池佃益赵 东王 毅

(1.唐山开滦赵各庄矿业有限公司,河北省唐山市,063102; 2.太原理工大学,山西省太原市,030024)

★煤矿安全★

煤体吸附过程中的变形－渗透特性试验研究∗

池佃益1赵 东2王 毅2

(1.唐山开滦赵各庄矿业有限公司,河北省唐山市,063102; 2.太原理工大学,山西省太原市,030024)

采用自主研制的煤岩三轴变形—渗透试验台,针对取自山西沁水煤田3＃煤层的试验煤样进行煤体吸附过程中的应力应变和渗透特性试验研究。结果表明:自由状态和外部压力加载状态下,煤体的变形均随吸附瓦斯压力的增加而分阶段地逐渐增加,直至较高压力时变形趋于平衡;煤体变形量随吸附量的增加而有规律地增加,表现为开始阶段增长趋势较慢,后期变化较快;在同等的瓦斯吸附压力状态下,吸附量及其对应的煤体渗透率随轴压和围压的上升而逐渐下降,下降规律接近线性;在相同的轴压和围压的组合下,吸附瓦斯的煤体渗透率随瓦斯压力的增加而逐渐增加,规律是线性的。

变形—渗透 应力应变 渗透特性 吸附量 变形量 吸附压力 煤体渗透率

我国70%以上的煤层为低渗透性煤层,这为煤层气的高效和安全开采带来了极大的困难。目前已经采取了诸如水力冲孔、水力压裂、高压水力割缝、松动爆破和交叉钻孔等技术措施,但是并没有从根本上有效地解决低渗透带来的一系列问题,且费用较大。煤层中,煤层气在裂缝系统中以游离状态存在;在孔隙和裂隙表面则主要以吸附状态存在,且90%以上的煤层气都被吸附在煤体孔隙中。瓦斯在吸附和解吸的同时,煤体会发生相应的膨胀和收缩,并且吸附态的瓦斯在一定程度上会影响煤体本身的渗透特性。

国内外有关学者进行了煤体变形或渗透特性方面的研究,李玉涛等在自主研究的岩石力学试验系统上进行了煤的单轴压缩、三轴压缩及孔隙水作用下全应力应变试验及声发射检测;姜波等通过对不同温度、压力试验条件下的不同煤级煤的应力—应变曲线的特征分析,深入探讨了不同煤化程度煤的变形行为,论述了温度和压力是影响煤变形的重要因素;杨永杰等利用MTS815.03电液伺服岩石力学试验系统和S250Mk3扫描电镜对三种煤岩性能及形貌进行分析观察,采用损伤力学分析方法对煤岩强度和变形特征的微细观机理进行了研究;张志刚利用自行研制的出入口压差可调煤岩渗透试验系统测定了在不同压差和气体介质条件下,不同吸附性能煤样的渗透性,对含瓦斯煤体的渗透规律进行了研究。以上研究针对煤吸附过程中的变形或渗透特性进行了相关试验,但现实中更需要将两种因素共同研究,阐明吸附过程中的变形和渗透规律。

由于煤体在吸附过程中,会伴随着煤基质的变形以及渗透特性的变化,因此,本文设计了一系列的试验,用以说明煤体在吸附过程中,煤体的变形与渗透特性的变化规律。

1 试验研究

1.1 试验介绍

试验设备采用自主研制的煤岩三轴变形—渗透试验台,它是由煤样放置装置、三轴应力加载装置、应力应变测试装置和孔隙压力加载装置组成。试验样品取自山西沁水煤田3＃煤层,现场取样后就地进行蜡封,以免试样在运输过程中发生氧化等反应,试样运抵实验室后,采用精细切磨加工的方式加工成100 mm×100 mm×200 mm的长方体标准试件,对于破裂处采用充填石膏的方式加以成型,以免在加压过程中出现压力泄漏的现象。

加压方式采取轴压加围压相交替的加压方式来产生所要求的三向压力或者是自然状态下的煤体。对于自然状态下,煤体在吸附瓦斯后变形量的研究,可以通过在煤体表面粘贴应变片的方式加以判定;对于三向压力下的煤体变形量测定,可以在恒定压力的状态下,通过对外部加压装置加装应变片的方式来测定。

应力应变测试装置采用精确的应变测定仪加粘贴在煤体或装置外表面的应变片来测定煤体的实际变形量随吸附瓦斯量的增加而变化的情况。并通过与自然状态下煤体在吸附瓦斯后的变形试验来对比说明煤体在吸附瓦斯后表面的变形特征。

孔隙压力加载装置采用上部进气、下部排气的方式,上部进气时,煤样在吸附瓦斯的同时由煤样下部排出瓦斯气体,等压力平衡后,可以通过排出的气体量与注入的气体量之差来计算煤体实际的吸附瓦斯量,集气装置采用排水集气的方式,收集气体的量具精度至10 ml,满足试验要求。试验原理如图1所示。

图1 实验原理图

1.2 试验过程

变形试验过程:第一阶段是三向压力下变形量随吸附量的变化试验,是待煤样加工成型后,用专用围压橡胶套包裹后放置于试验台内,煤体在自由状态下分别依次逐渐加载轴压和围压,轴压和围压均按0.1 MPa的梯度进行加载,通过轴压和围压的交替增加以及压力的保持,模拟出实际地层煤体的三向受压状态,随着吸附瓦斯量的不断增加,煤体会逐渐产生形变,直至吸附瓦斯达到饱和;第二阶段是自由状态下的煤体表面变形量随吸附瓦斯量的变化试验,是将煤样表面粘贴应变片后放置在气密性良好的密闭容器中,通过向装置内注入瓦斯(定量分阶段注气)来得出不同瓦斯吸附量下的煤体变形量。通过试验结果最终能够模拟出实际地层条件下,煤体的变形量与吸附瓦斯量之间的关系。

渗透试验过程:煤体在自由状态下分别按顺序加载轴压和围压,轴压和围压的加载分阶段按次序循环加载,以防止压力加载过快造成试样破坏,轴压按1.0 MPa的梯度进行加载,围压按0.5 MPa的梯度进行加载,通过轴压与围压的不同组合,模拟出许多的实际情况分析模型,在每一种加载压力下,待瓦斯吸附平衡后,计算此时的渗透率和瓦斯吸附量,最终能够模拟出实际煤层条件下,不同状态下的瓦斯渗透率与瓦斯赋存之间的关系。

2 试验结果

2.1 变形试验结果

2.1.1 不同状态下吸附量随吸附瓦斯压力的变化

不同状态下吸咐量随吸附压力的变化如图2所示。选择这两种轴压和围压是为了体现出不同的三轴应力状态下,吸附量随吸附压力的变化,差别正是体现了不同外部压力对煤体吸附性的影响,相同的轴压和围压反映了静水压力下的煤体状态。由于该类试验耗时较长,试样加工较困难,一次试验能够反映该状态下煤体的吸附状态,故每种条件下只进行一次试验。轴压和围压的选择是参照煤层地应力来选择的,5 MPa代表200 m埋深的煤层, 10 MPa代表400 m埋深的煤层。由图2可以看出,煤体的吸附量随吸附压力的增加逐渐增加,趋势是先快速增加然后增加缓慢,最后当压力趋于某一值时达到稳定。相同吸附压力下,自由状态的吸附量最多,轴压和围压最大时,吸附量最小。

图2 不同状态下吸咐量随吸附压力的变化

由此可得,当煤体外部存在压力约束时,煤体中的孔隙裂隙会发生闭合,继而在一定程度上降低煤的有效孔容,使得煤体的吸附能力降低。

2.1.2 不同状态下变形量随吸附瓦斯压力的变化

不同状态下煤体变形量随吸附瓦斯压力的变化如图3所示,煤体的变形量随吸附压力的增加呈现阶段性的增加,第一个增加阶段是吸附压力1.5 MPa以内,之后至2.0 MPa趋于稳定;第二个增加阶段出现在2.0～3.0 MPa,但不同状态表现不同;第三个增加阶段出现在3.5～4.5 MPa,同样不同状态表现不同;但共同点是有外部压力存在前提下的趋势相似。

图3 不同状态下煤体变形量随吸附瓦斯压力的变化

煤体在无外部压力约束时,产生形变的能力最大,同等吸附压力下的变形最大。存在外部压力时,预先对煤体产生了一定的形变约束,这种约束限制了煤体的自由膨胀,使得同等条件下,形变能力降低。随着外部压力的增加,这种约束或限制作用越大,煤体的形变也就越小。

2.1.3 变形量与吸附量之间的关系

不同状态下煤体变形量随吸附量的变化如图4所示,煤体的变形量随吸附量的变化呈现先匀速增加,然后到达某一数值时突然增加,在吸附量小于10 L时,增长速率较低,超过该值时,迅速增加,这说明煤体变形量与吸附量的关系,存在一个变化阈值,低于此值,增长缓慢,而一旦高于此值,呈现快速增长。

图4 不同状态下煤体变形量随吸附量的变化

说明煤体对瓦斯的吸附随吸附压力的增加作用于煤体中的机制会发生变化。吸附压力较低时,瓦斯在煤中的主要赋存方式是充填煤体的孔隙。随着吸附压力的增加,煤中孔隙的瓦斯会逐渐趋于饱和。在这种情况下,瓦斯压力的继续增加,会使得煤体需要多余的空间来贮存瓦斯,也就产生了煤体的膨胀变形。所以煤体膨胀的根源是吸附态瓦斯在煤中赋存的结果。

2.2 渗透试验结果

2.2.1 同等吸附压力下吸附量随体积应力的变化

为了更加形象具体地描述外部压力作用对煤体吸附性的影响,引入了体积应力的概念,就是指煤体所承受的轴向压力与径向压力之和(体积应力,即煤体3个方向的应力总和)等于轴压和两个垂直方向的围压之和。同等吸附压力下吸附量随体积应力的变化如图5所示,图中显示在各自吸附压力下,吸附量均随体积应力的增加而逐渐下降。由图5可以得出,随着体积应力的增加,煤体发生一定量的收缩变形,使得吸附瓦斯的孔隙体积有所减小,从而导致吸附量的下降;随着吸附压力的增加,抵抗外界压力产生的形变能力会越强,也就是在同等条件下吸附量越多。

图5 同等吸附压力下吸附量随体积应力的变化

2.2.2 同等吸附压力下渗透率随体积应力的变化

同等吸附压力下渗透率随体积应力的变化如图6所示,图中在各自吸附压力下,渗透率随体积应力的增加逐渐降低。由于体积应力的逐渐增加,煤体的孔隙发生收缩变形的程度会越高,也就导致用于渗透的孔隙数量或体积逐渐减少,使得煤体的渗透率下降。

图6 同等吸附压力下渗透率随体积应力的变化

说明煤体渗透的关键在于煤中孔隙裂隙的发育程度,良好的孔裂隙发育可以有效促进煤体的渗透性,所以本试验也说明,提高煤层渗透率的关键是增加煤体本身的孔隙发育程度。

2.2.3 相同轴压和围压下吸附量随瓦斯压力的变化

相同轴压和围压下吸附量随瓦斯压力的变化如图7所示,在同等的轴压与围压条件下,吸附量随瓦斯压力的增加逐渐增加,呈现出非常良好的线性关系。说明同等的外部压力环境下,吸附量只与吸附瓦斯的气体压力有关。较高的吸附压力说明煤中赋存的瓦斯越多,此时煤贮存瓦斯的能力越强。

图7 相同轴压和围压下吸附量随瓦斯压力的变化

3 结论

(1)自由状态和外部压力加载状态下,煤体的变形均随吸附瓦斯压力的增加而分阶段地逐渐增加,直至较高压力时变形趋于平衡;煤体变形量随吸附量的增加而有规律地增加,表现为开始阶段增长趋势较慢,后期变化较快。

(2)在同等的瓦斯吸附压力状态下,吸附量及其对应的煤体渗透率随轴压和围压的上升而逐渐下降,下降规律接近线性。

(3)在相同的轴压和围压的组合下,吸附瓦斯的煤体渗透率随瓦斯压力的增加而逐渐增加,增长规律呈现线性。

[1] 赵东,冯增朝,赵阳升.煤层瓦斯解吸影响因素的试验研究[J].煤炭科学技术,2010(5)

[2] 赵阳升.矿山岩石流体力学[M].北京:煤炭工业出版社,1994

[3] 李玉涛,杨永杰,杨圣奇.三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性[J].北京科技大学学报, 2011(6)

[4] 姜波,秦勇,金法礼.煤变形的高温高压实验研究[J].煤炭学报,1997(1)

[5] 杨永杰,王德超,王凯.煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理[J].北京科技大学学报,2011(6)

[6] 张志刚.含瓦斯煤体渗透规律的实验研究[J].煤矿开采,2011(5)

[7] 闫凯,赵东.水分对煤吸附瓦斯特性影响及微观机理实验研究[J].中国煤炭,2013(3)

Experimental study on the characteristics of deformation and permeation during coal-bed methane adsorption

Chi Dianyi1,Zhao Dong2,Wang Yi2
(1.Zhaogezhuang Mining Co.,Ltd.,Kailuan Group,Tangshan,Hebei 063102,China; 2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

Coal triaxial deformation-permeation experimental system developed independently had been implied to research the stress-strain and permeability characteristics of coal sample in process of coal-bed methane adsorption,and the coal sample was taken from No.3 coal seam of Qinshui coalfield in Shanxi Province.The results showed that in a state of free or external pressure loading,coal transformation increased gradually by stages following the increase of absorbed gas pressure,the transformation tended to balance until the pressure became higher.Coal deformation increased regularly following the increase of adsorbing capacity,it had slower growth trend in incipient stage and faster in later stage.Under the same absorbed gas pressure,coal adsorbing capacity and permeability decreased gradually following the increase of axle load and confining pressure,and the decline law was close to linear;if the axle load and confining pressure were invariable,the permeability of coal increased regularly following the increase of gas pressure,and the law was linear.

deformation and permeation,stress and strain,permeability characteristics,adsorbing capacity,deformation,adsorption pressure,coal permeability

TD712.52

A

池佃益(1972－),男,山西天镇人,工学学士,煤矿通风与安全工程师,主要从事矿井一通三防方面的技术管理工作。

(责任编辑 张艳华)

国家自然科学基金(21373146, 51304142),山西省基础研究计划项目(2013011009－1, 2013021029－3),山西省高等学校创新人才支持计划(2014)