保德矿区煤体渗透率对层理夹角的响应规律试验研究_赵美成.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 保德矿区煤体渗透率对层理夹角的响应规律 试验研究 赵美成 1， 叶庆树1， 马衍坤2， 张2， 徐 超 3 （1．神东煤炭集团公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000； 2．安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南 232001； 3．中国矿业大学 （北京） 应急管理与安全工程学院， 北京 100083） 摘要 为分析保德矿区煤体渗透率对层理夹角的响应规律， 制备了与层理呈不同角度的煤体 试样， 利用 QTS－2 煤岩渗透率测试仪， 对不同围压、 不同进气压力下的煤体渗透率进行了测试， 分析了不同角度下气体渗流的容易区与困难区特征。结果表明 保德矿区煤体渗透率对层理角 度的响应规律明显，随着气流方向与层理角度的增大，煤体渗透率呈线性减小的规律， 0角与 90角煤样的渗透率差 1～2 个数量级； 随着围压的增大， 煤体渗透率呈幂指数减小规律。煤样渗 透率反映的是瓦斯气体沿流动方向的难易程度， 在实际的瓦斯抽采工程中， 当钻孔平行于层理 布置时， 煤体瓦斯流动的方向反而使垂直于层理， 渗透率最小； 当钻孔垂直于层理布置时， 煤体 瓦斯流动的方向反而平行于层理， 渗透率最大。 关键词 渗透率； 层理； 渗流困难区； 抽采效率； 保德矿区 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 02－0010-05 Experimental Study on Response Law of Coal Body Permeability to Bedding Angle in Baode Mining Area ZHAO Meicheng1, YE Qingshu1, MA Yankun2, ZHANG Chi2, XU Chao3 （1.Shendong Coal Group Corporation Limited, Ordos 017000, China;2.College of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;3.School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Beijing 100083, China） Abstract In order to analyze the response law of the coal permeability to the angle of the bedding in Baode Mining Area, coal samples with different bedding angles were prepared. The QTS-2 coal rock permeation tester was used to test the permeability of coal under different confining pressures and inlet pressures. The results show that the coal body permeability in Baode Mining Area has obvious response to the bedding angle. With the increase of airflow direction and bedding angle, the permeability of coal body decreases linearly. The permeability of 0 angle differs from 90 angle coal sample by 1 to 2 orders of magnitude. With the increase of confining pressure, the permeability of coal body decreases exponentially. The permeability of coal sample reflects the difficulty of gas flow along the flow direction. In the actual gas drainage project, when the drilling is arranged parallel to the bedding, the direction of the coal gas flow is perpendicular to the bedding, and the permeability is minimal; when the drilling is arranged perpendicular to the bedding, the direction of coal gas flow is parallel to the bedding, and the permeability is maximal. Key words permeability; bedding; seepage difficult area; gas drainage; Baode Coal Mine 煤体渗透率是煤层瓦斯抽采的重要基础参数，对煤体渗透率的研究能够获得影响瓦斯抽采的关键 因素及影响规律。层理、 节理、 应力、 气体压力等均 为影响煤体渗透率的重要因素，而且由于煤层赋存 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.02.004 赵美成， 叶庆树， 马衍坤， 等．保德矿区煤体渗透率对层理夹角的响应规律试验研究 ［J］ ．煤 矿安全， 2020， 51 （2） 10-14. ZHAO Meicheng, YE Qingshu, MA Yankun， et al.Experimental Study on Response Law of Coal Body Perme－ ability to the Bedding Angle in Baode Mining Area ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 10-14. 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0808000） 移动扫码阅读 10 驰 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 1加工后的标准试样 Fig.1Standard sample after processing 的非均匀性， 煤体的渗透率呈现明显的层理效应[1]。 Gash 等发现不同方向含瓦斯煤渗透率差异较大， 沿 割理方向渗透率差异较小，而沿垂直层理面方位渗 透率较小[2]； 黄学满进行了不同瓦斯压力下的渗透 率测定，发现考虑垂直与平行层理面方位下渗透率 差异可达一个数量级[3]； 姜婷婷等通过实验发现影 响煤体渗透率的主要因素是裂纹及裂缝的连通度， 其次就是层理角度[4]； 邓博知等针对垂直于平行层 理 2 个类型煤体，发现在渗流过程中煤体发生变 形， 平行层理方面煤体裂隙度大、 渗透率高[5]； 潘荣 琨等测试了加卸载过程中的煤体渗透率， 发现随着 有效应力的增大，层理面间隙宽会变小，造成渗透 率永久性损伤，即使围压卸除，渗透率也无法完全 恢复[6]。孙国文等通过实验发现， 垂直层理方向瓦斯 渗流速度增长趋势大于平行层理方向，但平行层理 方向瓦斯渗流速度明显大于垂直层理方向[7]； 王登 科等则发现受有效应力变化的影响，煤体渗透率优 势方向会发生改变，平行层理方面渗透率不一定是 最大值[8]。岳高伟等则发现不同方向钻孔抽采半径 存在差异，平行于层理方向的抽采半径明显大于垂 直于层理方向[9]。闫志铭[10]、 范超军[11]等的研究也 同样发现在不同的方位上瓦斯抽采效率差异明显。 保德矿区瓦斯抽采主要沿平行于层理方向布置钻 孔，但瓦斯抽采效果不理想。为探索合理的布置方 式，研究得到保德矿区煤体渗透率对层理的响应规 律意义重大。然而不同矿区煤体渗透率对层理的响 应特征差异明显， 因此利用利用 QTS-2 型煤岩渗透 率测试系统，针对保德矿区的试样，测试分析了不 同地应力及瓦斯压力条件下，煤样渗透率对层理角 度的响应规律，研究成果对煤层瓦斯抽采具有重要 指导意义。 1试验系统及方案 1.1试样制备 试样取自山西省保德煤矿 81310 工作面，利用 取回的大块煤体，在取心设备上钻取煤样，加工成 为 准50 mm100 mm 标准试样。 在加工不同层理角度的试样时，先沿平行层理 方向一侧找平，用夹具固定，确保钻取试样轴线方 向与层理方向成一定角度。由于煤岩裂隙发育， 在 钻取中降低钻取速度，减少扰动，最后再打磨其表 面， 将试样打磨成符合标准的试样。 钻心方向与层理分别呈 0、 30、 45、 60、 90。 加工后的标准试样如图 1， 图中虚线表示煤岩层理。 试样端面平整度误差控制在 0.03 mm 内，尺寸的误 差不大于 0.5 mm， 端面垂直于试件轴线， 最大偏差 角度不超过 0.25。 1.2试验系统 渗透率试验采用 QTS-2 煤岩渗透率测试仪， 该 设备采用稳态法。试验前将煤岩试样进行烘干， 烘 烤时间 24 h。试验选用瓦斯作为测试气体， 忽视其 吸附效应的影响。渗透率计算如下 K 2p2QLμ A （p1 2 －p2 2） （1 ） 式中 K 为气体渗透率， m2； Q 为煤样出口端的 气体流量， mL/s； L 为煤样长度， cm； μ 为瓦斯气体黏 度， mPa s； A 为煤样的横截面积， m2； p1、 p2分别为煤 样入口端、 出口端的气体压力， MPa。 由于煤岩体渗透率一般较小，因此渗透率的单 位一般采用毫达西 （mD）表示 （1 mD1 μm2） ， 对试 验数据进行分析时也采用毫达西。 1.3试验方案 考虑到取样点的地应力和瓦斯压力，试验拟采 用 5、 8、 10、 12 MPa 的围压和 0.5、 1.0、 1.5 MPa 的进 气压力。 对样品首先施加 5 MPa 的围压； 然后向夹持器 中充入 0.5 MPa 的瓦斯气体； 测试出口流量， 并计算 渗透率。试验结束后，提高瓦斯压力到 1.0 及 1.5 MPa， 再次计算渗透率。 最后将围压提高到更高的压 力， 再次分别进行 0.5、 1.0、 1.5 MPa 进气压力下的试 验。每个试样均要经历 12 次试验。 2试验结果及讨论 2.1不同层理角度下渗透率变化 将不同围压下所得到的数据进行分析，不同进 气压力下煤体渗透率对比如图 2。随着层理角度的 增大， 煤体渗透率急剧下降。 11 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 2不同进气压力下煤体渗透率对比图 Fig.2Permeability of coal under different inlet pressures 图 3不同层理夹角煤体渗透率对比图 Fig.3Permeability of coal under different bedding angles 进气压力为 1.5 MPa 时， 0角与 90时渗透率相 差 1 个数量级。0角煤样在 5 MPa 时渗透率达到 0.090 1 mD， 90煤样在 5 MPa 时的渗透率仅为 0.021 9 mD， 降低了 75.7。 对数据进行拟合分析，发现不同围压下的煤体 渗透率与层理角度存在线性负相关的关系，围压增 大，初始渗透率与下降速率均变小。由于煤是沉积 而成，层理之间存在较为理想的气流通道。当层理 夹角增大后，气流的有效通道明显减小，层与层之 间的煤体基质成为气体必须流经的区域。 因此， 当层理夹角不是 0时， 煤体基质的渗透 率成为影响煤体渗透率的关键。从 90角煤样渗透 率可以得到，煤体基质的渗透率极低。当层理夹角 一旦不为 0时， 气体必须流经极低渗透率的煤体基 质区域， 因而煤体渗透率呈现迅速降低的现象。 2.2围压对渗透率影响规律 将不同层理角度试样在不同进气压力、不同围 压下所得到的数据进行分析，不同层理夹角煤体渗 透率对比如图 3。 随层理角度增大， 煤体渗透率急剧 下降。 角度相同时，围压导致渗透率快速下降。例如 0角煤样在 5 MPa 时渗透率达到 0.090 1 mD， 但在 12 MPa 时渗透率仅为 0.027 9 mD， 降低了 69。 相同进气压力时，煤体渗透率与围压呈现幂指 数减小关系，围压的存在大幅减小了气体的有效流 动通道。而进气压力的增大并没有完全导致煤体渗 透率增大， 特别是 1.5 MPa 时， 在部分试验中煤体的 渗透率值不如 1.0 MPa 进气压力时大。这可能是由 于气体吸附导致煤体基质膨胀，从而使有效流动通 道减小而导致。 2.3讨论 保德矿区煤体存在明显的层理结构，层与层之 12 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 4不同层理角度气流方向通道示意图 Fig.4Schematic diagram of air flow direction channel under different bedding angles 图 5气流方向的渗流困难区示意图 Fig.5Schematic diagram of seepage difficult area in the direction of air flow 间存在较好的贯通裂隙， 是良好的气流通道。 2.3.1层理导致的渗流困难区 可将气体沿在层间裂隙内流动的渗透系数视为 ki， 而在煤基质内渗透系数视为 kj。相对应的， 可将 气体在层间裂隙内渗流阻力视为 1/ki，而在煤基质 内的渗流阻力视为 1/kj。由于煤基质中含有大量微 孔隙或微裂纹，也能为气体渗透提供通道，限于其 较差的连通性，其渗透能力远小于层间裂隙内， 即 kjki或 1/ki1/kj，不同层理角度气流方向通道示 意图如图 4。 当气流方向与层理平行时， 此时夹角为 0。在两 端气体压差的作用下， 气体沿煤基质内的微孔隙及层 间裂隙流动， 此时流动网络可视为煤基质与层间裂隙 的并联网络， 渗流阻力为 （ 1 n 0 Σ 1 ki ＋ n 0 Σ 1 kj ） Li， 式中 Li为裂隙长度； n 为分层数量。 当气流方向与层理垂直时， 夹角为 90。此时流 动网络可视为煤基质与层间裂隙的串联网络，渗流 阻力为（ n 0 Σ 1 ki n 0 Σ 1 kj ） Li。与 0角时的渗流阻力相 比， 当气流方向与层理垂直时的渗流阻力大得多。 当气流方向与层理存在其他夹角时，可将试样 的渗流分为 2 个区域，试样两端三角形区域为渗流 容易区， 试样中部灰色区域为渗流困难区。 对于渗流容易区， 由于层间裂隙的存在， 气体容 易从裂隙内进入，并迅速积聚在层间裂隙内。气体 在渗流困难区内则必须先后渗透过各个分层和裂 隙， 才能再次进入下端的渗流容易区。 渗流困难区的宽度 l 计算如下 l dsinα tanα dsin 2 α cosα （2 ） 式中 l 为煤样渗流困难区的宽度， m； d 为试样 的直径， m； α 为气流方向与煤体的层理的夹角，（） 。 在 090范围内， 当 α 增大时， sinα 增大， 而分 母 cosα 减小， 渗流困难区宽度增大。表现在煤样的 渗透率上，则是渗透率随 α 增大而迅速减小。当 α 为 0时， l 为 0，此时均为渗流容易区；当 α 为 90 时， l 趋于无穷大， 此时整个试样均为困难区。气流 方向的渗流困难区示意图如图 5。 2.3.2层理效应对瓦斯抽采的影响 虽然 0角煤样的渗透率值最大， 但测试结果反 映出的是气流在某一方向上流动的难易程度。 在实际煤层抽采孔布置中，垂直层理方向布置 的钻孔内， 瓦斯流动方向平行于层理， 气流方向对瓦 斯抽采影响示意图如图 6，钻孔穿过无数个煤层层 理， 气体从煤基质解吸进入层理裂隙， 并从层理裂隙 内大量涌出。由图 6 可知，平行于层理方向的顺层 钻孔恰好相反。煤层内的瓦斯向钻孔空间内运移必 须流经层层之间的煤基质，这个方向的渗透率测试 结果正好是最小值。 当钻孔与层理夹角小于 90时，瓦斯仍由煤基 质解吸进入层间裂隙，然后进入钻孔内。瓦斯运移 的最佳通道仍然是层间裂隙，但与垂直层理钻孔不 13 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 6气流方向对瓦斯抽采影响示意图 Fig.6Schematic diagram of influence of air flow direction on gas drainage 同的是， 此时钻孔所穿过的层理数量要明显少。 在工程实践中， 当钻孔平行于层理布置时， 瓦斯 由外部煤体向孔内运移的阻力最大，抽采影响半径 最小。当钻孔垂直于层理布置时，瓦斯运移的阻力 最小， 抽采影响半径最大、 抽采总量也最大。当钻孔 与层理夹角小于 90时， 瓦斯运移阻力也最小， 但是 钻孔所穿越层理数量减小，此时为提高抽采效果， 可将钻孔长度尽量延长。 3结论 1） 保德矿区煤体渗透率对层理角度的响应规律 明显，随着气流方向与层理角度的增大，煤体渗透 率呈线性减小的规律， 0角与 90角煤样的渗透率 差 12 个数量级； 随着围压的增大， 煤体渗透率呈 幂指数减小规律。 2） 煤体内气流方向存在明显的渗流容易区和困 难区，困难区的宽度随气流方向与层理夹角的增大 而不断增大， 当夹角为 90时， 整个煤样均为气体流 动的渗流困难区。 3） 在实际的瓦斯抽采工程中， 当钻孔平行于层 理布置时，煤体瓦斯流动的方向反而使垂直于层 理， 渗透率最小； 当钻孔垂直于层理布置时， 煤体瓦 斯流动的方向反而平行于层理，渗透率最大。研究 成果对保德矿区或国内具有明显层理特征高瓦斯煤 层的瓦斯抽采工作具有重要的指导价值。 参考文献 ［1］ Zhang G Q, Chen M， Liu X, et a1． Relationshipbe－ tween rock compositions and mechanical properties of reservoir for low－permeability reservoirs． Petroleum Sci－ ence and Technology, 2013, 31 （14） 1415－1422． ［2］Gash B W, Volz R F, Potter G, et al． The effects of cleat orientation and confining pressure on cleat porosi－ ty, permeability and relative permeability in coal［C］ // The 1993 International Coalbed Methane Symposiun． Tuscaloosa the University of Alabama, 1993． ［3］ 黄学满．煤结构异性对瓦斯渗透特性影响的实验研究 ［J］ ．矿业安全与环保， 2012， 39 （2） 1－3． ［4］ 姜婷婷， 张建华， 黄刚．不同层理方向的煤岩渗透特性 研究 ［J］ ．科学技术与工程， 2017， 17 （17） 206－211． ［5］ 邓博知， 康向涛， 李星， 等．不同层理方向对原煤变形 及渗流特性的影响 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （4） 888. ［6］ 潘荣锟， 程远平， 董骏， 等．不同加卸载下层理裂隙煤 体的渗透特性研究 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （3） 473. ［7］ 孙国文， 罗甲渊， 罗斌玉．煤层层理对瓦斯渗流影响理 论分析与实验研究 ［J］ ．湖南科技大学学报 （自然科学 版） ， 2017， 32 （1） 12－17． ［8］ 王登科， 吕瑞环， 彭明， 等．含瓦斯煤渗透率各向异性 研究 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （4） 1008－1015． ［9］ 岳高伟， 王宾宾， 曹汉生， 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