低阶煤煤体变形特征及渗流规律实验研究

吴信波， 李贵红， 刘钰辉， 朱文侠

(中煤科工集团西安研究院有限公司， 西安 710054)

低煤阶煤是煤化作用早期阶段形成的产物，通常指煤岩镜质组反射率小于0.65%的煤，主要包括褐煤和长焰煤。中国低煤阶煤层气分布面积广，资源丰富，约占全国总量的40%[1-4]，煤层渗透率是表征煤层气在煤层中流动难易程度的重要参数，直接影响着煤层气的开发效果[5]。因此，研究低阶煤煤体变形特征及渗透率变化规律对煤层气地面开发及矿井瓦斯防治具有重要的意义。

目前，已有学者开展了煤体变形和渗透率与孔隙压力之间的相关实验研究。林柏泉等[6]研究了含瓦斯瘦煤煤样在围压力不变的前提下，煤样变形和渗透率与孔隙压力的关系；胡耀青等[7]开展了三维应力作用下无烟煤煤体瓦斯渗透实验，研究了煤的瓦斯渗透系数与孔隙压力的关系；吴世跃等[8]研究了不同轴压和围压条件下无烟煤煤体轴向应变与孔隙压力的关系；唐巨鹏等[9]在保持轴压和围压不变情况下，开展了长焰煤煤样孔压逐级增加和降低过程中，渗透率与孔压的关系实验；尹光志等[10-11]在固定轴压和围压情况下，开展了无烟煤型煤样变瓦斯压力瓦斯渗透试验，研究了瓦斯渗透速度和煤样渗透率与瓦斯压力之间的关系；朱卓慧等[12]通过保持轴压和围压恒定，研究了无烟煤型煤样渗透率与瓦斯压力的关系；杜新锋[13]通过开展不同煤体结构煤三轴应力条件下渗透率实验，研究了在轴压和围压一定时，煤储层渗透率与孔隙压力的关系；梁冰等[14]开展了不同围压和孔隙压力条件下的无烟煤型煤样解吸-渗流试验，研究了径向应变和渗透率与孔隙压力的关系。

通过对实验研究的调研发现，目前开展的实验大多集中于中、高煤阶煤渗透率和单向应变规律研究，现在前人研究的基础上，利用煤岩体应力-渗流-温度多过程耦合试验系统分别开展低阶煤样品在有效应力(变围压)、基质收缩(变围压、孔压)和二者综合(变孔压)作用下煤体变形及渗透率变化实验，阐述煤体变形和渗透率变化特征，以期对焦坪矿区低阶煤地面煤层气开发和瓦斯防治工作提供指导。

1 实验装置与方案

1.1 实验煤样

为了研究低阶煤煤体变形特征和渗透率变化规律，实验选取焦坪矿区下石节煤矿3#煤原煤样，煤阶为长焰煤。通过机械加工成特定尺寸(Φ50 mm×100 mm)的煤样，对煤样粘贴应变片，连接导线，封装，如图1所示。

图1 加工和封装完毕煤样Fig.1 Processed and packaged coal samples

1.2 实验装置

实验设备为煤岩体应力-渗流-温度多过程耦合试验系统，该实验系统由岩芯渗流夹持器、高精度柱塞泵、注气/液装置、水浴池与数据采集系统组成，如图2所示。采用微机电液伺服闭环控制，可任意设定应力加载速率、温度、注气/注液速率。实验数据由计算机自动采集，数据曲线实时显示。该实验装置可保持出气端压力的恒定。

图2 煤岩体应力-渗流-温度多过程耦合试验系统Fig.2 The multi-process coupling test system of stress-seepage-temperature of coal and rock mass

1.3 实验步骤

(1)检查装置气密性，安装试样。启动软件，调试软件，清零，记录变形量。

(2)调节三轴应力加载泵，先将围压调节至5.0 MPa，轴压调节至12.5 MPa，然后再将围压调节至12.5 MPa，实验过程中保持轴压和围压一致。

(3)调整孔压加载泵：将孔隙压力调至3.6 MPa，关闭夹持器后端阀门，试样饱和吸附72 h。

(4)将围压逐次增加至16.0 MPa，每次增加0.5 MPa并平衡2 h后，测量相应的径向、轴向应变和气体流量。

(5)将围压逐次降低至12.5 MPa后，将孔压和围压分别从3.6 MPa和12.5 MPa逐次降低至0.6 MPa和9.5 MPa，每次降低0.5 MPa并平衡2 h后，测量相应的径向、轴向应变和气体流量。

(6)将围压和孔压分别调至12.5 MPa和3.6 MPa，试样饱和吸附72 h后，保持围压恒定12.5 MPa，打开后端阀门，采用ISCO泵保持相应孔隙压力，将孔压分别从3.6 MPa逐次降低至0.6 MPa，每次降低0.5 MPa并平衡2 h后，测量相应的径向、轴向应变和气体流量。

实验采用CH4气体，围压和孔隙压力的取值考虑了原始煤层所处的应力状态，便于研究实际生产过程中的煤体变形特征和渗透率变化规律。

2 实验结果与分析

围压或孔压变化时，煤体径向变形和轴向变形都会发生，体积应变(径向应变的2倍与轴向应变之和)可以综合反映二者效果，因此将体积应变作为煤体变形的分析指标，本文中规定压缩为负应变。实验过程中煤体的渗流过程认为符合达西定律，其渗透率计算公式为

(1)

式(1)中：K为煤体的渗透率，m2；Q0为通过煤体的稳定流量，m3/s；P0为标准大气压力，取0.103 MPa；μ为甲烷的动力黏度，11.067 μPa·s；L为煤样的长度，m；A为流体通过的截面积，m2；p1为煤体入口绝对压力，Pa；p2为煤体出口绝对压力，Pa。

2.1 有效应力效应

对实验数据进行筛选，选取步骤(4)过程中稳定时围压测点所对应的径向、轴向应变和气体流量，计算相应的体积应变和渗透率，作出关系曲线如图3所示。

图3 渗透率比、体积应变与有效应力关系Fig.3 The relationship of permeability ratio, volume strain and effective stress

根据Seidle等研究[15]，渗透率比与有效应力关系可表示为

(2)

式(2)中：k/k0为渗透率比；cf为裂缝压缩系数，MPa-1；σ为有效应力；σ0为初始有效应力，MPa。根据式(2)计算可得，煤样B-1和B-2的裂缝压缩系数分别为0.032 9 MPa-1和0.077 1 MPa-1；根据文献[16-17]可知，沁水盆地高煤阶煤裂隙压缩系数为0.062～0.079 4 MPa-1，低煤阶煤裂隙压缩系数略低于高煤阶煤。

分析图3可得，随着有效应力增加，渗透率逐渐减低，体积应变为负，表明煤体逐渐收缩；渗透率比与体积应变正相关，体积应变越小，渗透率比越小，表明渗透率下降幅度越大。对比可以发现煤样B-2变形量大于煤样B-1，说明煤样B-2的变形特性对有效应力变化更加敏感。

2.2 基质收缩效应

对实验数据进行筛选，选取步骤(5)过程中稳定时孔隙压力测点所对应的径向、轴向应变量和气体流量，计算相应的体积应变和渗透率，作出关系曲线如图4所示。

图4 基质收缩过程中渗透率比、体积应变与孔压关系Fig.4 Curve of permeability ratio, volume strain and pore pressure during matrix shrinkage

根据Levine等[18]研究，基质收缩过程中，体积应变与孔压关系符合朗格缪尔曲线形式，即

(3)

式(3)中：p为孔压，MPa；εv为孔压p对应的体积应变；εmax为孔压无限大情况下对应的体积应变，即朗缪尔应变；pL为体积应变为εmax一半时对应的孔压，即朗缪尔压力，MPa。根据式(3)计算可得，煤样B-1和B-2对应的εmax为0.003 687和0.009 346，pL为2.188 MPa和3.812 MPa；根据文献[17]可知沁水盆地朗缪尔应变εmax为0.016 5，朗缪尔压力pL为4.200 MPa。低煤阶煤朗缪尔应变和朗缪尔压力均低于高煤阶煤。

分析图4可得，随着孔压的下降，渗透率逐渐增加，体积应变为负，表明煤体逐渐收缩；渗透率比与体积应变负相关。对比可以发现煤样B-2变形量大于煤样B-1，说明煤样B-2的变形特性对孔压变化更加敏感。

2.3 有效应力、基质收缩的综合效应

对实验数据进行筛选，选取步骤(6)过程中稳定时孔隙压力测点所对应的径向、轴向应变和气体流量，计算相应的体积应变和渗透率，对应关系曲线如图5所示。

分析图5可得，随着孔压的下降，渗透率先下降后增加，体积应变为负，表明煤体逐渐收缩。对比可以发现煤样B-2变形量大于煤样B-1，说明煤样B-2的变形特性对有效应力变化更加敏感。

2.4 渗透率变化与理论模型对比分析

目前，中外建立的等外力条件下的渗透率动态变化模型主要是基于应变变化和应力变化[19-22]，其中基于应变变化的代表模型有R-C模型和Guo模型，基于应力变化的代表模型有C-B模型和Lu模型，选取煤体参数如表1所示，本次实验数据与典型模型的对比如图6所示。

图6 实验数据与典型模型对比Fig.6 Comparison between experimental data and typical models

由图6可以看出，Lu模型预测数据与实验数据吻合度更高，而C-B模型预测数据高于实验数据，分析模型可得，这种偏高的行为可能是由于C-B模型未考虑煤基质变形对孔裂隙的影响以及低煤阶具有较高的孔隙度和裂隙压缩系数引起的。

2.5 煤样变形及渗透性变化原因分析

上述实验结果表明，煤样围压、孔压变化与煤体变形特征和渗透率变化规律具有一定的内在联系。在渗流过程中，围压、孔压的变化会引起煤体产生变形，进而影响到煤样渗透率的变化。在煤体不破坏的情况下，这种变形宏观上表现为体积应变，微观上表现为裂隙大小和基质体积的变化，宏观上的应变是微观变形综合作用的结果。

实验过程中当孔压恒定，围压逐渐增大过程中，有效应力增加，煤体骨架被逐渐压缩，裂隙体积减小，造成煤体体积负应变增加及渗透率减小；当围压与孔压同步减小过程中，煤基质逐渐收缩，裂隙体积增大，造成煤体体积负应变和渗透率增加；当围压恒定，孔压逐渐减小过程中，有效应力增加，裂隙缩小，煤体体积负应变增加，渗透率减小，另一方面解吸作用使煤基质收缩，裂隙增大，煤体体积负应变增加，渗透率增大。体积应变指标更能明显的显示这种变形效果，同时存在一个孔隙压力值使得渗透率值最小，随着孔隙压力降低，煤体渗透率会出现先降低后增加的趋势。

3 结论

(1)以焦坪矿区低阶煤为研究对象，研究了有效应力、基质收缩以及二者综合作用过程中，饱和吸附状态的煤煤体变形特征和渗透率变化规律；测量了焦坪矿区煤储层的裂隙压缩系数、朗缪尔应变和朗缪尔压力等参数。

(2)在有效应力逐渐增加的过程中，煤体体积负应变逐渐增大，煤体收缩，渗透率逐渐减小；渗透率比与体积应变正相关，体积应变越小，渗透率比越小，表明渗透率下降幅度越大。基质收缩过程中，随着孔压的逐渐下降，煤体体积负应变逐渐增大，煤体收缩，渗透率逐渐增加；渗透率比与体积应变负相关。

(3)有效应力和基质收缩二者综合作用条件下，随着孔压的逐渐下降，煤体体积负应变逐渐增大，煤体收缩，渗透率先减小后增加，通过与典型渗透率动态变化模型比较，Lu模型与实验数据吻合度更高，可以有效指导地面煤层气开发和煤矿瓦斯防治。