新景矿3号煤层渗透率对有效应力敏感性实验分析_谢玉华.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 煤层渗透率是煤层气选区评价及优选、产能预 测、 矿井瓦斯抽采及防治的重要参数[1-5]， 其受诸多 因素影响，应力被认为是影响煤层渗透性最为关键 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （41872169） ； 中国博士后 科学基金资助项目 （2018M642747） ； 河南工程学院博士基金资助 项目 （D2015012） 新景矿 3 号煤层渗透率对有效应力敏感性 实验分析 谢玉华 1， 2， 赵 坤 3， 刘见宝1， 2， 4， 张建锋1， 2， 杨昌永5 （1．河南工程学院 资源与环境学院， 河南 郑州 451191； 2．煤矿环境地质灾害综合治理技术河南省工程实验室， 河南 郑州 451191； 3．河南工程学院 土木工程学院， 河南 郑州 451191； 4．河南理工大学， 河南 焦作 454000； 5．煤与煤层气共采国家重点实验室， 山西 晋城 048000） 摘要利用 KDZS-Ⅱ型煤体瓦斯瞬时解吸及渗流特性测试仪在 0．31、 0．61 MPa 气体压力条件 下， 开展了新景矿 3 号煤层渗透率对有效应力敏感性实验分析。结果表明 新景矿 3 号煤层渗透 率对有效应力具有极强的敏感性， 煤层渗透率随有效应力增加而降低， 二者之间具有良好的负 指数幂函数关系；相同气体压力和有效应力下各煤样试件的渗透率变化不同且分异现象显著； 煤样试件的渗透率大小与孔隙度、 裂隙方向密切相关， 煤样试件裂隙方向平行于轴线方向、 孔隙 度大时， 煤样试件的渗透率相对较大； 煤样试件的裂隙方向垂直于轴线方向、 孔隙度较小时， 煤 样试件的渗透率相对较小。 关键词 煤层渗透率； 有效应力； 应力敏感性； 气体压力； MT 2231990 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020 ） 04－0036-06 Experimental Analysis of Effective Stress Sensitivity of 3Coal Seam Permeability in Xinjing Mine XIE Yuhua1,2, ZHAO Kun3, LIU Jianbao1,2,4, ZHANG Jianfeng1,2, YANG Changyong5 （1.School of Resource and Environment, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China;2.Henan Engineering Laboratory of Comprehensive Treatment Technology of Environmental Geological Disaster in Coal Mine, Zhengzhou 451191, China; 3.School of Civil Environment, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China;4.Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;5.State Key Laboratory of Coal and CBM Co-mining, Jincheng 048000, China） Abstract The KDZS-II type coal body gas instantaneous desorption and seepage characteristic tester was used to analyze the effective stress sensitivity of 3coal seam in Xinjing Mine under the gas pressure conditions of 0.31 MPa and 0.61 MPa. The results show that the permeability of 3coal seam in Xinjing Mine is extremely sensitive to effective stress, and the permeability of coal seam decreases with the increase of effective stress, and there is a good negative exponential power function relationship between them. The permeability changes of different coal sample specimens under the same gas pressure and effective stress are different and the differentiation phenomenon is significant. The permeability of the coal sample specimens is closely related to the porosity and fracture direction. When the fracture direction of the coal sample specimens is parallel to the axial direction and the porosity is large, the permeability of the coal sample specimens is relatively large. When the fracture direction of the coal sample specimens is perpendicular to the axial direction and the porosity is small, the permeability of the coal sample specimens is relatively small. Key words coal seam permeability; effective stress; stress sensitivity; gas pressure; MT 2231990 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.008 谢玉华， 赵坤， 刘见宝， 等．新景矿 3 号煤层渗透率对有效应力敏感性实验分析 ［J］ ．煤矿安 全， 2020， 51 （4 ） 36-41. XIE Yuhua, ZHAO Kun, LIU Jianbao, et al. Experimental Analysis of Effective Stress Sensitivity of 3Coal Seam Permeability in Xinjing Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 36-41.移动扫码阅读 36 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 因素[6-7]。近年来， 国内外学者在煤层渗透率对应力 敏感性方面已开展了大量理论研究和实验工作。P Q Huy 等 （2010 ） [8]认为随着有效应力的增大， 孔裂隙 空间及渗流系统被压缩， 部分渗流系统 （或微裂隙） 甚至压实闭合，进而呈现出高有效应力下，煤的渗 透率急剧下降。 J O Shi 等 （2014） [9]的实验发现， 有效 应力与煤的渗透率间呈指数函数关系。姜德义等 （1997 ） [6] 研究了有效应力对煤层渗透率的影响， 发 现二者存在三次多项式关系并通过了实验验证。周 军平等 （2009 ） [10]针对煤层气生产中煤基质收缩和有 效应力变化对煤层渗透率影响建立了有效应力和煤 基质收缩效应的渗透率预测模型。程波等 （2010 ） [11] 基于有效应力变形理论和 Bangham 固体变形理论， 构建了煤基质收缩和有效应力双重耦合作用影响下 煤层渗透率数学模型，得出煤层气排采过程煤储层 压力变化所致的 3 种渗透率变化。祝捷等 （2017 ） [12] 采用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置对 有效应力对赵各庄矿 9 号煤层渗透率的影响实验， 得出随压力升高，煤样收缩应变加剧，在有效应力 为 5．2～6．5 MPa 时，体应变与有效应力间呈线性关 系。 在有效应力小于 5．2 MPa 或大于 6．5 MPa 时， 有 效应力升高或降低，煤样渗透率随进口气体压力降 低而增大。彭守建等 （2009 ） [13]、 彭永伟 （2010 ）[14]、 薛 培等 （2015 ） [15]、 孟雅等 （2015 ）[16]开展了不同煤阶、 不 同尺度煤样渗透率对有效应力的敏感性实验研究， 得出不同有效应力阶段煤样渗透率损害率及应力敏 感性不同，且渗透率与有效应力之间符合负指数函 数关系。由上述可见， 因实验方法及技术手段、 煤的 非均质性、煤中渗流系统复杂性和各向异性等差 异，使得煤层渗透率对应力敏感性有所不同，研究 成果对实践指导意义和适用范围有限。为此，利用 KDZS-Ⅱ型煤体瓦斯瞬时解吸及渗流特性测试仪开 展了新景矿 3 号煤层渗透率对有效应力的敏感性实 验分析，研究成果以期对研究区煤层气开发和矿井 瓦斯防治提供有益技术支撑。 1实验煤样 样品采集方式和技术措施等影响着样品质量、 实验数据的可靠性或实验成败。研究所采集的煤样 均来自于阳泉新景矿南七综采工作面 3 号煤层， 样 品采集遵照 GB/T 4822008煤层煤样采取方法 执行，同时，为了满足实验要求和提供实验数据可 靠性，样品采集时亦遵循煤样新鲜，呈块状且未遭 受到人为的次生破坏（即煤样未受外力作用产生破 坏变形， 其保持原有结构和构造） 。考虑到煤样短期 内进行实验， 未对煤样进行蜡封防风化处理， 而是对 采集的煤样用保鲜膜对其密封 “保鲜” 处理。然后对 煤样进行编号、 煤样采集时间、 地点、 煤层名称 （或 煤层编号） 、 采集人等信息进行编录。 新景矿 3 号煤层为变质程度相对较高的无烟 煤，煤体外观主要呈钢灰色，条痕为黑色，光泽较 强， 为玻璃光泽或金属光泽。煤的结构均一， 煤体表 面时见细纹。内生裂隙比较发育， 断口多呈阶梯状及 锯齿状， 亦可见少量眼球状断口。煤层具有明显的条 带状结构和层状构造， 局部可见少量纤维状结构的丝 炭条带， 呈丝绢光泽， 一般厚度仅 1～2 mm。煤普氏硬 度 f 在一般在 2．0 左右， 煤密度 1．37～1．40 g/cm3。 宏观煤岩组分以亮煤和镜煤为主，其中亮煤占 7， 镜煤占 67．3。煤中宏观煤岩类型多样， 主要以 半光亮型为主， 次为半暗型、 光亮型， 暗淡型最少。 其中， 半光亮型约占 67．3， 半暗型约占 7～27， 光亮型约占 7， 暗淡型约占 2。 2煤层渗透率对有效应力敏感性实验 2．1实验仪器及实验原理 1） 实验仪器。煤层渗透率对有效应力敏感性实 验利用 KDZS-Ⅱ型煤体瓦斯瞬时解吸及渗流特性 测试仪， 该仪器主要由进气系统、 恒温系统和数据采 集控制系统等 3 大部分组成。KDZS-Ⅱ型煤体瓦斯 瞬时解吸及渗流特性测试系统图如图 1。进气系统 为实验提供高压、 高纯度气体， 气体介质可为甲烷、 氮气和二氧化碳等。主要由高压气瓶、 增压泵、 空压 机、控压阀、平衡釜及其进出口开关、气体管路组 成； 恒温系统为实验环境提供恒温， 主要由恒温箱、 风扇、 加热器、 夹持器及其进出口传感器、 平衡釜和 温度控制阀等部分组成；数据采集系统用来采集和 输出实验数据， 主要由电脑、 数据线、 天平、 盛水容 器等部分组成。该仪器可对实验温度和压力进行实 时监测， 并对实验数据进行跟踪和自动采集存储。 2） 实验原理。 煤层气及地下水属于流体范畴， 在 煤层中流动属于渗流， 符合达西定律[17]。因此， 煤层 渗透率的测定原理主要基于达西定律， 采用气测法， 气体介质用氮气进行测定。实验时用实验设备测定 出气体进口压力、 气体出口压力、 温度、 气体流量等 实验参数，采用达西定律，即可计算出煤样的渗透 率。煤样渗透率计算如下 K 2p2QHμ （p 2 1－p 2 2） A 103（1 ） 37 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 式中 K 为煤样渗透率， 10-3μm2； p1为进口端气 体压力， MPa； p2为出口端气体压力， MPa； Q 为气体 的渗流量， cm3/s； H 为煤样高度， cm；μ为气体黏度， mPa s； A 为煤样横截面积， cm2。 2．2试件制作 煤层渗透率对有效应力敏感性实验的试件制作 遵照煤炭行业标准 MT 2231990 煤和岩石渗透率 测定方法 执行， 将煤样加工成直径 25 mm， 高径比 约 12 的圆柱体标准试样，其轴线与层理方向平行 或垂直， 试件两端面的不平行度不超过 0．10 mm， 上 下两端直径偏差不超过 0．20 mm。试件应无明显轴 向偏差（即将试件其中一端立放在水平检测台上， 用直角尺紧贴试件表面，要求两者之间无明显缝 隙） 。煤样试件规格见表 1。 煤样的原煤水分为 0．52～2．12， 平均 1．00， 为特低水分煤； 抗磨强度相对较高， 属中强度煤； 粒 度较小，煤层哈氏可磨性指数一般在 70～80之 间，属中等可磨煤。其中 1 号煤样的裂隙垂直于试 件轴线， 侧表面有 1 条比较明显的裂隙， 上下表面无 明显裂隙； 2 号煤样的裂隙平行于试件轴线， 侧表面 与上下表面都有明显的裂隙； 3 号煤样的裂隙平行 于试件轴线， 上下表面有明显裂隙。 2．3实验步骤 1） 将加工好的煤样试件放入三轴夹持器中， 然 后给三轴夹持器施加轴压和围压至 0．5 MPa，施压 顺序为先轴压后围岩。 2） 打开平衡釜进气口阀， 关闭平衡釜出气口阀 和夹持器出气口阀。然后打开高压氮气储气瓶， 给 平衡釜加压， 当平衡釜的压力达到 0．31 MPa 时关闭 氮气高压储气瓶和平衡釜进气口阀。再打开平衡釜 出气口阀，使氮气进入夹持器中，使煤样试件吸附 1～2 h 达到吸附稳定。 3） 煤样试件吸附稳定后打开夹持器出气口阀， 等夹持器出气口气压稳定后记录下夹持器的温度、 进出口压力， 同时开始计时， 每隔 2 min 或 5 min 记 录 1 次数据， 在同一应力下记录 5 次数据， 以判断气 体在煤样中的渗流速度是否达到稳定。若实验过程 中平衡釜里的气体压力降低情况，则需对平衡釜进 行补压。 4） 记录完毕 5 次数据后， 将轴压和围压依次调 压至 1．0、 1．5、 2．0、 2．5、 3．0、 4．0、 5．0、 7．0、 9．0 MPa， 再 重复步骤 3） 。 图 1KDZSⅡ型煤体瓦斯瞬时解吸及渗流特性测试系统图 Fig．1KDZS-Ⅱ type coal body gas instantaneous desorption and seepage characteristics test system diagram 表 1煤样试件规格 Table 1Coal sample test piece specifications 试件高度/mm直径/mm密度/ （g cm-3） 1 号试件99．525．01．40 2 号试件100．024．51．37 3 号试件99．824．01．38 38 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 43 号煤样试件渗透率随有效应力变化关系图 Fig．4Diagram of permeability change with effective stress of No．3 coal sample 5 ） 做完不同应力下的渗流实验后， 关闭平衡釜 出气口阀， 卸去轴压、 围压和夹持器中的气体压力， 使煤样试件处于无压状态 2～3 h，然后将平衡釜中 的压力升高到 0．61 MPa， 重复步骤 2 ） ～步骤 4 ） 。 按照上述实验步骤依次完成 3 个煤样试件样品 不同应力条件下的渗透实验，并记录下完整的实验 数据。 2．4实验结果 有效应力为试件所受的轴压减去气体压力， 将 实验测得的试件规格参数 （高、 直径） 、 试件横截面 面积、计算所得的流量等参数与实验温度下氮气的 黏度一起代入式 （1） ， 即可计算出对应轴压、 气体压 力、有效应力下的试件渗透率。为了直观分析不同 有效应力下试件的渗透率变化情况和敏感性特征， 制作了有效应力和渗透率变化分析曲线图，其中 1 号、 2 号、 3 号煤样试件渗透率随有效应力变化关系 图如图 2～图 4。相同有效应力下各煤样试件的渗透 率敏感性分析图如图 5。 1） 不同有效应力下各煤样试件渗透率敏感性特 征。 由实验数据统计分析可知， 3 个煤样试件的渗透 率受有效应力影响显著，均表现出不同气体压力和 相同气体压力条件下随有效应力增加渗透率降低特 征，且二者之间具有良好的负指数幂函数关系（图 2～图 4） 。在有效应力初始加载时， 煤样试件渗透率 受有效应力影响最为显著且降低较快，随着有效应 力的继续增大，渗透率降幅逐渐降低且最终趋于平 稳。上述现象，主要缘于煤层属于孔裂隙发育的多 图 21 号煤样试件渗透率随有效应力变化关系图 Fig．2Diagram of permeability change with effective stress of No．1 coal sample 图 32 号煤样试件渗透率随有效应力变化关系图 Fig．3Diagram of permeability change with effective stress of No．2 coal sample 39 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 孔介质，初始加载有效应力时，煤中具有较多的孔 裂隙空间，在相同的有效应力增量条件下，孔裂隙 空间的减小量最大，进而呈现出试件渗透率的急剧 降低。而随着有效应力的持续增加，孔裂隙空间逐 渐被压缩且孔裂隙空间的减小量降低，此时呈现出 试件渗透率的降幅随有效应力的增加而减少。当有 效应力继续增加且到达一定值时，试件的孔裂隙空 间已经基本被压实，可被压缩的孔裂隙空间亦越来 越少，试件渗透率随有效应力增加呈缓慢降低且逐 渐趋于某一稳定值[18]。 2） 相同有效应力下各煤样试件渗透率敏感性特 征。由图 5 可以看出， 在相同气体压力、 有效应力条 件下各煤样试件的渗透率敏感性不同，具有明显的 分异特征。其中， 1 号煤样试件与 2 号、 3 号煤样试 件的渗透率相差较大， 2 号、 3 号煤样试件间的渗透 率相差较小。在气体压力为 0．31 MPa、 有效应力为 0．69 MPa 时， 1 号、 2 号、 3 号煤样试件的最大渗透率 分别为 0．864 310-3、 3．859 710-3、 4．866 410-3μm2 （图 5（a） ） 。在气体压力为 0．31 MPa、有效应力为 8．69 MPa 时， 1 号、 2 号、 3 号煤样试件的最小渗透率 分别为 0．004 910-3、 0．128 210-3、 0．0110-3μm2（图 5 （a） ） 。在上述相同气体压力和有效应力下， 1 号、 2 号、 3 号煤样试件的最大渗透率与最小渗透率分别 相差 176 倍、 30 倍、 487 倍；在气体压力为 0．61 MPa、有效应力为 0．39 MPa 时， 1 号、 2 号、 3 号煤样 试件的渗透率均为最大值，分别为 0．885 310-3、 6．964 010-3、 6．301 410-3μm2（图 5 （b） ） 。在气体压 力为 0．61 MPa、 有效应力为 8．69 MPa 时， 1 号、 2 号、 3 号煤样试件的渗透率均达到最小值， 分别为 0．006 010-3、 0．130 410-3、 0．107 010-3μm2（图 5 （b） ） 。 在 上述相同气体压力和有效应力下， 1 号、 2 号、 3 号煤 样试件的最大渗透率与最小渗透率分别相差 148 倍、 53 倍、 59 倍。 同时，由图 5 可以看出，在气体压力为 0．31、 0．61 MPa 下， 随着有效应力的增加， 虽然 2 号、 3 号 煤样试件的渗透率仍比 1 号煤样的大，但 3 者相差 已经很小。考虑到煤样采集于同一矿井的同一煤 层，孔隙度和裂隙方向可能是导致煤样试件的渗透 率对有效应力敏感性差异的主因[19-20]。 1 号煤样的裂 隙方向与轴线方向垂直， 不利于气体的渗流。 2 号、 3 号煤样的裂隙方向与轴线平行，对气体的渗流相对 有利。 当有效应力较小时， 1 号煤样的渗透率较小， 2 号、 3 号煤样的渗透率较大。 而当有效应力增加到一 定值后， 煤样试件被压实， 三者的渗透率相差不大。 3结论 1） 新景矿 3 号煤层渗透率对有效应力具有极强 敏感性， 有效应力实验范围内， 煤层试件的最大渗透 率和最小渗透率相差 30～487 倍。在气体压力一定 时，煤样试件的渗透率随有效应力的升高而降低， 并且降幅随有效应力的增大而减小，当有效应力增 加至一定值时， 煤样试件的渗透率将趋于稳定。 2） 不同煤样试件的渗透率对有效应力的敏感性 不同， 有明显分异现象。 在气体压力 0．31、 0．61 MPa， 有效应力 0．39～8．69 MPa 实验条件下， 1 号煤样试件 的最大渗透率与最小渗透率相差 148～176 倍， 2 号 煤样试件的最大渗透率与最小渗透率相差 30～53 倍， 3 号煤样试件的最大渗透率与最小渗透率相差 59～487 倍。 3） 煤层的渗透率大小与煤样的孔隙度及裂隙方 向密切相关，煤样试件的渗透率在裂隙方向平行于 轴线方向、孔隙度较大时比裂隙方向垂直于轴线方 向、孔隙度较小时要大，特别是在有效应力较低的 情况下， 煤样的渗透率相差很大。 参考文献 ［1］ 张军建， 韦重韬， 陈玉华， 等．多煤层区煤层气开发优 图 5相同有效应力下各煤样试件的渗透率敏感性分析图 Fig．5Permeability sensitivity analysis chart of coal samples under the same effective stress 40 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 选评价体系分析 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （9） 13. ［2］ 吴财芳， 刘小磊， 张莎莎．滇东黔西多煤层地区煤层气 “层次递阶” 地质选区指标体系构建 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （6） 1647－1653． ［3］ 冯青， 陶洪华， 黄子俊， 等．变渗透率条件下煤层气井 的产能预测 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2017， 45 （1） 62. ［4］ 李宏艳， 汪有刚．采动煤层渗透率演化与卸压瓦斯抽 放技术 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （3） 406－410． ［5］ 匡铁军．深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研 究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （8） 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