煤样渗透率围压敏感性试验研究.pdf

第 ４２ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ６ ２０１４ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ ２０１４ 煤样渗透率围压敏感性试验研究 魏建平１ꎬ２ꎬ李明助１ꎬ２ꎬ王登科１ꎬ２ꎬ秦恒洁１ꎬ２ １􀆱 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室 省部共建国家重点实验室培育基地ꎬ河南 焦作 ４５４０００ꎻ ２􀆱 河南理工大学 安全科学与工程学院ꎬ河南 焦作 ４５４０００ 摘 要根据采掘工作面前方煤体的复杂受载状态ꎬ利用自主研发的受载煤岩瓦斯渗流试验系统ꎬ研 究了不同含水率煤样在 ２ 次加、卸载围压过程中的渗透率变化特性ꎮ 研究结果表明随着围压的增 加ꎬ煤样的无因次渗透率及渗透率损害系数减小ꎬ且减小幅度逐渐趋于平缓ꎻ第 １ 次加载过程的应力 敏感性要大于第 ２ 次加载过程ꎬ应力敏感系数随着煤样含水率的增加而增加ꎻ围压升降过程中煤样渗 透率的变化是不完全可逆过程ꎻ第 １ 次围压加、卸载过程中ꎬ渗透率损害很大ꎬ且随着含水率的增加而 增大ꎬ第 ２ 次加、卸载过程中渗透率损害率较小ꎮ 研究结果可为深入认识煤层瓦斯运移规律提供试验 基础ꎬ也可为煤层瓦斯抽采和煤矿瓦斯灾害防治提供理论支撑ꎮ 关键词渗透率ꎻ含水率ꎻ应力敏感性ꎻ围压加卸载 中图分类号ＴＤ７１２ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０６－００７６－０５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｓａｍｐｌｅｓ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｕｎｄｅｒ Ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＷＥＩ Ｊｉａｎ￣ｐｉｎｇ１ꎬ２ꎬＬＩ Ｍｉｎｇ￣ｚｈｕ１ꎬ２ꎬＷＡＮＧ Ｄｅｎｇ￣ｋｅ１ꎬ２ꎬＱＩＮ Ｈｅｎｇ￣ｊｉｅ１ꎬ２ １.Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ Ｂａｓｅ ｆｏｒ Ｇａｓ Ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｇａｓ ＣｏｎｔｒｏｌꎬＪｉａｏｚｕｏ ４５４０００ꎬＣｈｉｎａꎻ ２.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ ４５４０００ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｌｏａｄｅｄ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｉｎ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ａｎｄ ｈｅａｄｉｎｇ ｆａｃｅꎬｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｕｓｅｄ ａ ｓｅｌｆ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｌｏａｄｅｄ ｃｏａｌ ｏｒ ｒｏｃｋ ｇａｓ ｓｅｅｐａｇｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍꎬｓｔｕｄｙｅｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｒｅｐｅａｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎｌｏａｄｉｎｇ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎬａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｅｎｄｉｎｇ ｔｏ ｂｅ ｇｅｎｔｌｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ.Ｓｔｒｅｓｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ｗａｓ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ.Ａｓ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｄꎬｓｔｒｅｓｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ.Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎｌｏａｄｉｎｇ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓ￣ ｓｕｒｅ.Ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｖｅｒｙ ｂｉｇ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎｌｏａｄｉｎｇ.Ｉｔ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎ￣ ｔｅｎｔ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｓｍａｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎｌｏａｄｉｎｇ.Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｐｒｏｖｉｄｅ ｅｘｐｅｒｉ￣ ｍｅｎｔａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｇａｓ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｌａｗꎬｂｕｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇａｓ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙꎻｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔꎻｓｔｒｅｓｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙꎻｌｏａｄｉｎｇ－ｕｎｌｏａｄｉｎｇ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ 收稿日期２０１４－０３－１２ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０６.０１６ 基金项目国家自然科学基金资助项目５１１０４０５９ꎻ国家重点基础研究发展计划９７３ 计划资助项目２０１２ＣＢ７２３１０３ꎻ教育部“创新团队发展计 划”资助项目ＩＲＴ１２３５ꎻ教育部科学技术研究资助项目２１３０２２Ａꎻ中国博士后科学基金资助项目２０１３Ｍ５３１６７４ꎻ河南省基础与前沿技术研究 计划资助项目１３２３００４１３２０３ 作者简介魏建平１９７１ꎬ男ꎬ河南驻马店人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮ Ｔｅｌ０３９１－３９８７８８５ꎬＥ－ｍａｉｌｈｐｕｗｊｐ＠ １６３􀆱 ｃｏｍ 引用格式魏建平ꎬ李明助ꎬ王登科ꎬ等.煤样渗透率围压敏感性试验研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２６７６－８０. ＷＥＩ Ｊｉａｎ￣ｐｉｎｇꎬＬＩ Ｍｉｎｇ￣ｚｈｕꎬＷＡＮＧ Ｄｅｎｇ￣ｋｅꎬｅｔ ａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｓａｍｐｌｅｓ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｕｎｄｅｒ Ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ [Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２６７６－８０. ０ 引 言 煤层渗透率是影响煤层瓦斯赋存、运移的重要 物性参数ꎬ煤层瓦斯渗流特性的研究对煤层瓦斯抽 采及矿井瓦斯防治具有重要意义ꎮ 煤体所受的应力 状态是影响煤层渗透率的重要因素ꎬ关于煤层渗透 ６７ 魏建平等煤样渗透率围压敏感性试验研究２０１４ 年第 ６ 期 率随外部应力的变化情况ꎬ国内外学者进行了大量 研究ꎮ Ｗ.Ｈ.Ｓｏｍｅｒｔｏｎ 等[１]研究了烟煤在三轴应力 作用下氮气及甲烷气体的渗透性ꎬ认为应力加载水 平是影响渗透率的主要因素ꎻＪ.Ｂ.Ｗａｌｓｈ[２]研究了孔 隙压力和围压对煤体渗透率的影响ꎬ拟合了渗透率 和有效应力之间的关系ꎻＳ.Ｄｕｒｕｃａｎ 等[３]研究了应力 作用下长壁工作面煤体结构和渗透率的变化规律ꎻ Ｄ.Ｊａｓｉｎｇｅ 等[４]研究了应力变化和煤体膨胀对褐煤 渗透率的影响ꎬ结果表明二氧化碳的渗透率和有效 应力呈负指数关系ꎮ 关于应力对煤岩渗透性的影 响ꎬ国内学者也做了大量研究ꎬ取得了一些成果ꎮ 景 岷雪等[５]对碳酸盐岩岩心应力敏感性进行了试验 研究ꎻ贺玉龙等[６]研究了围压升降过程中岩体渗透 率的变化特性ꎻ彭永伟等[７]进行了不同尺度煤样在 加卸载围压条件下的渗流试验ꎬ认为小尺度煤样渗 透率变化比大尺度煤样更为敏感ꎻ陈振宏等[８]研究 了高煤阶煤层气藏储层对应力的敏感性及其对煤层 气井产能的影响ꎻ王厉强等[９]采用不等径迂曲毛管 束模型ꎬ对低渗透储层应力敏感性进行了定量解释 研究ꎻ李东印等[１０]研究了不同加载路径下大尺寸煤 样在双向应力作用下的渗透特性ꎻ文献[１１－１２]研 究了复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变化规律ꎻ孟 召平等[１３]通过煤样的应力敏感性试验ꎬ分析了煤储 层应力敏感性及有效围压、煤中裂隙和含水情况等 因素的影响ꎬ认为在不同的有效应力加载阶段应力 敏感性不同ꎬ且含水条件下的应力敏感性更明显ꎻ文 献[１４－１５]进行了加卸载条件下煤岩变形特性与渗 透特征的试验研究ꎬ推导出了基于敏感系数的煤样 渗透率与有效应力的函数关系式ꎻ魏建平等[１６]研究 认为恒定瓦斯压力条件下ꎬ含瓦斯煤的渗透率与围 压呈负指数关系ꎮ 笔者以平煤集团方山矿二１煤层 的煤样为研究对象ꎬ利用自主研发的受载煤岩瓦斯 渗流试验系统ꎬ进行了不同含水率煤样在 ２ 次加、卸 载围压条件下的渗流特性试验ꎬ以期得出煤样渗透 率变化规律及其对围压的敏感性ꎮ １ 试验条件与方法 １􀆱 １ 试验装置 试验采用自主设计研发的受载煤岩瓦斯渗流试 验系统ꎬ该试验系统主要由煤样夹持器、应力加载系 统、充气系统、真空脱气系统、温度控制系统及数据 采集系统组成ꎮ 其中ꎬ应力加载系统主要由 ２ 个独 立的手动高压泵组成ꎬ用于施加轴压和围压ꎻ煤样夹 持器是本试验系统的核心部件ꎬ其主要功能是安装、 固定和密封煤样ꎬ应力施加、气体渗流、温度控制也 均通过该装置来实现ꎻ温度控制系统主要由温度控 制器、温度传感器和电热圈组成ꎬ用于为煤样提供恒 定的温度环境ꎻ充气系统由高压瓦斯罐和减压阀组 成ꎬ主要用于提供压力气源ꎻ数据采集系统主要由精 密压力表、气体质量流量计及其他附属装置组成ꎬ用 于试验数据的实时采集和显示ꎮ 试验系统如图 １ 所示ꎮ １煤样三轴加载装置ꎻ２煤样ꎻ３、４手动高压泵ꎻ５高压瓦斯罐ꎻ ６温度控制系统ꎻ７气体流量计ꎻ８真空泵ꎻ９计算机ꎻ１０三通 阀ꎻ１１减压阀ꎻ１２、１３、１４、１５、１６压力表ꎻ１７、１８、１９、２０、２１阀门 图 １ 试验系统示意 该试验系统的主要性能参数如下①围压 ０３０ ＭＰａꎬ精度为０􀆱 １ ＭＰａꎻ②瓦斯压力 ０１０ ＭＰａꎬ精 度为０􀆱 ０１ ＭＰａꎻ③轴向压力 ０ ７０ ＭＰａꎬ精度为 ０􀆱 １ ＭＰａꎻ④流量 ０ ５００ ｍＬ/ ｍｉｎꎬ精度为 ２􀆱 ０ ｍＬ/ ｍｉｎ标准状况下ꎻ⑤温度 ２５１００ ℃ꎬ精度为 ０􀆱 １ ℃ꎮ １􀆱 ２ 煤样制备 将所取原始煤块用粉碎机粉碎ꎬ筛取 ０􀆱 ３７０ ０􀆱 １８５ ｍｍ４０ ８０ 目的煤粉颗粒ꎬ加入适量蒸馏 水ꎬ搅拌均匀后ꎬ置于成型模具中ꎬ在刚性试验机上 以恒定 １５０ ｋＮ 的力压制 ３０ ｍｉｎꎬ制成 ５０ ｍｍ１００ ｍｍ 的标准煤样ꎬ然后将制备好的煤样烘干后放置 于干燥箱内ꎬ试验前将煤样调制到试验所需含水率ꎮ 试验煤样的含水率 ｗ 为 ｗ ＝ ｍ２ － ｍ １ / ｍ１ １００％１ 式中ｍ１为干燥煤样质量ꎬｇꎻｍ２为加入蒸馏水后的 煤样质量ꎬｇꎮ １􀆱 ３ 试验方案与步骤 为了解煤储层应力及含水率对气体渗透性的影 响ꎬ采用加、卸载围压的方法模拟工作面推进过程中 的应力变化ꎬ分析不同含水率煤样渗透率与围压之 间的关系ꎬ研究煤样渗透率的围压敏感性ꎮ 试验过 程中ꎬ 采用高纯度甲烷作为试验气体ꎬ 为避 免 Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ 效应对煤样渗透率的影响ꎬ在试验过程 ７７ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 中保持进口瓦斯压力为 ０􀆱 ４ ＭＰａꎬ控制轴压为 ０􀆱 ２ ＭＰａꎬ温度为 ４０ ℃ꎮ 对干燥煤样和不同含水率的煤 样１􀆱 ８２％、３􀆱 １５％、５􀆱 １３％进行围压 ４、６、８、１０、１２、 １５ ＭＰａ 的加载－卸载－再加载－再卸载试验ꎮ 试验 步骤如下 １将制备好的煤样装入煤样夹持器中ꎬ真空脱 气 １２ ｈ 以上ꎬ排除杂质气体对试验造成的误差ꎮ ２调节恒温装置ꎬ使整个试验过程处于 ４０ ℃ 的恒温环境中ꎬ每次装、卸煤样后都要等温度稳定后 再进行试验ꎮ ３对煤样施加 ０􀆱 ２ ＭＰａ 的轴压及 ４ ＭＰａ 的围 压ꎬ关闭出气阀门ꎬ打开充气系统ꎬ调节瓦斯压力为 ０􀆱 ４ ＭＰａꎬ使煤样在该气体压力条件下充分吸附ꎬ当 压力表 １２、１３ 和 １６ 读数相等时ꎬ关掉阀门 １８ꎬ待压 力表 １３、１６ 读数相等且 ２ ｈ 之内变化小于 ０􀆱 ０１ ＭＰａꎬ即认为气体达到吸附平衡ꎻ否则ꎬ重新打开阀 门 １８ 进行充气ꎬ直至达到吸附平衡ꎮ ４打开出气阀门ꎬ待气体流量稳定后由质量流 量计测定气体渗流量ꎮ ５按照试验方案ꎬ对煤样施加下一级围压ꎬ待 气体流量稳定后记录气体渗流量ꎬ重复此过程直至 围压加到 １５ ＭＰａꎬ完成整个加载过程ꎮ ６当围压加到最大值时ꎬ对煤样进行卸压ꎬ直 至围压降到 ４ ＭＰａꎬ完成第 １ 次加、卸载过程ꎮ ７ 再进行加载－卸载ꎬ完成第 ２ 次加、卸载 过程ꎮ ８更换其他煤样ꎬ从步骤 １ 开始重复以上步 骤ꎬ直至完成所有煤样的试验ꎮ ２ 试验结果分析 试验采用达西稳定流方法测定煤样的渗透率ꎬ 认为气体在煤样中的流动符合达西定律ꎬ根据气体 通过煤样的流量和煤样进出口两端的渗透压力差等 参数计算煤样的平均渗透率 Ｋꎬ计算式为 Ｋ ＝ ２Ｑｐ０μＬ/ [ｐ２ １ － ｐ ２ ２Ａ] ２ 式中Ｑ 为标准状况下的气体渗流量ꎬｃｍ３/ ｓꎻｐ０为一 个标准大气压ꎬＰａꎻμ 为气体动力黏度ꎬＰａ􀅱ｓꎻＬ 为 试件长度ꎬｃｍꎻｐ１为气体进口端压力ꎬＰａꎻｐ２为气体出 口端压力ꎬＰａꎻＡ 为试件横截面面积ꎬｃｍ２ꎮ 为消除煤样个体差异对试验结果造成的影响ꎬ 以便于分析渗透率对围压的敏感性ꎬ特定义无因次 渗透率 Ｋｉ/ Ｋ１为第 ｉ 个围压下的渗透率 Ｋｉ与煤样初 始渗透率 Ｋ１的比值ꎮ 所测 ４ 种不同含水率煤样的 初次加载过程无因次渗透率与围压之间的关系如图 ２ 所示ꎬ从图 ２ 可以看出ꎬ煤样的无因次渗透率随围 压呈负指数规律逐渐减小ꎬ且减小幅度逐渐趋于平 缓ꎮ 当围压加到 １５ ＭＰａ 时ꎬ煤样无因次渗透率为 ０􀆱 ２５０􀆱 ３９ꎬ平均 ０􀆱 ３４ꎮ 煤样的含水率越大ꎬ无因次 渗透率下降得也越快ꎬ说明水分的存在会使煤样的 渗透率产生较大的损害ꎮ 图 ２ 煤样无因次渗透率与围压之间的关系 ３ 煤样渗透率围压敏感性评价参数 根据前人对应力敏感性的研究[６ꎬ１３]及有关行业 标准[１７]ꎬ笔者主要用以下 ３ 个参数评价煤样渗透率 的围压敏感性ꎮ １渗透率损害系数 Ｄｐꎮ 渗透率损害系数反映 在单位应力增量作用下煤样渗透率的损害程度ꎬ可 有效说明围压加卸载过程中应力敏感性的动态变化 过程ꎬ按式３进行计算ꎮ Ｄｐ越大ꎬ说明渗透率随着 围压的变化就越敏感ꎻＤｐ越小ꎬ说明渗透率随着围 压的变化敏感性越差ꎬ煤样渗透率随围压变化梯度 就越小ꎮ Ｄｐ＝－ Ｋｉ＋１ － Ｋ ｉ / σｉ＋１ － σ ｉ ３ 式中Ｋｉ、Ｋｉ ＋１分别为第 ｉ、ｉ＋１ 次施加的围压下的煤 样渗透率ꎬ１０ －３ μｍ２ꎻσｉ、σｉ ＋１分别为第 ｉ、ｉ＋１ 次施加 的围压ꎬＭＰａꎻ负号表示渗透率与围压呈负相关 关系ꎮ ２最大渗透率损害率 Ｄｍａｘꎮ 最大渗透率损害率 反映在围压加载过程中煤样渗透率损害的比例ꎬ其 值越大说明煤样渗透率的减小幅度越大ꎬ计算式为 Ｄｍａｘ＝ Ｋ１ － Ｋ ｍｉｎ / Ｋ１ １００％４ 式中Ｋｍｉｎ为围压上升过程最后一个应力点所测煤 样的渗透率ꎬ１０ －３ μｍ２ꎮ ３不可逆渗透率损害率 Ｄｋꎮ 不可逆渗透率损 害率反映煤样渗透率随着围压的增加逐渐减小ꎬ当 围压恢复到初始值以后ꎬ煤样渗透率的损害程度ꎬ按 式５计算围压加卸载过程中的不可逆渗透率损 害率 Ｄｋ＝ Ｋ１－ Ｋ′１ / Ｋ１ １００％５ ８７ 魏建平等煤样渗透率围压敏感性试验研究２０１４ 年第 ６ 期 式中Ｋ′１为围压卸载后恢复到初始值时所测煤样 的渗透率ꎬ１０ －３ μｍ２ꎮ ４ 煤样渗透率围压敏感性评价 ４􀆱 １ 加载过程煤样渗透率损害分析 根据试验结果ꎬ对试验数据处理后ꎬ得到 ４ 种不 同含水率煤样在加载过程中的初始渗透率和渗透率 损害系数ꎬ见表 １ꎮ 从表 １ 可以看出ꎬ在加载过程中 煤样渗透率具有如下特征①煤样含水率越大ꎬ初始 渗透率越小ꎮ 含水率从 ０ 升至 ５􀆱 １３％的过程中ꎬ初 始渗透率从 ２􀆱 ９０３ ３１０ －３ μｍ２降至 １􀆱 ０８９ ８１０ －３ μｍ２ꎬ降低了 ６２􀆱 ４６％ꎮ 由于水分主要存在于煤体内 部的裂隙、喉道及大孔隙内ꎬ占据着气体流动通道空 间ꎬ使气体流动阻力大幅增加ꎬ导致煤样渗透率锐 减ꎬ这说明水分对煤样渗透率有较强的控制作用ꎮ ②固定煤样含水率ꎬ渗透率损害系数随着围压的升 高而降低ꎬ说明煤样经过初始压密阶段以后ꎬ煤体变 形逐渐变缓ꎬ煤体结构趋于稳定ꎬ渗透率随围压的变 化敏感性变差ꎬ变化梯度逐渐减小ꎮ ③固定煤样含 水率条件下ꎬ第 ２ 次加载过程的渗透率损害系数要 远小于第 １ 次加载过程ꎬ第 １ 次加载过程平均渗透 率损害系数为０􀆱 ０７８ ４０􀆱 １６７ ０１０ －３ μｍ２/ ＭＰａꎬ 第 ２ 次加载过程仅为０􀆱 ００９ ２ ０􀆱 ０３６ ８ １０ －３ μｍ２/ ＭＰａꎮ 表 １ 不同含水率煤样的渗透率损害系数 Ｄｐ 加载 过程 含水 率/ ％ Ｋ１/ １０ －３ μｍ２ 不同围压下的 Ｄｐ/ １０ －３ μｍ２􀅱ＭＰａ －１ ４ ＭＰａ６ ＭＰａ８ ＭＰａ １０ ＭＰａ １２ ＭＰａ 第 １ 次 ０ ２􀆱 ９０３ ３０􀆱 ２６３ ９ ０􀆱 １７６ ０ ０􀆱 １４６ ０ ０􀆱 １３７ ９ ０􀆱 １１１ ３ １􀆱 ８２１􀆱 ７８９ ５０􀆱 １５５ ７ ０􀆱 １４５ ２ ０􀆱 １０８ ２ ０􀆱 ０６３ ３ ０􀆱 ０５６ ３ ３􀆱 １５１􀆱 ３１９ ７０􀆱 １２５ ４ ０􀆱 １０３ ６ ０􀆱 ０９６ ２ ０􀆱 ０６５ ４ ０􀆱 ０２９ ９ ５􀆱 １３１􀆱 ０８９ ８０􀆱 １２２ ６ ０􀆱 ０９２ ４ ０􀆱 ０８５ ８ ０􀆱 ０５９ ４ ０􀆱 ０３１ ９ 第 ２ 次 ０ １􀆱 ５３０ ８０􀆱 ０５２ ８ ０􀆱 ０３９ ６ ０􀆱 ０１８ ５ ０􀆱 ０３１ ７ ０􀆱 ０４１ ７ １􀆱 ８２０􀆱 ９６０ ７０􀆱 ０３７ ０ ０􀆱 ０２６ ４ ０􀆱 ０２１ １ ０􀆱 ０２６ ４ ０􀆱 ０２１ １ ３􀆱 １５０􀆱 ５６２ ２０􀆱 ０１７ ８ ０􀆱 ０２５ ７ ０􀆱 ００６ ６ ０􀆱 ００６ ６ ０􀆱 ００８ ８ ５􀆱 １３０􀆱 ３５６ ３０􀆱 ００７ ３ ０􀆱 ００９ ２ ０􀆱 ００６ ６ ０􀆱 ００９ ９ ０􀆱 ０１３ ２ ４􀆱 ２ 加载过程煤样渗透率围压敏感性分析 煤样所受应力发生变化时ꎬ导致孔喉通道变形、 孔隙裂隙闭合或张开ꎬ使煤样渗透率发生变化的现 象ꎮ 通过对试验数据进行处理ꎬ发现渗透率与围压 呈负指数关系ꎬ并进行拟合为 Ｋ ＝ αｅｘｐ － βσ３６ 式中α 为拟合常数ꎬ１０ －３ μｍ２ꎻβ 为渗透率对围压的 敏感系数ꎬＭＰａ －１ ꎻσ３为围压ꎬＭＰａꎮ 应力敏感系数可 以很好地反映在整个加载过程中ꎬ渗透率随对围压 的敏感性ꎬ其值越大ꎬ表明渗透率随围压的变化越敏 感ꎻ其值越小ꎬ表明渗透率随围压的变化敏感性越 差ꎮ 对 ２ 次加围压过程煤样渗透率与围压关系的拟 合结果如图 ３ａ 及表 ２ 所示ꎮ 图 ３ 加、卸载过程中煤样渗透率变化曲线 表 ２ 不同含水率煤样渗透率与围压关系的拟合常数 含水 率/ ％ 第 １ 次加载 α/１０ －３ μｍ２β/ ＭＰａ －１ Ｒ２ 第 ２ 次加载 α/１０ －３ μｍ２β/ ＭＰａ －１ Ｒ２ ０ ４􀆱 ０２４ ７０􀆱 ０８５ １ ０􀆱 ９９９ ０１􀆱 ６８９ ８０􀆱 ０２６ ７ ０􀆱 ９８５ ６ １􀆱 ８２２􀆱 ４９１ ３０􀆱 ０８９ ５ ０􀆱 ９９２ ０１􀆱 ０７９ ３０􀆱 ０３１ ４ ０􀆱 ９９７ ２ ３􀆱 １５１􀆱 ９３５ ７０􀆱 １０２ ２ ０􀆱 ９８３ ７０􀆱 ６０７ ５０􀆱 ０２５ ６ ０􀆱 ９４３ ４ ５􀆱 １３１􀆱 ７１６ ９０􀆱 １２５ １ ０􀆱 ９９４ １０􀆱 ４１１ ７０􀆱 ０３０ ９ ０􀆱 ９６７ ０ 注Ｒ 为相关系数ꎮ 对比 ２ 次加载过程可以看出ꎬ第 １ 次加载过程 的应力敏感系数要明显大于第 ２ 次加载过程ꎮ 这表 明ꎬ第 １ 次加载过程的应力敏感性要大于第 ２ 次加 载过程ꎬ煤体结构变化也主要发生在第 １ 次加载过 程中ꎮ 含瓦斯煤是一种弹塑性材料ꎬ在加载过程中 会产生弹性变形和塑性变形[１８]ꎮ 第 １ 次加载过程 包括弹性变形和不可恢复的塑性变形ꎬ而第 ２ 次加 载过程则主要以弹性变形为主ꎮ 在第 １ 次加载过程中ꎬ随着煤样含水率的增加ꎬ 应力敏感系数明显增大ꎬ应力敏感性也逐渐增强ꎮ 而在第 ２ 次加载过程中ꎬ应力敏感系数在 ０􀆱 ０２５ ６ ０􀆱 ０３１ ４ ＭＰａ －１ 内波动ꎬ始终维持在一个较低的水 平ꎬ水分对应力敏感性的影响不太明显ꎮ ９７ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 ４􀆱 ３ 加卸载过程煤样渗透率损害率分析 所测试的 ４ 种煤样在初次加、卸载过程中渗透 率变化曲线如图 ３ｂ 所示ꎮ 从图 ３ｂ 可以看出ꎬ在围 压减小过程中ꎬ煤样渗透率不能够完全恢复ꎬ在相同 围压下煤样渗透率要小于加载过程中的渗透率ꎮ 这 说明ꎬ煤样受载后产生的变形既包括弹性变形ꎬ也包 括塑性变形ꎬ由弹性变形产生的弹性变形能储存在 煤样中ꎬ当围压减小后弹性变形会恢复到初始状态ꎻ 而由塑性变形产生的非弹性变形能则消耗在煤体内 部ꎬ以内能的形式耗散掉ꎮ 总之ꎬ围压升降过程中煤 样渗透率的变化是不完全可逆过程ꎮ 加、卸载过程中渗透率损害率见表 ３ꎮ 第 １ 次 加卸载过程中ꎬ渗透率损害很大ꎬ最大渗透率损害率 达到 ６１􀆱 ３６％７３􀆱 ３３％ꎬ不可逆渗透率损害率达到 ４６􀆱 ３１％６４􀆱 ００％ꎬ随着含水率的增加ꎬ渗透率损害 率总体呈增加趋势ꎮ 第 ２ 次加、卸载过程中ꎬ渗透率 损害率比较小ꎬ最大渗透率损害率为 ２４􀆱 ８３％ ２９􀆱 ６７％ꎬ 不 可 逆 渗 透 率 损 害 率 仅 为 ２􀆱 ９６％ ６􀆱 ５９％ꎬ且含水率的影响不大ꎮ 这说明ꎬ在第 ２ 次卸 载过程中渗透率绝大部分能够恢复ꎬ煤样的变形也 主要以弹性变形为主ꎮ 煤样渗透率绝大部分损失在 第 １ 次加载过程中ꎬ第 ２ 次加载造成的渗透率损害 较小ꎬ可忽略不计ꎮ 表 ３ 加卸载过程的 Ｄｍａｘ和 Ｄｋ计算结果％ 含水率 第 １ 次加载 Ｄｍａｘ 第 １ 次卸载 Ｄｋ 第 ２ 次加载 Ｄｍａｘ 第 ２ 次卸载 Ｄｋ ０ ６１􀆱 ３６４７􀆱 ２７２４􀆱 ８３５􀆱 ８６ １􀆱 ８２６２􀆱 ２４４６􀆱 ３１２９􀆱 ６７６􀆱 ５９ ３􀆱 １５６６􀆱 ００５７􀆱 ４０２４􀆱 ８８２􀆱 ９９ ５􀆱 １３７３􀆱 ３３６４􀆱 ００２９􀆱 ６３２􀆱 ９６ ５ 结 论 １煤样的无因次渗透率随围压的增大按负指 数规律减小ꎻ煤样的含水率越大ꎬ无因次渗透率下降 得也越快ꎮ ２煤样含水率越大ꎬ初始渗透率越小ꎻ渗透率 损害系数随着围压的升高而降低ꎮ ３对比 ２ 次加围压过程ꎬ第 １ 次加围压过程的 应力敏感性要大于第 ２ 次加围压过程ꎬ应力敏感系 数随着含水率的增加而增加ꎮ ４围压升降过程中煤样渗透率的变化是不完 全可逆过程ꎻ第 １ 次加卸载过程中ꎬ煤样渗透率损害 通常很大ꎬ且随着含水率的增加而增大ꎬ第 ２ 次加卸 载过程中煤样渗透率损害率则较小ꎮ ５研究结果可为深入认识煤层瓦斯运移规律 提供试验基础ꎬ也可为煤层瓦斯抽采和煤矿瓦斯灾 害防治提供理论支撑ꎮ 参考文献 [１] Ｓｏｍｅｒｔｏｎ Ｗ ＨꎬＳｏｙｌｅｍｅｚｏｇｌｕ Ｉ ＭꎬＤｕｄｌｅｙ Ｒ Ｃ.Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｃｏａｌ[Ｊ].Ｉｎｔ Ｊ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｋ Ｍｅｃｈ Ｍｉｎ Ｓｃｉ ＆ Ｇｅｏ￣ ｍｅｃｈ Ａｂｓｔｒꎬ１９７５ꎬ１２５/６１２９－１４５. 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