趙美成，葉慶樹(shù)，馬衍坤，張 馳，徐 超

（1.神東煤炭集團(tuán)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

煤體滲透率是煤層瓦斯抽采的重要基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)煤體滲透率的研究能夠獲得影響瓦斯抽采的關(guān)鍵因素及影響規(guī)律。層理、節(jié)理、應(yīng)力、氣體壓力等均為影響煤體滲透率的重要因素，而且由于煤層賦存的非均勻性，煤體的滲透率呈現(xiàn)明顯的層理效應(yīng)[1]。Gash 等發(fā)現(xiàn)不同方向含瓦斯煤滲透率差異較大，沿割理方向滲透率差異較小，而沿垂直層理面方位滲透率較小[2]；黃學(xué)滿進(jìn)行了不同瓦斯壓力下的滲透率測(cè)定，發(fā)現(xiàn)考慮垂直與平行層理面方位下滲透率差異可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)[3]；姜婷婷等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)影響煤體滲透率的主要因素是裂紋及裂縫的連通度，其次就是層理角度[4]；鄧博知等針對(duì)垂直于平行層理2 個(gè)類型煤體，發(fā)現(xiàn)在滲流過(guò)程中煤體發(fā)生變形，平行層理方面煤體裂隙度大、滲透率高[5]；潘榮琨等測(cè)試了加卸載過(guò)程中的煤體滲透率，發(fā)現(xiàn)隨著有效應(yīng)力的增大，層理面間隙寬會(huì)變小，造成滲透率永久性損傷，即使圍壓卸除，滲透率也無(wú)法完全恢復(fù)[6]。孫國(guó)文等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，垂直層理方向瓦斯?jié)B流速度增長(zhǎng)趨勢(shì)大于平行層理方向，但平行層理方向瓦斯?jié)B流速度明顯大于垂直層理方向[7]；王登科等則發(fā)現(xiàn)受有效應(yīng)力變化的影響，煤體滲透率優(yōu)勢(shì)方向會(huì)發(fā)生改變，平行層理方面滲透率不一定是最大值[8]。岳高偉等則發(fā)現(xiàn)不同方向鉆孔抽采半徑存在差異，平行于層理方向的抽采半徑明顯大于垂直于層理方向[9]。閆志銘[10]、范超軍[11]等的研究也同樣發(fā)現(xiàn)在不同的方位上瓦斯抽采效率差異明顯。保德礦區(qū)瓦斯抽采主要沿平行于層理方向布置鉆孔，但瓦斯抽采效果不理想。為探索合理的布置方式，研究得到保德礦區(qū)煤體滲透率對(duì)層理的響應(yīng)規(guī)律意義重大。然而不同礦區(qū)煤體滲透率對(duì)層理的響應(yīng)特征差異明顯，因此利用利用QTS-2 型煤巖滲透率測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)保德礦區(qū)的試樣，測(cè)試分析了不同地應(yīng)力及瓦斯壓力條件下，煤樣滲透率對(duì)層理角度的響應(yīng)規(guī)律，研究成果對(duì)煤層瓦斯抽采具有重要指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 試樣制備

試樣取自山西省保德煤礦81310 工作面，利用取回的大塊煤體，在取心設(shè)備上鉆取煤樣，加工成為φ50 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)試樣。

在加工不同層理角度的試樣時(shí)，先沿平行層理方向一側(cè)找平，用夾具固定，確保鉆取試樣軸線方向與層理方向成一定角度。由于煤巖裂隙發(fā)育，在鉆取中降低鉆取速度，減少擾動(dòng)，最后再打磨其表面，將試樣打磨成符合標(biāo)準(zhǔn)的試樣。

鉆心方向與層理分別呈 0°、30°、45°、60°、90°。加工后的標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖1，圖中虛線表示煤巖層理。試樣端面平整度誤差控制在0.03 mm 內(nèi)，尺寸的誤差不大于0.5 mm，端面垂直于試件軸線，最大偏差角度不超過(guò)0.25°。

圖1 加工后的標(biāo)準(zhǔn)試樣Fig.1 Standard sample after processing

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

滲透率試驗(yàn)采用QTS-2 煤巖滲透率測(cè)試儀，該設(shè)備采用穩(wěn)態(tài)法。試驗(yàn)前將煤巖試樣進(jìn)行烘干，烘烤時(shí)間24 h。試驗(yàn)選用瓦斯作為測(cè)試氣體，忽視其吸附效應(yīng)的影響。滲透率計(jì)算如下：

式中：K 為氣體滲透率，m2；Q 為煤樣出口端的氣體流量，mL/s；L 為煤樣長(zhǎng)度，cm；μ 為瓦斯氣體黏度，mPa·s；A 為煤樣的橫截面積，m2；p1、p2分別為煤樣入口端、出口端的氣體壓力，MPa。

1.3 試驗(yàn)方案

考慮到取樣點(diǎn)的地應(yīng)力和瓦斯壓力，試驗(yàn)擬采用 5、8、10、12 MPa 的圍壓和 0.5、1.0、1.5 MPa 的進(jìn)氣壓力。

對(duì)樣品首先施加5 MPa 的圍壓；然后向夾持器中充入 0.5 MPa 的瓦斯氣體；測(cè)試出口流量，并計(jì)算滲透率。試驗(yàn)結(jié)束后，提高瓦斯壓力到1.0 及1.5 MPa，再次計(jì)算滲透率。最后將圍壓提高到更高的壓力，再次分別進(jìn)行0.5、1.0、1.5 MPa 進(jìn)氣壓力下的試驗(yàn)。每個(gè)試樣均要經(jīng)歷12 次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同層理角度下滲透率變化

將不同圍壓下所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同進(jìn)氣壓力下煤體滲透率對(duì)比如圖2。隨著層理角度的增大，煤體滲透率急劇下降。

圖2 不同進(jìn)氣壓力下煤體滲透率對(duì)比圖Fig.2 Permeability of coal under different inlet pressures

進(jìn)氣壓力為1.5 MPa 時(shí)，0°角與90°時(shí)滲透率相差1 個(gè)數(shù)量級(jí)。0°角煤樣在5 MPa 時(shí)滲透率達(dá)到0.090 1 mD，90°煤樣在 5 MPa 時(shí)的滲透率僅為0.021 9 mD，降低了75.7%。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)不同圍壓下的煤體滲透率與層理角度存在線性負(fù)相關(guān)的關(guān)系，圍壓增大，初始滲透率與下降速率均變小。由于煤是沉積而成，層理之間存在較為理想的氣流通道。當(dāng)層理夾角增大后，氣流的有效通道明顯減小，層與層之間的煤體基質(zhì)成為氣體必須流經(jīng)的區(qū)域。

因此，當(dāng)層理夾角不是0°時(shí)，煤體基質(zhì)的滲透率成為影響煤體滲透率的關(guān)鍵。從90°角煤樣滲透率可以得到，煤體基質(zhì)的滲透率極低。當(dāng)層理夾角一旦不為0°時(shí)，氣體必須流經(jīng)極低滲透率的煤體基質(zhì)區(qū)域，因而煤體滲透率呈現(xiàn)迅速降低的現(xiàn)象。

尿液是由腎小球?yàn)V過(guò),其腎小管和集合管重吸收、排泄、分泌最終產(chǎn)生的產(chǎn)物,而尿液的組成直接反應(yīng)患者的身體狀態(tài),因此采用尿標(biāo)本檢查,能有效觀察患者的代謝情況,特別為腎經(jīng),其能提供準(zhǔn)確的數(shù)值,所以準(zhǔn)確、及時(shí)的尿標(biāo)本在臨床治療中有重要的意義[4]。

2.2 圍壓對(duì)滲透率影響規(guī)律

將不同層理角度試樣在不同進(jìn)氣壓力、不同圍壓下所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同層理夾角煤體滲透率對(duì)比如圖3。隨層理角度增大，煤體滲透率急劇下降。

圖3 不同層理夾角煤體滲透率對(duì)比圖Fig.3 Permeability of coal under different bedding angles

角度相同時(shí)，圍壓導(dǎo)致滲透率快速下降。例如0°角煤樣在5 MPa 時(shí)滲透率達(dá)到0.090 1 mD，但在12 MPa 時(shí)滲透率僅為0.027 9 mD，降低了69%。

相同進(jìn)氣壓力時(shí)，煤體滲透率與圍壓呈現(xiàn)冪指數(shù)減小關(guān)系，圍壓的存在大幅減小了氣體的有效流動(dòng)通道。而進(jìn)氣壓力的增大并沒(méi)有完全導(dǎo)致煤體滲透率增大，特別是1.5 MPa 時(shí)，在部分試驗(yàn)中煤體的滲透率值不如1.0 MPa 進(jìn)氣壓力時(shí)大。這可能是由于氣體吸附導(dǎo)致煤體基質(zhì)膨脹，從而使有效流動(dòng)通道減小而導(dǎo)致。

2.3 討 論

保德礦區(qū)煤體存在明顯的層理結(jié)構(gòu)，層與層之間存在較好的貫通裂隙，是良好的氣流通道。

2.3.1 層理導(dǎo)致的滲流困難區(qū)

可將氣體沿在層間裂隙內(nèi)流動(dòng)的滲透系數(shù)視為ki，而在煤基質(zhì)內(nèi)滲透系數(shù)視為kj。相對(duì)應(yīng)的，可將氣體在層間裂隙內(nèi)滲流阻力視為1/ki，而在煤基質(zhì)內(nèi)的滲流阻力視為1/kj。由于煤基質(zhì)中含有大量微孔隙或微裂紋，也能為氣體滲透提供通道，限于其較差的連通性，其滲透能力遠(yuǎn)小于層間裂隙內(nèi)，即kj＞＞ki或 1/ki＜＜1/kj，不同層理角度氣流方向通道示意圖如圖4。

圖4 不同層理角度氣流方向通道示意圖Fig.4 Schematic diagram of air flow direction channel under different bedding angles

當(dāng)氣流方向與層理平行時(shí)，此時(shí)夾角為0°。在兩端氣體壓差的作用下，氣體沿煤基質(zhì)內(nèi)的微孔隙及層間裂隙流動(dòng)，此時(shí)流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可視為煤基質(zhì)與層間裂隙的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，滲流阻力為式中：Li為裂隙長(zhǎng)度；n 為分層數(shù)量。

當(dāng)氣流方向與層理垂直時(shí)，夾角為90°。此時(shí)流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可視為煤基質(zhì)與層間裂隙的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，滲流阻力為與0°角時(shí)的滲流阻力相比，當(dāng)氣流方向與層理垂直時(shí)的滲流阻力大得多。

當(dāng)氣流方向與層理存在其他夾角時(shí)，可將試樣的滲流分為2 個(gè)區(qū)域，試樣兩端三角形區(qū)域?yàn)闈B流容易區(qū)，試樣中部灰色區(qū)域?yàn)闈B流困難區(qū)。

對(duì)于滲流容易區(qū)，由于層間裂隙的存在，氣體容易從裂隙內(nèi)進(jìn)入，并迅速積聚在層間裂隙內(nèi)。氣體在滲流困難區(qū)內(nèi)則必須先后滲透過(guò)各個(gè)分層和裂隙，才能再次進(jìn)入下端的滲流容易區(qū)。

滲流困難區(qū)的寬度l 計(jì)算如下：

式中：l 為煤樣滲流困難區(qū)的寬度，m；d 為試樣的直徑，m；α 為氣流方向與煤體的層理的夾角，（°）。

在 0°～90°范圍內(nèi)，當(dāng) α 增大時(shí)，sinα 增大，而分母cosα 減小，滲流困難區(qū)寬度增大。表現(xiàn)在煤樣的滲透率上，則是滲透率隨α 增大而迅速減小。當(dāng)α為0°時(shí)，l 為0，此時(shí)均為滲流容易區(qū)；當(dāng)α 為90°時(shí)，l 趨于無(wú)窮大，此時(shí)整個(gè)試樣均為困難區(qū)。氣流方向的滲流困難區(qū)示意圖如圖5。

圖5 氣流方向的滲流困難區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of seepage difficult area in the direction of air flow

2.3.2 層理效應(yīng)對(duì)瓦斯抽采的影響

雖然0°角煤樣的滲透率值最大，但測(cè)試結(jié)果反映出的是氣流在某一方向上流動(dòng)的難易程度。

在實(shí)際煤層抽采孔布置中，垂直層理方向布置的鉆孔內(nèi)，瓦斯流動(dòng)方向平行于層理，氣流方向?qū)ν咚钩椴捎绊懯疽鈭D如圖6，鉆孔穿過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)煤層層理，氣體從煤基質(zhì)解吸進(jìn)入層理裂隙，并從層理裂隙內(nèi)大量涌出。由圖6 可知，平行于層理方向的順層鉆孔恰好相反。煤層內(nèi)的瓦斯向鉆孔空間內(nèi)運(yùn)移必須流經(jīng)層層之間的煤基質(zhì)，這個(gè)方向的滲透率測(cè)試結(jié)果正好是最小值。

當(dāng)鉆孔與層理夾角小于90°時(shí)，瓦斯仍由煤基質(zhì)解吸進(jìn)入層間裂隙，然后進(jìn)入鉆孔內(nèi)。瓦斯運(yùn)移的最佳通道仍然是層間裂隙，但與垂直層理鉆孔不同的是，此時(shí)鉆孔所穿過(guò)的層理數(shù)量要明顯少。

圖6 氣流方向?qū)ν咚钩椴捎绊懯疽鈭DFig.6 Schematic diagram of influence of air flow direction on gas drainage

在工程實(shí)踐中，當(dāng)鉆孔平行于層理布置時(shí)，瓦斯由外部煤體向孔內(nèi)運(yùn)移的阻力最大，抽采影響半徑最小。當(dāng)鉆孔垂直于層理布置時(shí)，瓦斯運(yùn)移的阻力最小，抽采影響半徑最大、抽采總量也最大。當(dāng)鉆孔與層理夾角小于90°時(shí)，瓦斯運(yùn)移阻力也最小，但是鉆孔所穿越層理數(shù)量減小，此時(shí)為提高抽采效果，可將鉆孔長(zhǎng)度盡量延長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

1）保德礦區(qū)煤體滲透率對(duì)層理角度的響應(yīng)規(guī)律明顯，隨著氣流方向與層理角度的增大，煤體滲透率呈線性減小的規(guī)律，0°角與90°角煤樣的滲透率差1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)；隨著圍壓的增大，煤體滲透率呈冪指數(shù)減小規(guī)律。

2）煤體內(nèi)氣流方向存在明顯的滲流容易區(qū)和困難區(qū)，困難區(qū)的寬度隨氣流方向與層理夾角的增大而不斷增大，當(dāng)夾角為90°時(shí)，整個(gè)煤樣均為氣體流動(dòng)的滲流困難區(qū)。

3）在實(shí)際的瓦斯抽采工程中，當(dāng)鉆孔平行于層理布置時(shí)，煤體瓦斯流動(dòng)的方向反而使垂直于層理，滲透率最小；當(dāng)鉆孔垂直于層理布置時(shí)，煤體瓦斯流動(dòng)的方向反而平行于層理，滲透率最大。研究成果對(duì)保德礦區(qū)或國(guó)內(nèi)具有明顯層理特征高瓦斯煤層的瓦斯抽采工作具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。