不同含水率煤样瓦斯渗流特性的实验研究

张国华，毕业武，王 磊，高明星，蒲文龙

(1.黑龙江科技大学 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 矿业工程学院，哈尔滨 150022; 3.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨 150022)

0 引 言

煤层渗透率及其演化直接影响着地下流体的渗流行为，其影响因素和作用机制一直为众多学者所关注[1-4]。目前，有众多专家学者从应力、煤基质收缩及温度等角度探讨了渗透率的变化规律[5-7]。周军平等[8]根据煤基质的压缩效应以及有效应力的影响，建立了渗流数学模型。孟召平等[9]提出了渗透率和应力之间的量化关系式及其相关模型。刘永茜等[10]研究了含水率对煤层裂隙变形及煤层气运移的控制作用。赵继涛[11]研究了不同含水率对低渗煤层气体的渗流影响。贺玉龙等[12]通过实验室实验探讨了温度和应力对岩石的渗透特性的影响。张志刚[13]研究了煤体在受到瓦斯吸附与应力共同影响下的瓦斯渗透特性变化特征。赵俊龙等[14]对气-水两相煤体有效渗透率动态的变化规律进行了研究。潘一山等[15]运用无损检测NMRI成像技术对煤层中气-水两相渗流规律进行了实验研究。

上述研究主要是针对含水率对煤样渗透特性的影响，但是，对于含水率和应力共同影响下的煤样渗透率研究较少。鉴于此，笔者以黑龙江龙煤集团某矿高瓦斯煤样制备的型煤试件为研究对象，借助自制的渗流实验平台，进行了多种应力、瓦斯压力条件下，不同含水率煤样瓦斯渗流实验研究，分析了含瓦斯煤在水-力耦合作用下渗透率演化规律，以期对瓦斯灾害治理和煤层气开采工作有一定的借鉴意义。

1 实 验

1.1 煤样制备

该实验所测试的煤样取自龙煤集团某矿高瓦斯煤层。将煤样打碎，筛分粒度为40～80目的煤粒，添加适量的水，放入模具中压制成尺寸为φ50 mm×100 mm的标准试件(允许误差为±1 mm)。将试件放入恒温干燥箱内以65 ℃烘干24 h除水，编号后放入养护箱中备用，见图1。

图1 实验煤样Fig. 1 Coal samples

1.2 实验装置

自制的三轴渗流装置，包括高压气瓶、煤样室、恒温水浴、提供应力环境的围压/轴压加载装置、数据采集计算机及流量计等单元。实验时，外部应力由两个油泵提供，恒温水域的功能是消除温度的影响，瓦斯压力由高压气瓶的减压阀来控制，实验试件流经的瓦斯气体由流量计测定，最后流经尾气处理装置，保证实验的安全性。图2为实验装置示意图。

图2 实验系统示意Fig. 2 Diagram of experimental system

1.3 实验步骤

分别制备4组不同含水率煤样进行渗流实验。为使实验结果更具规律性，所配试件的含水率尽量等分，最终制备含水率分别为0%、2%、4%、6%的型煤试件。每试件组设置4组不同瓦斯压力实验，分别为0.5、1.0、1.5和2.0 MPa，实验温度为30 ℃。考虑应力对煤样瓦斯渗流特性的影响，故实验设置轴压/围压分别压为6、8和10 MPa。为方便描述，在文中用σ来代表外部应力，用p来表示瓦斯压力，用w来表示含水率。

2 结果与分析

实验过程中通过瓦斯流量利用式(1)进行渗透率计算：

(1)

式中：K——煤体渗透率,μm2；

q——气体流量,ml/s；

μ——气体的绝对黏度，室温20 ℃时瓦斯黏度为1.087×10-6Pa·s；

p1——入口压力,MPa；

p2——出口压力，标准大气压为 0.101 MPa；

A——渗透率有效面积,m2；

L——煤体试件长度,mm。

2.1 含水率对煤体瓦斯渗透特性的影响

图3为不同含水率煤样渗透率随应力和瓦斯压力变化情况，以p=0.5 MPa为例进行分析。当σ为6 MPa时，K随着w的增加在逐渐减小，且σ各梯度下K的减小量在逐渐变小。即，煤样试件的渗透率随含水率增大而逐渐减小，渗透率随含水率的变化趋势逐渐趋缓。由此可见，含水率对煤样的渗透率有着重要的影响。

图3 不同含水率煤样渗透率变化规律Fig. 3 Permeability of coal samples under different water contents

众所周知，煤孔隙结构直接影响着煤体的渗流特性，将其细化分出了微孔、小孔、中孔、大孔、可见孔及裂隙，又根据它们功能的差异分为吸附孔和渗流孔。煤层瓦斯渗透率大小主要受其渗流孔的影响，由于水分子很难进入到微孔内，故水分对煤层渗流特性的影响主要是通过对其渗流孔的影响而改变其渗透率。

水分对渗透率影响可以表现在以下两个方面。首先，煤体孔隙内吸附的水分子会导致一定形变，同时煤体塑性增强，在受载的过程中更容易发生变形，使得煤体渗流孔变小，进一步导致了渗流能力的下降；其次，当水进入到渗透孔隙时，占据了瓦斯的渗流通道，导致瓦斯气体流过煤样更加困难，使其渗透率减小；当煤体含水率增大时，可供瓦斯渗流通道进一步变窄，其渗透率继续减小；当水分完全充满煤样渗流孔后，瓦斯气体无法通过煤样，渗透率降为零。由此可知，这两个作用都会导致渗透率的降低。

2.2 外部应力对煤体瓦斯渗流特性的影响

为探究不同含水率与瓦斯压力耦合作用下煤样渗透率变化情况，本实验通过改变轴压与围压模拟不同地应力对煤层瓦斯渗透率的影响。实验中设定温度为30 ℃。

从图4可以看出，当瓦斯压力与含水率保持恒定时，随着应力的不断加大，型煤试件的瓦斯渗透率在逐渐减小。即瓦斯渗透率与应力呈现负相关关系。

应力在6～10 MPa变化，不同含水率及瓦斯压力条件下的瓦斯渗透率下降幅度约为30%～50%。从各组下降幅度来看，同一瓦斯压力下不同含水率、同一含水率中不同瓦斯压力煤样渗透率下降幅度与应力增大无明显规律，但同一含水率及瓦斯压力条件下，外部应力持续的增大对渗透率的影响程度在逐渐的减弱。

由前述可知，煤样渗透率的改变主要是由其内部孔隙结构的变化引起的，外部应力对于煤样渗透特性的影响可以从以下三个方面进行讨论：首先，从孔隙的角度来分析，当应力升高时，煤体内部的孔隙空间压缩、孔径变小，致使气体在煤体中的渗流阻力变大，直观表现就是渗透率的降低；其次，从裂隙的角度来看，当煤体所受的应力升高时，部分裂隙出现闭合，开度降低，导致渗流通道减少，渗透率表现出降低的趋势；最后，从吸附解吸的角度来看，当应力升高时，煤体的瓦斯吸附量减小，对应的煤体吸附瓦斯膨胀变形量减小，对裂隙的闭合起到反向作用，可以导致渗透率增大。因此，应力增加对于瓦斯渗流的效果来说，存在负效应的同时又有正效应，而渗透率表现出来的规律受到了这两方面的作用，为二者竞争作用的结果。从图4渗透率变化规律来看，随着应力的增加，渗透率反向变化，这就说明了应力对渗透率的负效应更加显著。

图4 不同应力下含水煤样渗透率变化规律Fig. 4 Permeability of water-containing coal samples under different stresses

2.3 孔隙压力对煤体瓦斯渗流特性的影响

图5为相同应力和含水率下，渗透率随瓦斯压力变化结果。从图5可以看出，随着瓦斯压力的不断增加，含瓦斯煤渗透率呈现V字型变化，即先下降后上升，表现出了明显的克林伯格效应。

图5 不同瓦斯压力下含水煤样渗透率变化规律Fig. 5 Permeability of water-containing coal samples under different gas pressures

出现这种现象的原因是，煤样在煤体瓦斯压力增大的初期，煤体骨架吸附瓦斯膨胀变形，导致气体流动通道变窄受阻，导致渗透率的下降。同时，由于煤体本身的吸附效应使得甲烷吸附孔隙结构表层，从而减小了瓦斯通道的体积，也促进了渗透率的下降。随着瓦斯压力的继续增大，煤体吸附与解吸的动态变化逐渐趋向平衡，瓦斯压力的影响凸显，此时渗透率会逐渐增大。

从实验结果中还可以发现，渗透率初始阶段下降的速率要大于之后上升的速率，是由于煤体在吸附膨胀后很难在相同状况下恢复到膨胀前状态，故后期较前期相同瓦斯压力梯度内渗透率的值要低。并且，含水率、应力的变化只改变煤样渗透率的大小，并没有改变其克林伯格效应。可见，煤样的瓦斯吸附能力受含水率影响有限，不足以克服克林伯格效应。

3 结 论

(1) 当含水率上升时，煤样渗透率随之减小。水分吸附导致微孔至大孔的渗流孔被占据，当含水率继续上升时，由于煤样还有可见孔隙与裂隙，亲水程度有限，此时瓦斯气体主要流过可见孔、裂隙，因此随着含水率的增加渗透率减小趋势变缓。

(2) 当瓦斯压力恒定时，增大外部应力，不同含水率煤样渗透率减小，两者呈负效应。当初始阶段处于低应力时，煤样内部的裂隙受到压缩，渗透率快速下降。但是随着应力的继续增加，裂隙闭合达到了一定程度，孔隙难以压缩，渗透率降低速度减缓。

(3) 当应力恒定时，增大瓦斯压力，不同含水率煤样渗透率随之先减小后增大，呈现出V字型变化，实验结果表现出的克林伯格效应较为显著。