荆俊杰,梁卫国,张倍宁,黎 力

(太原理工大学 矿业工程学院,原位改性采矿教育部重点实验室,太原 030024)



含水率对煤层瓦斯渗流特性影响的试验研究

荆俊杰,梁卫国,张倍宁,黎 力

(太原理工大学 矿业工程学院,原位改性采矿教育部重点实验室,太原 030024)

针对煤层注水软化或水力增透技术造成的煤体含水率高,进而影响煤层瓦斯的渗流特性的问题,利用自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯渗流试验设备,对原煤试件进行了25 ℃、31 MPa恒定温压条件下含水率(质量分数)分别为0%,2%,4%,6%,8%的瓦斯渗透性试验。研究发现,在恒定温压条件下,煤样渗透率随渗透压的增加而增加,且含水率越高,渗透率随渗透压升高增加越快;瓦斯的启动压力随含水率的增加而增加,在不同的含水率条件下,可测到渗透率的最低瓦斯渗透压力为2 MPa,由于渗透压力较大,渗透过程中的Klinkenberg效应不明显;瓦斯渗透率随含水率的增加呈指数降低,当含水率低于6%时渗透率随含水率增加降低较快,当含水率高于6%时含水率对渗透率的影响程度减弱;在煤体注水过程中,煤体弹性模量会降低,使得煤体在轴向和径向的压缩应变增大,当含水率超过6%后,含水率对于煤体变形的影响减弱,且煤体变形过程中表现出各向异性,轴向应变始终大于径向应变。该结论对于煤层注水或水力压裂后,煤层中瓦斯运移规律变化研究有一定的指导意义。

煤层瓦斯;渗透率;含水率;变形;各向异性

在煤矿开采过程中,煤与瓦斯突出的防治和提高瓦斯抽采率一直是工程上较为关注的问题,相应地煤层注水[1-2]、水力压裂[3-4]、水力割缝[5-6]等成为较为广泛采用的解决措施。但在此过程中,水作为压力液体进入煤体中,进而对瓦斯在煤体中的解吸和运移产生影响。

关于水分对煤层瓦斯解吸特性的影响,许多学者已经进行过研究。张国华等[7]研究了水锁效应对煤体瓦斯解吸的影响,发现外液侵入1 h内,煤体瓦斯解吸量降低7% ～26%;聂百胜等[8-9]利用6种不同含水率的煤样对瓦斯的极限解吸量进行研究,并应用分子热力学和表面物理化学理论研究了煤吸附水的微观机制;赵东等[10]研究了高压注水对煤体瓦斯解吸特性的影响。

煤体在吸附水分后力学特性会发生改变。蒋承林[11]通过不同含水率煤样力学试验和理论分析,认为煤层在吸附水后强度降低,塑性增强。蒋长宝等[12]在恒定的有效应力条件下,进行了不同原始含水率的含瓦斯煤样全应力-应变瓦斯渗流试验,发现随着含水率的增加,煤样抗压强度降低。

吸水后的煤体渗流特性会发生改变。魏建平等[13]利用型煤试件,进行了不同含水率条件下瓦斯的渗透性试验,发现瓦斯渗透率与含水率呈负相关关系;刘震等[14]采用型煤试件进行了高压注水煤样和液态水润湿煤样的渗透率测试,发现相比于干燥煤样,高压注水煤样渗透率有所提高；WANG Shugang et al[15]利用3种不同类型裂隙的煤样进行不同含水率条件下煤体渗透率研究,发现煤体吸水后孔隙率降低导致渗透率下降。

以上试验研究,采用煤样多为型煤煤样,且试件尺寸较小。而煤是一种不均质的多孔介质,内部孔裂隙十分发育,这些裂隙对煤体的渗透和力学特性均有十分重要的影响。因此笔者采用大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)原煤试件,试件内部包含丰富的孔裂隙结构。同时,上述研究中,煤体含水率控制多数采用饱和吸水的方式,一方面不能控制煤体的含水率,另一方面也不能真实模拟井下煤体注水过程。因此,本文利用平流泵以恒压方式向煤体中注水,并通过注入水计量来控制煤体内含水率。模拟煤层在注水后,不同含水率条件下煤体渗透率和力学特性变化,为工程实践提供一定的理论依据。

1 试验概况

1.1 试验试件

本次试验的煤样试件取自山西沁水煤田东缘,左权县境内15#煤层,煤阶属贫煤。为减少机械加工过程中震动对煤体原生结构影响,先采用手工方法将大块的原煤加工成煤样粗胚,然后用磨砂机打磨成100 mm×100 mm×200 mm长方体煤样试件。再将加工好的煤样放入真空干燥箱内干燥72 h,保证煤体达到绝对干燥状态。取出煤样试件进行称重,煤样重2 790.59 g,在相同温压条件下,对多组煤样试件进行不同含水率(质量分数,0%,2%,4%,6%,8%)条件下CH4渗透性实验。试验过程中,流体流动沿层理方向,即试件高度方向。

1.2 试验装置

试验使用MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯渗流试验设备(图1),该装置通过一台平流泵可实现恒定压力或恒定流量的水流注入；轴压、围压分别由一台PLC注入泵控制,在保证压力稳定的同时,通过泵体自身的注入流量的变化,还可推算煤体轴向和径向变形量。加热保温装置可以保证试件始终处于恒温环境中。

图1 试验装置示意图Fig.1 Sketch of the experimental equipment

1.3 试验步骤

在体积应力31 MPa、温度25 ℃条件下,对贫煤试件分别进行不同含水率(质量分数,0%,2%,4%,6%,8%)的瓦斯渗透性试验,具体步骤如下。

1) 将试件装入压力室中,交替加载轴压、围压分别至11 MPa、10 MPa;

2) 将压力室温度加热至25 ℃,并对试件进行连续48 h抽真空处理;

3) 调节调压阀至设定压力,打开注入阀门,以恒定的压力向煤体中注入CH4,待出口流量稳定后,记录数据;

4) 调节调压阀至下一设定压力,重复步骤3),直至完成该体积应力条件下所有的渗透率测试;

5) 对试件进行48 h抽真空处理,打开平流泵,以恒定的压力向煤体中注入55.81 mL的水,使煤体含水率达到2%,模拟煤层注水或水力增透过程;

6) 关闭平流泵,重复步骤3)-4),直至完成该条件下所有渗透率测试;

7) 打开平流泵,以恒定压力向煤体中注水至下一含水率,重复6),直至完成不同含水率条件下煤体的渗透性测试。

1.4 试验原理

瓦斯在煤体中的渗透规律符合达西定律[16],其计算公式为:

(1)

式中:K为渗透率,m2;Q为气体流量,m3/s;μ气体动力黏度,Pa·s,甲烷取11.067×10-3Pa·s;h为试件高度,m;p1为进口压力,Pa;p2出口压力,Pa;A为试件横截面积,m2。

2 试验结果

2.1 渗透压对渗透率影响

渗透压力的计算公式为:

式中:p为渗透压力,Pa。

图2为在25 ℃、31 MPa恒定温压条件下,瓦斯在不同含水率的煤样中渗透率随渗透压的变化关系。由图可以看出,在相同的含水率条件下,随着渗透压力的升高,瓦斯的渗透率逐渐增大。且当渗透压小于7 MPa时,随含水率的增加,渗透率随渗透压升高增加越快；在渗透压由6.5 MPa增加至7 MPa过程中,含水率为0%，2%，4%，6%，8%条件下,煤样渗透率分别增加2.13%，5.99%，15.37%，18.55%，36.38%。

图2 25 ℃、31 MPa恒定温压条件下,瓦斯在不同含水率的煤样中渗透率随渗透压的变化关系Fig.2 Under the stable condition of 25 ℃、31 MPa,the coal permeability varies with the seepage pressure under different moisture content

魏建平等[13]研究发现，在不同含水率条件下,随着渗透压的升高,渗透率呈现先减小后增大的变化趋势,Klinkenberg 效应十分明显；但在本次实验过程中,并未出现该现象。这主要是由于其试验试件为型煤,试件成分较为均匀,试件所受体积应力较小(最高仅为15 MPa),在较小的渗透压下(0.2～0.8 MPa)即可测到渗透率值。煤体在吸水后,水分子附着在煤体表面,使得瓦斯在煤体中流动的黏滞阻力性能降低[14],Klinkenberg效应在0.6 MPa渗透压力下表现十分明显[13]；而在干燥煤样中,Klinkenberg 效应主要在1 MPa渗透压下较为明显[17],含水率增加后,Klinkenberg 效应影响范围降低。

由于本次试验采用原煤试件,且试件所受体积应力较大(31 MPa),含水饱和度增加后,瓦斯的启动压力梯度也相应增加[18],在本次设备可检测范围内,有气体渗出的瓦斯渗透压力随含水率逐渐增大,且最小为2 MPa,因此Klinkenberg效应不再明显,渗透率随渗透压增大而增大。

同时,在煤样吸水过程中,由于氢键和范德华力的作用,水分子吸附在煤体表面,这种吸附作用强于瓦斯与煤体之间的范德华力作用[14],降低了CH4分子与煤体的直接接触。随着煤体含水率不断升高,附着在煤体表面的水分子逐渐增多,瓦斯被煤体捕获的概率进一步降低。在渗透过程中,吸附的瓦斯越少,由瓦斯吸附引起的煤体膨胀越小。因此,在相同的温压条件下,升高相同渗透压力,含水率高的煤样渗透率增加程度较大。

2.2 含水率对渗透率的影响

图3为在恒定温度和渗透压条件下,煤样渗透率随含水率的变化。由图可以看出,随着含水率的增加,煤体渗透率呈指数下降。在7.5 MPa渗透压条件下,当含水率由0%增加至4%时,煤样渗透率由14.94×10-4md下降至5.61×10-4md,下降62.45%。

图3 在恒定温度和有效应力条件下煤样渗透率随含水率的变化Fig.3 Under the stable condition of effective stress,the coal permeability varies with moisture content

表1为3种渗透压条件下,煤体渗透率的降低率(某一含水率下煤体渗透率与下一含水率较高的煤体渗透率的差值的之比)随着含水率的变化。由表可以看出,当含水率低于6%时,随着含水率的升高,煤体中水分对渗透率的影响逐渐增大；在含水率超过6%后,水分增加对煤体渗透率影响减弱。在7 MPa渗透压力下,当含水率由4%增加至6%时,煤样渗透率增加60.86%；而在含水率由6%增加至8%时,煤样渗透率下降31.45%。

表1 不同渗透压条件下渗透率降低率随含水率的变化

在煤层注水初期,水分子首先进入较大的裂隙和割理中,水分子吸附在裂隙表面或占据整个裂隙空间,使得瓦斯运移的有效通道减小甚至闭塞；且随着注水量的增大,水分在煤体裂隙和割理中占据的空间进一步增大,瓦斯的渗透率进一步降低,这使得煤体含水率由0%增加至6%过程中,煤体的渗透率下降逐渐增大。

由于煤体裂隙空间有限,当较大裂隙被水分子填充完后,水分子进一步向煤体内微裂隙、无效裂隙及非连通孔隙中运移。由于无效裂隙和非连通孔隙并未参与流体渗流过程,使得含水率进一步增加对煤体渗透率的影响减弱。

相反,在煤层气开采过程中,随着排水降压的不断进行,煤体的含水率不断下降,煤基质表面自由能增加,引起煤基质收缩,在渗透压不变的条件下,煤体渗流通道增大;同时含水率降低使得煤体孔裂隙中水分减少,煤体渗流通道有效通过面积增加,煤体渗透率随含水率的降低而升高。

2.3 渗透过程中的力学特性变化

图4 25 ℃、31 MPa体积应力条件下,煤体在不同渗透压下各应变随含水率的变化关系Fig.4 Under the stable condition of 25 ℃、31 MPa,axial and radial strain vary with moisture content under different seepage pressure

图4为25 ℃、31 MPa体积应力条件下,煤体在3种渗透压下轴向应变和径向应变随含水率的变化关系。由图可以看出,随着含水率的升高,煤样的压缩应变逐渐增大,与渗透率随含水率变化趋势一致。在含水率低于6%时,随着含水率增加,煤样的压缩应变增加较快；当含水率超过6%后,两个方向的压缩应变增加趋势减缓。在7.5 MPa渗透压下,当含水率由4%增加至6%时,煤样的轴向压缩应变由3.432 9×10-3上升至7.737 8×10-3,增加了125.41%；径向压缩应变由1.056 9×10-3上升至2.921 4×10-3,增加了176.41%。在含水率由6%增加至8%时,轴向压缩应变和径向压缩应变仅上升至11.106 4×10-3和3.846 5×10-3,分别仅增加43.53%和31.67%。

煤样的弹性模量随含水率的增加逐渐降低[12],在相同的渗透压条件下,含水率越大,煤样压缩应变越大；但当煤样含水率超过某一值时,水对煤体的弱化作用开始降低,煤体压缩应变减小。

煤样试件吸水后发生膨胀,由于煤体所受体积应力较大,膨胀只能转向煤体内部；同时,煤体弹性模量降低,在外部应力恒定的情况下,煤体进一步被压缩,两者共同作用,使得煤体渗透率随含水率增加而降低。

值得注意的是,在本次试验过程中,煤体的轴向应变始终大于径向应变。这主要是由于水在裂隙中的封堵作用,瓦斯在煤体径向方向运移较为缓慢,CH4分子很难传递至煤样试件侧面并最终作用到径向方向。在含水率为6%,渗透压为7.5 MPa条件下,渗透稳定后,在沿煤体层理方向试件表面均匀分布3个孔隙压力测点值为4.31，0.04，0.35 MPa,所以在径向方向煤体孔隙压力较小。

3 结论

1) 在相同的温压和含水率条件下,煤样瓦斯的渗透率随渗透压的升高而增大,且由于水分子的吸附减少了煤体中瓦斯的吸附量,煤样含水率越高,渗透率随渗透压升高增加越快。

2) 在25 ℃、31 MPa体积应力条件下,瓦斯的启动压力随含水率的增加而增加,由于渗透过程中瓦斯渗透压较高,渗透过程中的Klinkenberg效应不明显。

3) 在一定的渗透压条件下,瓦斯渗透率随含水率的增加呈指数降低,且当含水率低于6%时,渗透率随含水率增加降低较快；当含水率高于6%时,含水率对渗透率的影响程度减弱。

4) 由于煤体吸水后弹性模量降低,在恒定的渗透压条件下,随着含水率的升高,煤体的压缩应变逐渐增大；在含水率超过6%后,水分对于煤体变形影响降低,且在煤体变形过程中,轴向应变始终大于径向应变。

[1] 赵振保.变频脉冲式煤层注水技术研究[J]. 采矿与安全工程学报,2008,25(4):486-489.

[3] 杜春志,茅献彪,卜万奎.水力压裂时煤层裂缝的扩展分析[J].采矿与安全工程学报,2008,25(2):231-238.

[4] LIN Baiquan,SHEN Chunming.Coal permeability-improving mechanism of multilevel slotting by water jet and application in coal mine gas extraction[J].Environ Earth Sci,2015,73:5975-5986.

[5] 林柏泉,杨威,吴海进,等.影响割缝钻孔卸压效果因素的数值分析[J].中国矿业大学学报,2010,39(2):153-157.

[6] 杜春志,茅献彪,卜万奎.水力压裂时煤层裂缝的扩展分析[J].采矿与安全工程学报,2008,25(2):231-238.

[7] 张国华,梁冰,毕业武.水锁对含瓦斯煤体的瓦斯解吸的影响[J].煤炭学报,2012,37(2):253-258.

[8] 聂百胜,柳先锋,郭建华,等.水分对煤体瓦斯解吸扩散的影响[J].中国矿业大学学报,2015,44(5):781-787.

[9] 聂百胜,何学秋,王恩元,等.煤吸附水的微观机制[J].中国矿业大学学报,2004,33(4):379-383.

[10] 赵东,冯增朝,赵阳升.高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(3):547-555.

[11] 蒋承林.煤层注水的防突机理分析[J].湘潭工学院学报,1999,14(3):1-4.

[12] 蒋长宝,尹光志,许江,等.煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响[J].重庆大学学报,2014,37(1):91-95.

[13] 魏建平,位乐,王登科.含水率对含瓦斯煤的渗流特性影响试验研究[J].煤炭学报,2014,39(1):97-103.

[14] 刘震,李增华,杨永良,等.水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究[J].岩石力学与工程学报,2014,3(33):586-593.

[15] WANG Shugang,DEREK Elsworth,LIU Jishan.Permeability evolution in fractured coal:The roles of fracture geometry and water-content[J].International Journal of Coal Geology,2011,87(1):13-25.

[16] LANGMUIR I.The constitution and fundamental properties of solids and liquids:Part I solids[J].Journal of the American Chemical Society，1916，38：2221-2295.

[17] 周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京:煤炭工业出版社,1999:7-40.

[18] 郭红玉,苏现波.煤层注水抑制瓦斯涌出机理研究[J].煤炭学报,2010,35(6):928-931.

(编辑：庞富祥)

Experimental Investigation on Coal Permeability Under Water Injection

JING Junjie,LIANG Weiguo,ZHANG Beining,LI Li

(Taiyuan University of Technology,College of Mining Engineering,KeyLaboratoryofIn-situProperty-improvingMiningofMinistryofEducation,Taiyuan030024,China)

In this paper, the experimental study was conducted on coal specimens of large size(100 mm×100 mm×200 mm) under the stable condition of temperature and pressure (25 ℃，31 MPa) with moisture content 0%，2%，4%，6% and 8% separately, using a new experimental apparatus MCQ-Ⅱ.The study showed that: Under the condition of 25 ℃ and the volumetric stress of 31 MPa,the threshold pressure of methane increases with the rise of moisture content, the lowest gas seepage pressure is 2 MPa under different moisture content.Owing to greater seepage pressure, Klinkenberg effect is not obvious;Under the stable condition of temperature and pressure, permeability of coal increases with increasing seepage pressure and the rising rate of permeability becomes higher with the increase of moisture content;The gas permeability decreases exponentially with increase of moisture content, the increase of permeability is relatively faster when moisture content is below 6%, and it becomes slower when moisture content is above 6%;The elastic modulus of coal decreases in the process of water injection, since the axial and radial compressive strain increases, when moisture content is above 6%, the influence of moisture content on coal mass deformation becomes weak,and anisotropy decreases in the process, the axial strain is always higher than radial strain.This research is of guiding significance for gas extraction under different moisture content after coal seam water injection or hydraulic fracturing,and it is of higher engineering value.

coalbed methane;permeability;moisture content;deformation;anisotropy

1007-9432(2016)04-0450-05

2016-01-08

国家杰出青年基金资助项目:原位溶浸采矿理论与技术(51225404)；"三晋学者"支持计划资助项目(2013)

荆俊杰(1989-)，男，山西阳泉人，硕士生，主要从事二氧化碳驱替开采煤层气的研究，(E-mail)1002993296@qq.com

梁卫国，教授，博导，主要从事原位溶浸采矿理论与技术的研究，(E-mail)liangweiguo@tyut.edu.cn

TD 712.6

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.004