煤樣滲透性及滲流穩定性的實驗研究

邵 杰，李金平，盧小海

（1.外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室 重慶地質礦產研究院；2.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室；3.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心，重慶 400042）

煤樣滲透性及滲流穩定性的實驗研究

邵 杰1，2，3，李金平1，2，3，盧小海1，2，3

（1.外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室 重慶地質礦產研究院；2.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室；3.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心，重慶 400042）

煤樣的滲透試驗是獲取煤層滲透特性對的重要手段。本文利用瞬態法對礦區的幾塊煤樣進行滲透性測試，旨在對煤層的滲流穩定性進行進一步研究和探討，并對煤樣的加速度系數和滲流穩定性 指數進行研究，一邊為礦區的進一步發展和開發提供更好的理論依據。

煤樣；滲透性；穩定性

研究指出，煤樣的滲透特性與煤層的滲透特性之間有著很大的區別，且由于煤的承載力較差滲透試驗難以順利開展，這對礦區的開發利用有著很大的限制作用。

有報道指出，煤塊的變形能夠在很大程度上對煤塊的空間縫隙造成改變，這就進一步導致了煤塊的滲透性隨之改變。在煤樣的應力變化過程中，由于煤內部不斷產生的 裂隙及其進一步變化和發展，其滲透性會時刻隨之而發生變化。然而在實際生產實踐中的滲透性實驗過程中，受到檢測設備壓力因素的影響，煤塊之間的縫隙有不同程度的聚合現象，這就導致試驗的結果不準確。雖然近年來隨著科學技術的不斷發展和進步，實驗室在檢測煤樣的滲透性方面已經形成了一套非常完善的技術，但在后續數據的處理過程中工作人員往往忽視了Darcy流引發的滲透失去穩定性。

煤的滲透性指的就是煤作為多空介質的一種固有屬性，這種特性與試驗用的設備和相關材質并無關聯。在實驗過程中，試驗的開展往往受到滲透率離散現象 的影響，因而其得到的數據往往不同，難以達到一個統一的標準。對此，我們就滲流的穩定性指數來對滲流穩定性進行研究。

1 滲流穩定性指數的計算與判定

據相關研究報道指出，我們假定巖層的厚度為l，那么其滲流失去穩定性必須要滿足一下數學統計公式：即χ = 1 +4 βk2ρ0p0/μ2l ＜ 0，在此公式之中χ反映滲流狀態的參量；β指的是非 Darcy 流 β 因子，m-1；k表示的是巖層滲透率，m2；ρ0表示的是滲流介質對應于壓力的質量密度，kg / m3；p0指的是巖層上下底面的壓力差，Pa；μ指的是流體的動力黏度，Pa·s。當 χ ＞ 0 時，表示滲流是非常穩定的，特別是當χ 大于等于1 時，滲流的速度非常大，甚至近似 Darcy 流動；而當 χ ＜0 時，滲流將會失去穩定性。 故此，我們將 χ 定義為滲流穩定性指數。上述公式也同時表明，滲流穩定性的指數是隨著不同的壓力梯度（即：p0/l）的變化而不斷發生變化的。

2 試驗的研究過程及結果分析

我們在實驗過程中設定壓力梯度（即：p0/l）為15MPa/m進行研究，采用瞬態滲透法對煤樣Darcy流的滲透性質進行探討。

研究數據表明，所有參與研究的煤樣的滲透性質并不是單純的隨著應變量的變化而發生變化，數學公式及相應的處理方法也很難對其進行準確有效的分析。但有一點是非常明確的，那就是非 Darcy 流 β因子和加速度系數趨勢相同， 滲透率與滲流穩定性指數的變化趨勢近似相同。這就說明工作人員只需要根據樣本的滲透性即可判定出其滲流是否失去穩定性，此外，滲流失穩還與樣本的承載力有著很大的關系，若承載力足夠大的話是不可能發生滲流失穩現象的。

3 煤樣滲流的穩定性探討

研究表明，若要滲流系統發生失穩現象，那么其必須要滿足數學統計過程中Darcy流中的β 因子的計算結果為負數。我們本次研究的數據結果顯示，雖然出現了負數，但這也是僅僅表明在我們的試驗設定條件之下，即壓力梯度（即：p0/l）為15MPa/m，壓力梯度大于這個數值的時候才會出現失穩狀況。研究還同時指出，煤樣在研究過程中所處的液體環境以及煤層實際出現的裂隙情況都會對實驗結果造成很大的影響。

比如說，根據上述研究結論；在實際的煤層分布區域中，有的區域就可能會存在裂隙較為密集的現象，其程度甚至達到破壞煤層固有結構的地步，在這種情況之下，煤層的滲透性質與樣本的測量結果可能會存在非常大的差異，即便是外界很小的壓力也會影響其穩定性，當然，這是人力所無法預知和控制的。

通過上述的研究和探討，我們得出以下的結論供今后的實際生產作為依據：首先，在煤樣的試驗破壞過程中，其滲透性會隨著應變量的不斷增大而發生一定程度的變化，與此同時非Darcy流β 因子與加速度的變化趨勢大概一致，滲透率也與滲流穩定性指數的變化密切相關；其次，圍壓對煤樣的滲透性有著很大程度的影響，但這與試驗的條件有著很大的關聯，因為圍壓小的話本次試驗將無法順利開展，但若圍壓太大導致樣本變形，那么就無法對其密封，同樣影響試驗進程，本次研究結果證實在圍壓控制在4MPa的時候，煤樣的滲透性不會有大幅度的變化；再者，在圍壓控制在4MPa的時候以及在密封的要求下，煤樣滲透試驗中非 Darcy 流 β 因子、加速度系數出現負數的可能性非常低，這就預示著滲流穩定性指數出現負值的概率也會隨之變小；最后，試驗研究有著其自身的局限性，如若煤樣的滲透特性與煤層的滲透特性存在較大程度的差異，那么檢測數據的準確性有待于進一步考量，正如上文所說，我們在實驗過程中檢測的煤樣沒有發生失穩并不等同于煤層 就不會發生失穩，其具體效果還有待于進一步檢測。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.070