低階煤煤體變形特征及滲流規律實驗研究

吳信波， 李貴紅， 劉鈺輝， 朱文俠

(中煤科工集團西安研究院有限公司， 西安 710054)

低煤階煤是煤化作用早期階段形成的產物，通常指煤巖鏡質組反射率小于0.65%的煤，主要包括褐煤和長焰煤。中國低煤階煤層氣分布面積廣，資源豐富，約占全國總量的40%[1-4]，煤層滲透率是表征煤層氣在煤層中流動難易程度的重要參數，直接影響著煤層氣的開發效果[5]。因此，研究低階煤煤體變形特征及滲透率變化規律對煤層氣地面開發及礦井瓦斯防治具有重要的意義。

目前，已有學者開展了煤體變形和滲透率與孔隙壓力之間的相關實驗研究。林柏泉等[6]研究了含瓦斯瘦煤煤樣在圍壓力不變的前提下，煤樣變形和滲透率與孔隙壓力的關系；胡耀青等[7]開展了三維應力作用下無煙煤煤體瓦斯滲透實驗，研究了煤的瓦斯滲透系數與孔隙壓力的關系；吳世躍等[8]研究了不同軸壓和圍壓條件下無煙煤煤體軸向應變與孔隙壓力的關系；唐巨鵬等[9]在保持軸壓和圍壓不變情況下，開展了長焰煤煤樣孔壓逐級增加和降低過程中，滲透率與孔壓的關系實驗；尹光志等[10-11]在固定軸壓和圍壓情況下，開展了無煙煤型煤樣變瓦斯壓力瓦斯滲透試驗，研究了瓦斯滲透速度和煤樣滲透率與瓦斯壓力之間的關系；朱卓慧等[12]通過保持軸壓和圍壓恒定，研究了無煙煤型煤樣滲透率與瓦斯壓力的關系；杜新鋒[13]通過開展不同煤體結構煤三軸應力條件下滲透率實驗，研究了在軸壓和圍壓一定時，煤儲層滲透率與孔隙壓力的關系；梁冰等[14]開展了不同圍壓和孔隙壓力條件下的無煙煤型煤樣解吸-滲流試驗，研究了徑向應變和滲透率與孔隙壓力的關系。

通過對實驗研究的調研發現，目前開展的實驗大多集中于中、高煤階煤滲透率和單向應變規律研究，現在前人研究的基礎上，利用煤巖體應力-滲流-溫度多過程耦合試驗系統分別開展低階煤樣品在有效應力(變圍壓)、基質收縮(變圍壓、孔壓)和二者綜合(變孔壓)作用下煤體變形及滲透率變化實驗，闡述煤體變形和滲透率變化特征，以期對焦坪礦區低階煤地面煤層氣開發和瓦斯防治工作提供指導。

1 實驗裝置與方案

1.1 實驗煤樣

為了研究低階煤煤體變形特征和滲透率變化規律，實驗選取焦坪礦區下石節煤礦3#煤原煤樣，煤階為長焰煤。通過機械加工成特定尺寸(Φ50 mm×100 mm)的煤樣，對煤樣粘貼應變片，連接導線，封裝，如圖1所示。

圖1 加工和封裝完畢煤樣Fig.1 Processed and packaged coal samples

1.2 實驗裝置

實驗設備為煤巖體應力-滲流-溫度多過程耦合試驗系統，該實驗系統由巖芯滲流夾持器、高精度柱塞泵、注氣/液裝置、水浴池與數據采集系統組成，如圖2所示。采用微機電液伺服閉環控制，可任意設定應力加載速率、溫度、注氣/注液速率。實驗數據由計算機自動采集，數據曲線實時顯示。該實驗裝置可保持出氣端壓力的恒定。

圖2 煤巖體應力-滲流-溫度多過程耦合試驗系統Fig.2 The multi-process coupling test system of stress-seepage-temperature of coal and rock mass

1.3 實驗步驟

(1)檢查裝置氣密性，安裝試樣。啟動軟件，調試軟件，清零，記錄變形量。

(2)調節三軸應力加載泵，先將圍壓調節至5.0 MPa，軸壓調節至12.5 MPa，然后再將圍壓調節至12.5 MPa，實驗過程中保持軸壓和圍壓一致。

(3)調整孔壓加載泵：將孔隙壓力調至3.6 MPa，關閉夾持器后端閥門，試樣飽和吸附72 h。

(4)將圍壓逐次增加至16.0 MPa，每次增加0.5 MPa并平衡2 h后，測量相應的徑向、軸向應變和氣體流量。

(5)將圍壓逐次降低至12.5 MPa后，將孔壓和圍壓分別從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，測量相應的徑向、軸向應變和氣體流量。

(6)將圍壓和孔壓分別調至12.5 MPa和3.6 MPa，試樣飽和吸附72 h后，保持圍壓恒定12.5 MPa，打開后端閥門，采用ISCO泵保持相應孔隙壓力，將孔壓分別從3.6 MPa逐次降低至0.6 MPa，每次降低0.5 MPa并平衡2 h后，測量相應的徑向、軸向應變和氣體流量。

實驗采用CH4氣體，圍壓和孔隙壓力的取值考慮了原始煤層所處的應力狀態，便于研究實際生產過程中的煤體變形特征和滲透率變化規律。

2 實驗結果與分析

圍壓或孔壓變化時，煤體徑向變形和軸向變形都會發生，體積應變(徑向應變的2倍與軸向應變之和)可以綜合反映二者效果，因此將體積應變作為煤體變形的分析指標，本文中規定壓縮為負應變。實驗過程中煤體的滲流過程認為符合達西定律，其滲透率計算公式為

(1)

式(1)中：K為煤體的滲透率，m2；Q0為通過煤體的穩定流量，m3/s；P0為標準大氣壓力，取0.103 MPa；μ為甲烷的動力黏度，11.067 μPa·s；L為煤樣的長度，m；A為流體通過的截面積，m2；p1為煤體入口絕對壓力，Pa；p2為煤體出口絕對壓力，Pa。

2.1 有效應力效應

對實驗數據進行篩選，選取步驟(4)過程中穩定時圍壓測點所對應的徑向、軸向應變和氣體流量，計算相應的體積應變和滲透率，作出關系曲線如圖3所示。

圖3 滲透率比、體積應變與有效應力關系Fig.3 The relationship of permeability ratio, volume strain and effective stress

根據Seidle等研究[15]，滲透率比與有效應力關系可表示為

(2)

式(2)中：k/k0為滲透率比；cf為裂縫壓縮系數，MPa-1；σ為有效應力；σ0為初始有效應力，MPa。根據式(2)計算可得，煤樣B-1和B-2的裂縫壓縮系數分別為0.032 9 MPa-1和0.077 1 MPa-1；根據文獻[16-17]可知，沁水盆地高煤階煤裂隙壓縮系數為0.062～0.079 4 MPa-1，低煤階煤裂隙壓縮系數略低于高煤階煤。

分析圖3可得，隨著有效應力增加，滲透率逐漸減低，體積應變為負，表明煤體逐漸收縮；滲透率比與體積應變正相關，體積應變越小，滲透率比越小，表明滲透率下降幅度越大。對比可以發現煤樣B-2變形量大于煤樣B-1，說明煤樣B-2的變形特性對有效應力變化更加敏感。

2.2 基質收縮效應

對實驗數據進行篩選，選取步驟(5)過程中穩定時孔隙壓力測點所對應的徑向、軸向應變量和氣體流量，計算相應的體積應變和滲透率，作出關系曲線如圖4所示。

圖4 基質收縮過程中滲透率比、體積應變與孔壓關系Fig.4 Curve of permeability ratio, volume strain and pore pressure during matrix shrinkage

根據Levine等[18]研究，基質收縮過程中，體積應變與孔壓關系符合朗格繆爾曲線形式，即

(3)

式(3)中：p為孔壓，MPa；εv為孔壓p對應的體積應變；εmax為孔壓無限大情況下對應的體積應變，即朗繆爾應變；pL為體積應變為εmax一半時對應的孔壓，即朗繆爾壓力，MPa。根據式(3)計算可得，煤樣B-1和B-2對應的εmax為0.003 687和0.009 346，pL為2.188 MPa和3.812 MPa；根據文獻[17]可知沁水盆地朗繆爾應變εmax為0.016 5，朗繆爾壓力pL為4.200 MPa。低煤階煤朗繆爾應變和朗繆爾壓力均低于高煤階煤。

分析圖4可得，隨著孔壓的下降，滲透率逐漸增加，體積應變為負，表明煤體逐漸收縮；滲透率比與體積應變負相關。對比可以發現煤樣B-2變形量大于煤樣B-1，說明煤樣B-2的變形特性對孔壓變化更加敏感。

2.3 有效應力、基質收縮的綜合效應

對實驗數據進行篩選，選取步驟(6)過程中穩定時孔隙壓力測點所對應的徑向、軸向應變和氣體流量，計算相應的體積應變和滲透率，對應關系曲線如圖5所示。

分析圖5可得，隨著孔壓的下降，滲透率先下降后增加，體積應變為負，表明煤體逐漸收縮。對比可以發現煤樣B-2變形量大于煤樣B-1，說明煤樣B-2的變形特性對有效應力變化更加敏感。

2.4 滲透率變化與理論模型對比分析

目前，中外建立的等外力條件下的滲透率動態變化模型主要是基于應變變化和應力變化[19-22]，其中基于應變變化的代表模型有R-C模型和Guo模型，基于應力變化的代表模型有C-B模型和Lu模型，選取煤體參數如表1所示，本次實驗數據與典型模型的對比如圖6所示。

圖6 實驗數據與典型模型對比Fig.6 Comparison between experimental data and typical models

由圖6可以看出，Lu模型預測數據與實驗數據吻合度更高，而C-B模型預測數據高于實驗數據，分析模型可得，這種偏高的行為可能是由于C-B模型未考慮煤基質變形對孔裂隙的影響以及低煤階具有較高的孔隙度和裂隙壓縮系數引起的。

2.5 煤樣變形及滲透性變化原因分析

上述實驗結果表明，煤樣圍壓、孔壓變化與煤體變形特征和滲透率變化規律具有一定的內在聯系。在滲流過程中，圍壓、孔壓的變化會引起煤體產生變形，進而影響到煤樣滲透率的變化。在煤體不破壞的情況下，這種變形宏觀上表現為體積應變，微觀上表現為裂隙大小和基質體積的變化，宏觀上的應變是微觀變形綜合作用的結果。

實驗過程中當孔壓恒定，圍壓逐漸增大過程中，有效應力增加，煤體骨架被逐漸壓縮，裂隙體積減小，造成煤體體積負應變增加及滲透率減小；當圍壓與孔壓同步減小過程中，煤基質逐漸收縮，裂隙體積增大，造成煤體體積負應變和滲透率增加；當圍壓恒定，孔壓逐漸減小過程中，有效應力增加，裂隙縮小，煤體體積負應變增加，滲透率減小，另一方面解吸作用使煤基質收縮，裂隙增大，煤體體積負應變增加，滲透率增大。體積應變指標更能明顯的顯示這種變形效果，同時存在一個孔隙壓力值使得滲透率值最小，隨著孔隙壓力降低，煤體滲透率會出現先降低后增加的趨勢。

3 結論

(1)以焦坪礦區低階煤為研究對象，研究了有效應力、基質收縮以及二者綜合作用過程中，飽和吸附狀態的煤煤體變形特征和滲透率變化規律；測量了焦坪礦區煤儲層的裂隙壓縮系數、朗繆爾應變和朗繆爾壓力等參數。

(2)在有效應力逐漸增加的過程中，煤體體積負應變逐漸增大，煤體收縮，滲透率逐漸減小；滲透率比與體積應變正相關，體積應變越小，滲透率比越小，表明滲透率下降幅度越大。基質收縮過程中，隨著孔壓的逐漸下降，煤體體積負應變逐漸增大，煤體收縮，滲透率逐漸增加；滲透率比與體積應變負相關。

(3)有效應力和基質收縮二者綜合作用條件下，隨著孔壓的逐漸下降，煤體體積負應變逐漸增大，煤體收縮，滲透率先減小后增加，通過與典型滲透率動態變化模型比較，Lu模型與實驗數據吻合度更高，可以有效指導地面煤層氣開發和煤礦瓦斯防治。