含瓦斯煤渗透性影响分析

柴昊昊

(晋能控股煤业集团 三元煤业，山西 长治 140400)

煤炭行业是我国国民经济的支柱性产业，是当前我国能源结构中最重要的一环。由于我国特殊复杂的地质条件，在实际煤炭开采中常常伴随着较为严峻的瓦斯治理形势，在开采后三维应力场平衡状态被打破，使得煤体渗流特性发生巨大变化[1].关于瓦斯渗流影响因素分析，许多专家学者作了大量的前期技术准备和研究[2-5].林柏泉等[6]进行了煤样渗透性影响实验，得出煤体渗透率与载荷的关系可用负指数方程表示。尹光志等[7]研制了多场耦合渗流试验系统，为渗流机制研究提供了基础。祝捷等[8]通过构建渗透率演化模型分析了气体压力对渗透率的影响。薛燕光等[9]利用三轴伺服渗流装置发现轴压、围压、瓦斯压力3种应力因素与煤样渗透率呈指数函数关系。张翔[10]通过建立含瓦斯煤流固耦合模型，模拟了瓦斯渗流过程，对渗流特征进行了研究。

在实际开采中，应力场和瓦斯渗流场的变化是改变井下瓦斯状态的主要因素[11-12].分析影响含瓦斯煤渗透性因素的重要程度，对主导因素做针对性地控制，不仅可以节约煤矿生产成本，而且对于煤矿瓦斯的防治及利用有重要的意义。

1 试验装置与方案

1.1 试验装置

采用WYS-800电液伺服渗流装置,轴向应力加载最大为800 kN，围压最大加载为15 MPa.该试验装置的最大优点是可以实时监测渗流过程中的数据，测量精度高，可靠性好，实验数据记录、处理已实现自动化。

试验煤样选自西山煤电集团屯兰矿8#煤层，在实验室，用砂线切割机将煤样切成标准尺寸d50 mm×100 mm备用。

1.2 试验方案

为了研究影响含瓦斯煤渗透率的主要因素，在室温为20 ℃的基础上进行轴压、围压与瓦斯压力的交叉试验。通过煤粉干燥前后称重测得煤样的原始平均含水率为1.61%，通过烘干箱干燥脱水制备含水率分别为0.18%、0.76%的煤样，并利用手动试压泵以及密闭釜进行注水，得到含水率为3.15%的试件。

含水率为0.18%～3.15%的煤样分别采用排水集气测定方法，进行固定围压2～8 MPa，改变瓦斯压力0.5～1.4 MPa的试验。

2 含瓦斯煤渗透性影响因素分析

2.1 瓦斯压力与围压对含瓦斯煤渗透性影响程度

试验部分是在基于不同含水率条件下通过改变应力与瓦斯压力研究煤体渗流特性，在不同瓦斯压力条件下，测定煤体渗透率。试验结果见图1.

由图1可以看出，在恒定应力条件下，煤体含水率变化与渗透率关系显著，煤体渗透率随含水率增加呈下降趋势。由图1 a)可以看出，恒定围压为2 MPa，在瓦斯压力为0.8 MPa时，随着含水率从0.18%升至3.15%，煤体渗透率从3.501×10-5μm2降低至1.58×10-5μm2，渗透率降低幅度为55%.由图1 d)可以看出，当围压恒定为8 MPa，瓦斯压力1.4 MPa条件下，含水率改变,煤体渗透率从1.88×10-5μm2降低至0.62×10-5μm2，渗透率降幅为67%.这是由于煤体材料亲水，水分充满煤体孔隙内部，阻断了绝大多数瓦斯分子渗流通道，瓦斯运移受阻，导致出现渗透性降低的现象。

黄启翔等[13]认为，煤体渗透率变化与煤体所受应力呈指数关系，对图1中的渗透率随含水率变化曲线进行拟合，拟合函数见表1.

图1 固定围压条件下煤体渗透率与含水率关系曲线图

表1 煤体渗透率随含水率变化曲线拟合方程表

由表1可知，含瓦斯煤渗透率与含水率之间呈现负指数函数变化，其表达式可表征为：

K=aebw

(1)

式中：

K—渗透率，10-5μm2；

a,b—拟合系数，其中a>0,b<0；

w—煤体含水率。

结合表1可以发现，式(1)中拟合系数a,b的大小随着煤体加载应力及瓦斯压力的变化而变化，拟合系数值与应力和瓦斯压力密切相关。当围压、轴压一定时，瓦斯压力改变，拟合系数a、b变化规律不同，瓦斯压力增加，拟合系数a随之变小，而拟合系数b随之变大。

在两个拟合系数中，a>0,b<0，因此可以用拟合系数a来表征围压与瓦斯压力对煤体渗透率影响的重要程度。

不同瓦斯压力及不同围压条件下拟合系数a的变化曲线见图2，不同压力、围压下得出的拟合方程见表2.

图2 拟合系数a随瓦斯压力以及围压变化规律图

表2 拟合系数a随瓦斯压力以及围压变化拟合表

据图2和表2可知，随围压、瓦斯压力增大，拟合系数a呈线性下降趋势。在多种压力条件试验中，拟合系数a1平均值比拟合系数a2的平均值小1.194 042 5.据此结果对比围压与瓦斯压力对含瓦斯煤渗透性影响效果后，得出了瓦斯压力在影响渗透性变化中占主导因素的结论。这也解释了工业性试验中煤层渗透率与实验室的渗透率有着数量级的差异，这是由于在煤体内部发生渗流的同时，吸附解吸也在进行，且始终朝着平衡的方向发展，煤层内处处都存在渗流与吸附解吸，因此总流量要大于某一个区域的流量。

2.2 轴压与围压对含瓦斯煤渗透性影响程度

地应力分为轴压和围压两部分，轴压变化对于煤体的渗流特性影响同样显著，见图3.

图3 含瓦斯煤渗透率随轴压及围压变化规律图

对图3中的曲线进行拟合，得到的拟合方程见表3.

表3 含瓦斯煤渗透率随轴压及围压变化规律拟合方程表

由图3和表3可知，在加载过程中，随着轴向应力的增加，煤体渗透率同样呈负指数减小，在弹性阶段，轴向应力越大，煤体渗透率越小；恒定轴向应力下，煤体渗透率随围压的增大呈负指数形式减小，渗透率变化与轴压、围压关系满足式(1)，因此同样可以通过判断拟合系数a的大小来比较重要程度。

围压σ3拟合系数和轴压σ1拟合系数分别为3.5、2.2，综上所述，σ3>σ1，围压为影响含瓦斯煤渗透性的主要因素。分析其原因，这是由于煤体在施加围压后，表现为横向压缩，使得煤体内部的孔隙裂隙被压密，渗流通道变窄；而在施加轴压后竖向压缩，在力的表现作用上使得围压效应减弱，煤体会在原有基础上产生一定的膨胀效应，撑大了煤体内渗流通道，减缓渗透率的进一步降低。

综上所述，在采动影响煤体渗透率最直观的影响因素中，瓦斯压力对于含瓦斯煤渗透性影响最大，围压的影响次之，轴压最小。

3 结 论

1)煤体的含水率是影响渗透率变化的主要影响因素，在稳定的应力场中煤体渗透率相对含水率呈负指数关系。

2)采动对于煤层最直接的影响是应力场和瓦斯渗流场的改变，而地应力及瓦斯压力的变化对煤体渗透率影响显著，煤体渗透率的变化与轴压、围压同样呈负指数函数关系。

3)瓦斯压力对于含瓦斯煤渗流特性影响最大，围压的影响次之，轴压影响最小。