理之间存在较为理想的气流通道。当层理夹角增大后，气流的有效通道明显减小，层与层之间的煤体基质成为气体必须流经的区域。

因此，当层理夹角不是0°时，煤体基质的渗透率成为影响煤体渗透率的关键。从90°角煤样渗透率可以得到，煤体基质的渗透率极低。当层理夹角一旦不为0°时，气体必须流经极低渗透率的煤体基质区域，因而煤体渗透率呈现迅速降低的现象。

尿液是由肾小球滤过,其肾小管和集合管重吸收、排泄、分泌最终产生的产物,而尿液的组成直接反应患者的身体状态,因此采用尿标本检查,能有效观察患者的代谢情况,特别为肾经,其能提供准确的数值,所以准确、及时的尿标本在临床治疗中有重要的意义[4]。

2.2 围压对渗透率影响规律

将不同层理角度试样在不同进气压力、不同围压下所得到的数据进行分析，不同层理夹角煤体渗透率对比如图3。随层理角度增大，煤体渗透率急剧下降。

图3 不同层理夹角煤体渗透率对比图Fig.3 Permeability of coal under different bedding angles

角度相同时，围压导致渗透率快速下降。例如0°角煤样在5 MPa 时渗透率达到0.090 1 mD，但在12 MPa 时渗透率仅为0.027 9 mD，降低了69%。

相同进气压力时，煤体渗透率与围压呈现幂指数减小关系，围压的存在大幅减小了气体的有效流动通道。而进气压力的增大并没有完全导致煤体渗透率增大，特别是1.5 MPa 时，在部分试验中煤体的渗透率值不如1.0 MPa 进气压力时大。这可能是由于气体吸附导致煤体基质膨胀，从而使有效流动通道减小而导致。

2.3 讨 论

保德矿区煤体存在明显的层理结构，层与层之间存在较好的贯通裂隙，是良好的气流通道。

2.3.1 层理导致的渗流困难区

可将气体沿在层间裂隙内流动的渗透系数视为ki，而在煤基质内渗透系数视为kj。相对应的，可将气体在层间裂隙内渗流阻力视为1/ki，而在煤基质内的渗流阻力视为1/kj。由于煤基质中含有大量微孔隙或微裂纹，也能为气体渗透提供通道，限于其较差的连通性，其渗透能力远小于层间裂隙内，即kj＞＞ki或 1/ki＜＜1/kj，不同层理角度气流方向通道示意图如图4。

图4 不同层理角度气流方向通道示意图Fig.4 Schematic diagram of air flow direction channel under different bedding angles

当气流方向与层理平行时，此时夹角为0°。在两端气体压差的作用下，气体沿煤基质内的微孔隙及层间裂隙流动，此时流动网络可视为煤基质与层间裂隙的并联网络，渗流阻力为式中：Li为裂隙长度；n 为分层数量。

当气流方向与层理垂直时，夹角为90°。此时流动网络可视为煤基质与层间裂隙的串联网络，渗流阻力为与0°角时的渗流阻力相比，当气流方向与层理垂直时的渗流阻力大得多。

当气流方向与层理存在其他夹角时，可将试样的渗流分为2 个区域，试样两端三角形区域为渗流容易区，试样中部灰色区域为渗流困难区。

对于渗流容易区，由于层间裂隙的存在，气体容易从裂隙内进入，并迅速积聚在层间裂隙内。气体在渗流困难区内则必须先后渗透过各个分层和裂隙，才能再次进入下端的渗流容易区。

渗流困难区的宽度l 计算如下：

式中：l 为煤样渗流困难区的宽度，m；d 为试样的直径，m；α 为气流方向与煤体的层理的夹角，（°）。

在 0°～90°范围内，当 α 增大时，sinα 增大，而分母cosα 减小，渗流困难区宽度增大。表现在煤样的渗透率上，则是渗透率随α 增大而迅速减小。当α为0°时，l 为0，此时均为渗流容易区；当α 为90°时，l 趋于无穷大，此时整个试样均为困难区。气流方向的渗流困难区示意图如图5。

图5 气流方向的渗流困难区示意图Fig.5 Schematic diagram of seepage difficult area in the direction of air flow

2.3.2 层理效应对瓦斯抽采的影响

虽然0°角煤样的渗透率值最大，但测试结果反映出的是气流在某一方向上流动的难易程度。

在实际煤层抽采孔布置中，垂直层理方向布置的钻孔内，瓦斯流动方向平行于层理，气流方向对瓦斯抽采影响示意图如图6，钻孔穿过无数个煤层层理，气体从煤基质解吸进入层理裂隙，并从层理裂隙内大量涌出。由图6 可知，平行于层理方向的顺层钻孔恰好相反。煤层内的瓦斯向钻孔空间内运移必须流经层层之间的煤基质，这个方向的渗透率测试结果正好是最小值。

当钻孔与层理夹角小于90°时，瓦斯仍由煤基质解吸进入层间裂隙，然后进入钻孔内。瓦斯运移的最佳通道仍然是层间裂隙，但与垂直层理钻孔不同的是，此时钻孔所穿过的层理数量要明显少。

图6 气流方向对瓦斯抽采影响示意图Fig.6 Schematic diagram of influence of air flow direction on gas drainage

在工程实践中，当钻孔平行于层理布置时，瓦斯由外部煤体向孔内运移的阻力最大，抽采影响半径最小。当钻孔垂直于层理布置时，瓦斯运移的阻力最小，抽采影响半径最大、抽采总量也最大。当钻孔与层理夹角小于90°时，瓦斯运移阻力也最小，但是钻孔所穿越层理数量减小，此时为提高抽采效果，可将钻孔长度尽量延长。

3 结 论

1）保德矿区煤体渗透率对层理角度的响应规律明显，随着气流方向与层理角度的增大，煤体渗透率呈线性减小的规律，0°角与90°角煤样的渗透率差1～2 个数量级；随着围压的增大，煤体渗透率呈幂指数减小规律。

2）煤体内气流方向存在明显的渗流容易区和困难区，困难区的宽度随气流方向与层理夹角的增大而不断增大，当夹角为90°时，整个煤样均为气体流动的渗流困难区。

3）在实际的瓦斯抽采工程中，当钻孔平行于层理布置时，煤体瓦斯流动的方向反而使垂直于层理，渗透率最小；当钻孔垂直于层理布置时，煤体瓦斯流动的方向反而平行于层理，渗透率最大。研究成果对保德矿区或国内具有明显层理特征高瓦斯煤层的瓦斯抽采工作具有重要的指导价值。