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第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 渗透性的高低通常用渗透率来表示，煤层中渗 透性的好坏， 直接决定着瓦斯抽采的难易程度[1-3]， 低渗透性的特征不利于瓦斯的抽采与煤层气的开 发， 因此有必要对煤储层进行相应的改造， 以提高 煤储层的渗透性。为了查明不同煤样酸化前后渗透 性的变化，通过电镜扫描分析，以及前人的研究结 果，选择最优配方酸液 3HCL3CH3COOH3 HF2KCL 与不同煤样进行酸化反应。温度和压力 等因素对煤岩渗透性的测定也有着重要影响。通过 改变煤样的压力及温度，对煤储层的渗透率参数进 行精确计算，有助于为瓦斯抽采制定合理的开采方 案。 通过对 3 种不同煤样酸化前后的渗透率测试， 观 察分析每种煤样的渗透率的变化趋势，然后在不同 压力、温度条件下进行测试不同酸化时间下的渗透 率，分析得出煤体酸化后渗透率随压力和温度变化 的规律，以尽可能达到或接近煤矿井下煤层渗透性 真实特征的目的[4-6]， 为现场瓦斯抽采方案的制定提 供科学合理的依据。 1酸化对煤样渗透率的影响 1.1实验条件 实验采集山西大同 13烟煤、山西临汾 2贫瘦 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.009 煤体渗透率随酸化时间和压力及温度的 变化规律 李紫竹 1， 2 （1．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 通过对 3 种不同煤样酸化前后的渗透率测试， 分析每种煤样渗透率的变化趋势， 在不同 压力、 温度条件下测试不同酸化时间下的渗透率， 分析得出煤体酸化后渗透率随酸化时间、 压力 和温度变化的规律。 结果表明 13烟煤、 2贫瘦煤的渗透率优于 3无烟煤， 即中低阶煤的酸化效 果比高阶煤好； 围压对于渗透率的影响较为明显， 随着围压的增加， 渗透率呈现出减小的趋势； 不同煤样在温度增加的前期阶段， 随着温度的升高， 渗透率呈现出加速增大的态势； 在酸化的中 间阶段， 渗透率逐渐下降； 在温度增加的后期阶段， 渗透率随温度的升高虽还有所降低， 但变化 趋势不再特别明显， 逐渐进入平稳阶段。 关键词 煤体渗透率； 酸化时间； 压力； 温度； 变化规律； 瓦斯抽采 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0036-05 Change Laws of Coal Permeability with Acidification Time, Pressure and Temperature LI Zizhu1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China；2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Through the permeability test of three different coal samples before and after acidification, the change trend of permeability of each coal sample is analyzed, and then the permeability under different pressures and temperature conditions is tested under different acidification time, and the laws of permeability changing with acidification time, pressure and temperature are obtained. The results show that the permeability of 13bituminous coal and 2lean coal is better than that of 3anthracite, that is, the acidification effect of medium and low rank coal is better than that of high rank coal； the influence of confining pressure on permeability is more obvious, with the increase of confining pressure, the permeability shows a decreasing trend； in the early stage of temperature increase, with the increase of temperature, the permeability of different coal samples decreases. In the intermediate stage of acidification, the permeability decreases gradually； in the later stage of temperature increase, the permeability decreases with the increase of temperature, but the change trend is no longer particularly obvious, and gradually enters a stable stage. Key words coal permeability； acidification time； pressure； temperature； change law； gas drainage 36 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 1不同煤样的渗透率变化曲线 煤、 贵州六盘水 3无烟煤， 采集的煤样都是块状结 构， 规格是 30 cm30 cm30 cm 左右。酸液浓度比 例为 3HCL3CH3COOH3HF2KCL 的混合 酸液， 大约准备 500 mL， 密封保存。 渗透率的测试仪 器为 FYKS-Ⅲ型高温覆压孔渗测定仪。 1.2实验步骤 1） 煤样制作。将采集的块状煤样切割成前后 2 个较为平整的面，保证切割后煤块的高度至少在 100 mm 以上，沿着煤的层理方向钻取出直径为 25 mm 的煤心， 煤心两端磨平， 误差控制在上下 0.5 mm 之内。 2） 煤样酸化。首先用游标卡尺测出每块煤芯的 直径和长度， 进行整理记录； 然后取 500 mL 配方为 3HCL3CH3COOH3HF2KCL 混合酸液于 不同惰性塑料反应瓶中，将煤样在酸液中反应不同 的时间 （0、 12、 24、 48、 72 h） ， 浸泡后的煤心放置于鼓 风干燥箱中在 60 ℃下烘 12 h 至干燥，放置在密封 袋中进行保存， 方便测试渗透率时进行使用。 3） 实验测试。使用气测的方式， 对原始煤样和 酸化不同时间后的煤样来进行测试。把围压设置为 1.0 MPa， 实验温度为 20 ℃， 并且使围压和温度保持 不变，测试气体为氮气，采用气体脉冲衰减法进行 测量， 可以计算出渗透率的数值。 1.3实验结果 不同煤样的渗透率变化曲线如图 1。由图 1 可 知， 对于 13烟煤， 随着酸化时间的增加， 渗透率不 断增大，从 0.34710-3μm2增加到 3.76310-3μm2。 其中 0～24 h 增加较慢， 24～48 h 快速增长， 48～72 h 增长较平稳。这主要是因为酸化溶解了煤中矿物 质，增加了煤储层孔裂隙之间连通性，所以煤样渗 透率总体上在不断增加。 对于 2贫瘦煤， 随着酸化时间的增加， 渗透率 先增大， 然后略微下降， 最后持续上升。其中， 在 0～ 12 h 阶段， 煤样的渗透率增加幅度较小， 12～24 h 略 微有所下降， 24～72 h 渗透率迅速增大， 总体的变化 趋势也是在增加的。在刚开始反应阶段，酸液与煤 中的矿物质发生了化学反应，所以此时渗透率在增 加；中间反应阶段，酸液与煤粉反应后可能会产生 一些 AlF2、 SiF4沉淀， 孔隙被堵塞， 渗透率会有所下 降，紧接着出现回升现象。出现此种现象的主要原 因是煤层中含有的矿物质有限，再加上氯化钾有防 止膨胀的作用，所以这一阶段的渗透率不会大幅度 持续下降， 后来渗透率还会持续增加的。总体来看， 浸泡 72 h 后煤样渗透率从 0.25110-3μm2增加到 3.02510-3μm2， 渗透率的整体变化趋势是增大的。 对于 3无烟煤， 随着酸化时间的增加， 渗透率 增加；煤样渗透率从 0.10310-3μm2增加到 0.941 10-3μm2， 但整体渗透率低于贫瘦煤和无烟煤的渗透 率， 总体变化幅度也较小 13烟煤和 2贫瘦煤。 因为 3 种煤样的原始裂隙情况不同，渗透率增 加幅度和变化趋势会有所不同，结合电镜扫描结果 与图 1 分析得出 13烟煤煤样裂隙十分发育，其渗 透率最高； 2贫瘦煤煤样裂隙发育程度一般， 其渗透 率中等； 3无烟煤裂隙不太发育， 其渗透率最低。 贫瘦煤和烟煤属于中低阶煤，无烟煤属于高阶 煤。由图 1 可知中低阶煤增透效果明显优于高阶 煤， 主要是因为中低阶煤的孔隙的基质型， 而高阶煤 孔隙的裂隙型。对于裂隙型孔隙而言，煤层发生抬 升后， 气体便会大面积地散失， 不利于煤层气聚集起 来； 而基质型孔隙正相反， 它的储集层很少受抬升作 用的影响， 煤层气易于聚集开采。 随着酸化处理时间从 24 h 直至 72 h， 3 种煤样 的渗透率整体呈现出急速增大的趋势，这一阶段的 酸化对渗透性影响作用较大。 2压力对酸化后煤样渗透率的影响 煤储层渗透率对温度和应力的敏感性响应是深 部煤储层物性评价的基础参数之一[7-9]。以山西大同 13烟煤、 山西临汾 2贫瘦煤、 贵州 3无烟煤样为研 究对象，利用高温覆压孔渗测定仪进行了温度和压 力对渗透率的敏感性分析。实验所使用的高温覆压 孔渗透测定仪， 此仪器有很多用途， 比如 在不同的 状态下测试样品的渗透率和孔隙度，样品可以是高 温状态， 不同压力状态下， 覆压状态下等， 调节的变 化范围是 常温至 200 ℃， 轴压 0～70 MPa， 环压 （围 压） 0～70 MPa， 压力控制精度为0.002 5 MPa。 37 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 为了研究温度一定时，围压对煤心渗透率所产 生的影响，实验保持温度不变，大致为实验室温度 （20 ℃） ， 通过改变围压大小， 观察酸化不同时间后 煤样的渗透率变化特征， 13烟煤、 2贫瘦煤、 3无烟 煤渗透率随压力变化曲线分别如图 2图 4。 分析图 2～图 4 可以看出， 13烟煤、 2贫瘦煤、 3 无烟煤 3 种煤样中， 围压是影响渗透率的重要因素。 围压增加， 渗透率降低， 呈现出负相关的关系。出现 此种现象的原因主要是当其它条件保持不变时， 随着围压增加， 煤样受到压力会发生环向变形， 裂缝 逐渐闭合， 渗流通道会变窄， 导致渗透率变小。 在 1～2 MPa 阶段， 渗透率降低幅度较大， 此阶 段是刚开始施加围压的时候，因为原始煤样本身有 很多的裂隙， 突然增加围压时， 渗流通道就会瞬间减 少， 渗透率下降； 在 2～3 MPa 阶段， 渗透率仍在下 降， 但降低幅度有所减小； 在 3～4 MPa 阶段， 施加很 大的压力之后， 煤样便会发生环向变形， 这时候， 煤 中的孔、 裂隙就会逐渐闭合， 因此渗流通道会变窄， 渗透率变小， 但降低幅度低于上一个阶段。 围压为 1 MPa 时， 渗透率随着酸化时间增加的 幅度， 大于围压为 2 MPa 时渗透率随着酸化时间增 加的幅度；随着围压的增加，依次是沿着这种规律 发生变化的。即 围压越小， 渗透率升高越快； 围压 越大， 渗透率增加越慢。这主要是因为 围压越小， 约束能力越小， 孔隙张开越大， 渗透率越大。 酸化时间较短的煤样受压力的影响较小，在酸 化 0～24 h 阶段， 随着围压的增大， 渗透率减小幅度 较小； 而酸化时间较长的煤样受压力的影响较大， 在 酸化 24～72 h 阶段， 随着压力的增大， 渗透率减小幅 度较大。 总体来看， 渗透率随着围压的增大先急速降低， 再缓慢降低， 变化较为显著， 可以看出围压是影响渗 透率变化的重要因素。最开始加载围压的时候， 渗 流通道很多， 随着施加一样的围压增量， 渗流通道的 不断变小， 表现为渗透率降低。 3温度对酸化后煤样渗透率的影响 渗透率是瓦斯抽采难易程度的重要评价指标， 对于不同煤样， 埋藏深度不同， 随着深度的增加， 地 下温度也是在逐渐上升的，温度对于渗透率的影响 也不能忽略。为了更加真实地研究渗透率酸化后的 变化规律， 进行不同温度条件下的煤体渗流实验， 希 望得出温度对渗透率的影响规律。 探讨温度对渗透率的影响规律时，首先保持压 力不变， 设置围压为 1 MPa， 然后根据不同地区煤样 埋深的不同， 不断改变煤孔中的温度， 测试出温度对 渗透率的影响。由于每种煤样的地域不同，埋深不 同， 所以在设置温度的变化时候， 也有所差别。 13烟 煤、 2贫瘦煤、 3无烟煤渗透率随温度变化曲线分别 如图 5图 7。 对于 13烟煤，渗透率随着温度的增加表现为 先上升后下降的规律。在 15～25 ℃阶段，随着温度 的增加，煤样会出现向外膨胀的现象，这就会使渗 图 43无烟煤渗透率随压力变化曲线 图 32贫瘦煤渗透率随压力变化曲线 图 213烟煤渗透率随压力变化曲线 38 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 73无烟煤渗透率随温度变化曲线 图 62贫瘦煤渗透率随温度变化曲线 图 513烟煤渗透率随温度变化曲线 流通道的数量增加，而且通道也会增大，表现为渗 透率增加； 在 25～30 ℃阶段， 也即温度持续增加， 膨 胀现象继续发生，孔裂隙不再扩展，就会表现出孔 裂隙的占有率减小， 渗流通道变小， 因此， 渗透率会 减小； 35 ℃后， 随温度增加渗透率逐渐平缓。 对于 2贫瘦煤， 在 20～25 ℃阶段， 渗透率增加； 在 25～35 ℃阶段，渗透率逐渐下降；在 25～40 ℃阶 段， 渗透率仍在下降， 但下降幅度有所减慢； 总体来 看， 渗透率随温度也是先增加后减小。 对于 3无烟煤， 在 10～30 ℃阶段， 随着温度的 升高， 渗透率不断降低。 从整体上看， 不同煤样在温度增加的前期阶段， 随着温度的升高，渗透率呈现出加速增大的态势， 如 13烟煤的 15～25 ℃阶段， 2贫瘦煤的 20～25 ℃ 阶段。在一开始增加温度的时候，由于发生了热作 用， 煤样就会发生膨胀， 整体结构表现出向外面扩张 的趋势， 煤中的孔、 裂隙就会增大， 渗流通道就会变 多变大， 所以渗透率增加。 随着温度的逐渐上升，渗透率又表现为下降的 趋势， 如 13烟煤的 25～30 ℃阶段， 2贫瘦煤的 25～ 35 ℃阶段， 3无烟煤的 10～25 ℃阶段。说明随着温 度持续升高，煤体中的颗粒持续扩张，发生膨胀现 象，但是这些裂缝经过上一个阶段的扩张后开始慢 慢地稳定下来了， 不能再次产生特别大的改变了， 会 使得一些裂缝被煤体颗粒占用， 所以渗透率会减小， 再加上一些裂隙被破坏了，所以这个阶段渗透率会 呈现出加速减小的现象。 在温度上升的最后一个阶段，渗透率随着温度 的升高仍有所降低， 但当温度达到某一范围时， 随着 温度的变化， 渗透率变化已经不再特别的明显， 开始 趋于稳定。 如 13烟煤的 30～35 ℃阶段， 2贫瘦煤的 35～40 ℃阶段， 3无烟煤的 25～30 ℃阶段。 随着温度 的不断上升， 在热效应的影响下， 煤体内部结构的骨 架出现膨胀现象， 当孔裂隙受到挤压， 裂隙遭受破坏 达到一定阶段后，整体的内部结构形式就不会在发 生特别重大的变化，所以才会出现渗透率在某个温 度段趋于稳定这一现象。 酸化时间较短的， 渗透率受温度影响较小； 酸化 时间长的， 渗透率受温度影响较大； 酸化 48～72 h 受 温度影响的效果大于酸化 0～24 h。 13烟煤和 2贫瘦煤 13烟煤为中低阶煤， 其渗 透率随着温度的改变， 渗透率变化较为明显； 3无烟 煤为高阶煤， 其渗透率对温度变化敏感度较小。 整体而言， 随着温度的增加， 渗透率的变化趋势 是 先不断增加， 在逐渐减小， 最后趋于稳定。 4结论 1） 13烟煤、 2贫瘦煤的渗透率优于 3无烟煤， 即中低阶煤的酸化效果比高阶煤好。 2 ） 对于 3 种不同的煤样， 酸化时间在 0～24 h 阶 段， 渗透率增长较慢， 酸化效果不是特别明显； 酸化 时间在 24～72 h， 渗透率增长较快， 酸化效果较好。 39 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 3） 围压对于渗透率的影响较为明显， 随着围压 的增加，渗透率呈现出减小的趋势。在相对低压阶 段， 渗透率的降低幅度较大； 随着压力的增大， 渗透 率的下降幅度逐渐变小， 甚至有趋于稳定的趋势。 4） 不同煤样在温度增加的前期阶段， 随着温度 的升高，渗透率呈现出加速增大的态势；在酸化的 中间阶段，渗透率逐渐下降；在温度增加的后期阶 段，渗透率随温度的升高虽还有所降低，但变化趋 势不再特别明显， 逐渐进入平稳阶段。 参考文献 ［1］ 刘炎杰．低渗透煤储层酸化改造实验研究 ［D］ ．焦作 河南理工大学， 2016． ［2］ 彭春洋， 陈健， 原晓珠， 等．煤层气储层渗透性影响因 素分析 ［J］ ．煤， 2011， 20 （5） 38－41． ［3］ 张迎新， 杨杰， 王鹏飞， 等．酸化工艺的煤层增透新技 术 ［J］ ．黑龙江科技大学学报， 2014， 24 （2） 177－181． ［4］ 贺玉龙， 杨立中．温度和有效应力对砂岩渗透率的影 响机理研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2005， 24 （12） 2420－2427． ［5］ 郝振良．热应力作用下的有效应力对多孔介质渗透系 数的影响 ［J］ ．水动力学研究与进展， 2003， 18 （6） 792－796． ［6］ 彭博， 李雄， 饶孜， 胡勇．新维矿区围岩瓦斯渗透率演 化规律研究 ［J］ ．中国煤炭， 2019 （5） 59－63． ［7］ 李志强， 鲜学福， 隆晴明．不同温度应力条件下煤体渗 透率实验研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2009， 38 （4） 523－527． ［8］ 曹树刚， 郭平， 李勇， 等．瓦斯压力对原煤渗透特性的 影响 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （4） 595－599． ［9］ 李明敏． 褐煤热解渗透及其微观结构变化的研究 ［D］ ．太原 太原理工大学， 2012． 作者简介 李紫竹 （1988） ， 女， 辽宁沈阳人， 助理工程 师， 本科， 2014 年毕业于辽宁工程技术大学， 现从事科研与 技术管理工作。 （收稿日期 2019-08-19； 责任编辑 王福厚） ［6］ 聂百胜， 杨涛， 李祥春， 等．煤粒瓦斯解吸扩散规律实 验 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2013， 42 （6） 975－980． ［7］ 史广山， 魏风清， 高志扬．煤粒瓦斯解吸温度变化影响 因素及与突出的关系研究 ［J］ ．安全与环境学报， 2015， 15 （5） 78－81. ［8］ 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