含瓦斯煤渗透率各向异性实验研究

安坤尧，杨云杰，柳晓莉

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

渗透率是描述瓦斯在煤层中流动能力的重要参数，对瓦斯抽采过程中钻孔的布置有着重要的指导意义，然而煤层由于沉积环境、构造运动和煤的变质程度等的影响，使得瓦斯在煤层的流动过程中呈现各向异性的特征。针对这一特点，学者们从不同的角度开展了大量的研究，卢方超[1]采用核磁共振的方法，郭晓洁[2]采用复电阻率的方法，宫伟力[3]采用扫描电镜的方法对煤岩结构的各向异性展开了测试；赵宇[4]对煤岩吸水率各向异性、祝捷[5]对吸附作用的各向异性进行了研究。该项研究在学者们前期研究的基础上，以唐山矿煤样为例，测定了煤的走向、倾向和竖直方向的渗透率，得到了渗透率各向异性的规律，为瓦斯的高效抽采提供了参考。

1 实验装置与方法

1.1 实验煤样和装置

实验煤样选自唐山矿7#煤层，在现场采集的大块煤样上标记煤层的走向和倾向，在实验室利用岩石取芯机分别沿着煤层的走向、倾向和竖直方向钻取直径为50 mm的圆柱形煤样，并利用岩石切割机和打磨机将煤样制备成φ50 mm×100 mm的标准原煤煤样。

实验采用自主研制的QTS-2型煤岩渗透率测试系统，主要包括应力加载系统、煤样加持系统、瓦斯压力控制系统、数据采集监测和辅助系统组成，实验系统如图1所示。

1.2 实验方法

具体实验过程如下：

(1)煤样安装。将恒温干燥箱烘干好的煤样装上热缩管后，放入煤样夹持器中；

(2)气密性检查。打开氦气瓶及其附属阀门，调节调压阀，向实验系统中充入一定压力的氦气，记录压力稳定后压力表的数值，如果2 h后压力值没有变化，则认为实验系统的气密性良好，否则需要进行管路和阀门的气密性的检查。

(3)真空脱气。当装置连接正常、气密性检查完好时，调整温度控制系统，使得煤样温度恒定为25 ℃，利用真空泵对煤样及实验管路进行真空脱气；

图1 实验系统示意图

(4)调整轴压和围压分别为4.5 MPa，打开进气阀，向系统管路充入纯度为99.99%的CH4，调整进气端气体压力为0.9 MPa，利用数据采集软件记录CH4稳定流动时的气体流量，完成有效应力为4 MPa时(有效应力的确定见式1)煤样渗透率的测定；

(5)调整轴压和围压分别为6.5 MPa、8.5 MPa、10.5 MPa和12.5 MPa，完成有效应力为6 MPa、8 MPa、10 MPa和12 MPa时煤样的渗透率测定；

(6)更换煤样重复步骤1～5，直至完成实验。

1.3 实验原理

依据岩土力学，有效应力为煤层受到的总应力与孔隙或裂隙中的流体压力之差，即：

(1)

式中：σe为煤样所受的有效应力，MPa；σa为轴向压力，MPa；σt为环向压力，MPa；p1为进气端的气体压力，MPa；p2为出气端的气体压力，MPa，实验中取0.101MPa。

煤样渗透率的测定采用稳态法，其计算公式为：

(2)

式中：K—煤样渗透率，D；P0—测量点的大气压力，atm；Q—渗流量cm3/s；μ—瓦斯气体的粘性系数，cp；L—煤样的长度cm；A—试样横截面积，cm2；

P1—进口的气体压力，atm；P2—出口的气体压力，atm，实验中取1 atm,即0.1 MPa。

2 实验结果分析

依据式(2)，测定的唐山矿7#煤层走向、倾向和竖直方向的渗透率如图2、图3所示。

从图2、图3可以看出：

(1)当气体压力不变时，走向、倾向和竖直方向的渗透率均随着有效应力的增加逐渐降低，渗透率和有效应力之间服从幂函数关系(如表1所示)；

(2)煤层渗透率呈现明显的各向异性现象，煤层走向的渗透率最大，倾向的渗透率次之，竖直方向的渗透率最小，煤层走向、倾向和竖直方向渗透率的差值均随着有效应力的增加而减小。

表1 走向、倾向和竖直方向时渗透率和有效应力拟合关系式

3 渗透率各向异性分析

从表1可知，走向、倾向和竖直方向时渗透率和有效应力之间为幂函数关系，即：

Kp=K0P-AK

(3)

其中Kp为有效应力为P时煤样的渗透率，K0为有效应力为0时煤样的渗透率，AK为渗透率的应力敏感指数。

AK反映了有效应力变化时煤样渗透率的动态变化情况，AK值越大，渗透率对有效应力的变化越敏感。

对于唐山矿7#煤层来说，其K0、AK值见表2所示：

表2 拟合得到的K0和AK

从表2可以看出，对于唐山矿7#煤层来说，拟合得到的有效应力为0时煤样的渗透率K0：K0走>K0倾>K0垂直，而渗透率对应力的敏感指数Ak：AK走>AK倾>AK垂直。

煤层走向、倾向和竖直方向的渗透率即煤层走向、倾向和竖直方向3个平面的渗透率，其各向异性指数用aK表示：

(4)

其中di表示方向，Ki表示不同有效应力时不同方向的渗透率。(i为走向、倾向和竖直方向)。

由式(3)、(4)得：

aK(d走，d倾，P)=lg(aK0)+AaKlg(P)

(5)

(6)

式(6)得到的煤样3个平面的渗透率各向异性指数aK如图4、图5所示。

图4 C1煤样的渗透率各向异性指数 图5 C2煤样的渗透率各向异性指数

从图4、图5可以看出，唐山矿7#煤层走向/竖直方向各向异性指数最大，有效应力小于6 MPa时，走向/倾向的各向异性指数大于倾向/竖直方向的各向异性指数，有效应力大于6 MPa以后，倾向/竖直方向的各向异性指数大于走向/倾向的各向异性指数。

4 结论

(1) 当气体压力不变时，走向、倾向和竖直方向的渗透率均随着有效应力的增加逐渐降低，渗透率和有效应力之间服从幂函数关系。

(2)煤层渗透率呈现明显的各向异性现象，煤层走向的渗透率最大，倾向的渗透率次之，竖直方向的渗透率最小，煤层走向、倾向和竖直方向渗透率的差值均随着有效应力的增加而减小。

(3) 唐山矿7#煤层走向/竖直方向各向异性指数最大，有效应力小于6 MPa时，走向/倾向的各向异性指数大于倾向/竖直方向的各向异性指数，有效应力大于6 MPa以后，倾向/竖直方向的各向异性指数大于走向/倾向的各向异性指数。