围压作用下煤粉充填煤岩裂隙渗流特性_陈金刚.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 自然条件下， 由于长期地质构造运动， 煤体内形 成了许多不规则的孔、 裂隙， 这些孔、 裂隙作为煤层 气的主要运输通道，与煤体渗透率有着重要的关 系， 而在煤矿开采过程中， 破碎的煤粉成为了煤岩 裂隙的主要充填物，其将会对煤层气渗透产生影响 而导致一些相应的煤矿事故[1-3]。因此对煤粉充填煤 岩渗透性能的研究具有十分重要的意义。近年来， 前 人对煤岩渗透率的影响因素进行了大量的研究[4-8]， 对煤岩渗透率方面的研究已经比较丰富， 但对充填煤 岩渗透率的影响相关研究较少，而天然条件下煤岩 裂隙被煤粉充填是一种较为普遍的现象[9-11]。因此， 为了避免因煤粉充填对煤层气渗透率产生的影响而 造成煤矿事故，开展对含有煤粉充填的煤岩裂隙渗 透性进行研究是非常必要的。 1煤样的采集与加工 实验所用煤样来自焦作煤业有限责任公司下属 的赵固一矿， 该煤矿主要开发的是二1煤储层， 该煤 储层结构简单， 形状以块煤为主， 强度大， 含有少量颗 粒状煤， 颜色发黑， 有金属光泽， 煤内含有内生裂隙。 煤样取回后运送到河南理工大学煤储层实验室 做进一步的加工制作，由于该实验室自动精密切割 机 （XGCB-5P） 最大切割长度为 50 mm， 所以煤样制 取成直径 50 mm， 高 50 mm 的圆柱体， 然后将圆柱 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.004 围压作用下煤粉充填煤岩裂隙渗流特性 陈金刚 1， 2， 郑战士1， 张 泷 1 （1．郑州大学 力学与安全工程学院， 河南 郑州 450001； 2．河南瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室， 河南 焦作 454003） 摘要 为了研究不同颗粒大小的煤粉充填煤岩裂隙对煤层气渗透率产生的影响， 以焦作煤业 有限责任公司下属的赵固一矿二1煤储层为研究对象， 以不同粒径煤粉为充填介质， 在一定围压 条件下， 以不同气压和不同裂隙宽度进行了煤粉充填煤岩裂隙渗透特性实验。结果表明 在一定 围压条件下， 随着气压的增大， 相同裂隙宽度不同目数煤粉充填的煤岩裂隙渗透率都先增大后 减小， 且峰值渗透率随着煤粉目数的增大也减小； 在不同裂隙宽度相同目数煤粉充填的煤岩裂 隙中， 煤岩裂隙渗透率随着充填宽度的增大而增大。 关键词 煤岩裂隙； 煤粉； 围压； 气压； 渗透率； 渗流特性 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0014-04 Seepage Characteristics of Fractures in Coal Rock Filled with Pulverized Coal Under Confining Pressure CHEN Jingang1,2, ZHENG Zhanshi1, ZHANG Long1 （1.School of Mechanics and Safety Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China；2.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control, Jiaozuo 454003, China） Abstract To study the influence of different particle sizes pulverized coal filling on coalbed methane permeability, the paper took II1coal reservoir of Zhaogu No.1 Mine of Jiaozuo Coal Industry as the research object, 20 to 40 mesh, 60 to 80 mesh and 100 to 120 mesh pulverized coals were used as filled media. Under certain confined pressure, experiments were carried out on coal rock fissure permeability characteristics with different pressures and different crack widths. The results show that under certain confined pressure, with the increase of air pressure, the permeability of coal-rock fractures filled with coal powder with the same fracture width and different particle sizes increased first and then decreased, and the peak permeability decreases with the increase of coal size； in the coal-rock fractures filled with coal powder with the same mesh width, the permeability of coal rock crack increases with the filled width. Key words coal-rock fissures； pulverized coal； confined pressure； air pressure； permeability； seepage characteristics 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （11602227） ； 河南省瓦斯地 质与瓦斯治理重点实验室开放基金资助项目 （WS2013A04） 14 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 煤粉 粒径/目 围压 σ /MPa 渗透率/10-3μm2 0.1 MPa0.2 MPa0.3 MPa0.4 MPa 20～40 3 4 5 6 7 21.828 20.650 19.058 18.757 18.246 29.338 26.124 22.028 20.561 19.719 53.746 48.456 33.546 27.094 23.566 44.248 35.109 31.262 16.833 16.504 60～80 3 4 5 6 7 12.639 11.110 10.491 10.110 9.860 15.123 14.749 13.642 12.749 12.535 23.711 20.344 19.238 18.517 14.477 20.210 13.767 13.346 12.024 11.904 100～120 3 4 5 6 7 11.276 11.104 10.581 9.239 8.633 14.188 14.038 11.617 9.379 8.753 10.153 9.886 9.352 8.196 7.802 8.567 8.477 7.966 7.262 6.974 表 1裂隙宽度为 2 mm 的煤岩渗透率测定结果 煤粉 粒径/目 围压 σ /MPa 渗透率/10-3μm2 0.1 MPa0.2 MPa0.3 MPa0.4 MPa 20～40 3 4 5 6 7 12.024 10.021 9.994 9.783 9.619 18.437 16.521 14.561 12.505 11.753 38.134 26.018 20.002 16.406 15.818 27.414 17.261 17.047 14.809 13.859 60～80 3 4 5 6 7 10.559 9.547 9.529 8.499 8.266 13.734 12.612 12.238 12.184 11.222 21.441 20.431 17.074 15.944 12.024 15.234 12.072 11.735 7.846 7.725 100～120 3 4 5 6 7 10.688 8.765 8.753 8.465 8.070 9.859 10.046 9.939 9.779 9.673 8.116 9.475 9.090 8.890 8.285 8.979 7.966 7.365 6.763 6.673 体煤样沿直径切割成 2 部分，制备成裂隙宽度分别 为 2、 3、 4 mm 的煤岩裂隙， 分别充填 20～40 目 （380～ 830 μm） 、 60～80 目 （180～250 μm） 、 100～120 目 （120～ 150 μm） 的煤粉。在煤岩裂隙充填前， 首先将底面缝 隙处缠绕一条透气良好的布条，然后充填相应的介 质， 最后同样用一条透气良好布条缠在顶面裂隙。 2实验方法 实验的主要仪器是河南理工大学煤储层实验室 的储层渗透性动态伤害评价系统试验机。为了实验 过程的安全性，模拟煤层瓦斯流动中使用高纯度的 氮气代替甲烷。实验开始前，首先对实验装置进行 检查，确保各项指标都处于正常状态。然后再将充 填煤岩裂隙样品放在实验机发的夹持器中，氮气压 力通过减压阀调节，压力通过环压跟踪泵施加； 出 口压力由手动液压泵调节；样品温度由恒温箱控制 （20 ℃） ； 气体流量由流量计测定。 实验测试过程中发现当气压大于 0.5 MPa 时， 不同目数的煤粉充填的煤岩裂隙的渗透性较好， 都 超过了流量计的最大量程，所以煤粉充填的煤岩裂 隙进气口压力值必须小于 0.5 MPa，即设置为 0.1、 0.20、 0.30、 0.4 MPa。 出口压力值均为 0 MPa。 围压分 别为 3、 4、 5、 6、 7 MPa。 3实验结果与分析 在一定围压条件下，煤岩渗透率是根据测量气 体流量来计算的， 根据前人研究成果[12-15]， 则煤岩裂 隙渗透率的计算公式为 k 2μqp0L A （p1 2-p22）10 2 式中 k 为煤岩裂隙渗透率， 10-15m2； q 为气体 流量， cm3/s； p0为大气压力， MPa； μ 为气体动力黏性 系数，取 1.0810-5Pa s； L 为圆柱体煤样长度， cm； p1为进口气体压力， MPa； p2为出口气体压力， MPa； A 为煤样横截面积， cm2。 根据式 （1） 测得煤岩裂隙渗透率， 裂隙宽度为 2、 3、 4 mm 的煤岩渗透率测定结果见表 1～表 3。 3.1充填煤岩裂隙渗透率随气压的变化规律 不同围压下裂隙宽 2 mm 充填煤岩裂隙渗透率 如图 1 和图 2。可以看出， 在围压固定的条件下， 随 着气压的增大，不同裂隙宽度不同数目煤粉充填的 煤岩裂隙渗透率都表现为先增大后减小，且峰值渗 透率随着煤粉目数的增大而减小； 由表 1～表 3 可以 看出，在围压不断增大的条件下，煤岩渗透率表现 为不断减小的现象。这是因为在围压一定的条件 下，气体压力加载初期，虽然煤粉颗粒会吸附一部 分气体， 但由于煤粉充填裂隙形成孔、 裂隙较大， 导 致增加的气体分子层厚度对气体渗流作用较小， 所 以大部分气体分子还能够从煤粉颗粒通过。因此， 在刚开始施加气体压力时， 压力越大， 渗透率也就越 大。当气体压力增大到一定值时，滑脱效应效应将 起到主要作用， 在这种情况下， 气体分子被吸附速率 增加， 导致气体分子层增厚， 从而导致气体渗流通道 表 2裂隙宽度为 3 mm 的煤岩渗透率测定结果 15 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 煤粉 粒径/目 围压 σ /MPa 渗透率/10-3μm2 0.1 MPa0.2 MPa0.3 MPa0.4 MPa 20～40 3 4 5 6 7 46.953 46.021 45.450 44.729 44.548 67.547 64.768 63.539 62.310 59.424 201.519 180.358 177.472 126.010 63.967 103.886 99.557 77.073 65.891 48.095 60～80 3 4 5 6 7 21.450 17.314 16.112 12.610 12.553 23.086 22.244 19.078 16.833 16.780 34.725 32.032 24.649 19.334 16.701 28.977 28.867 23.086 16.833 16.372 100～120 3 4 5 6 7 13.948 13.916 12.565 11.783 11.753 21.589 19.078 16.883 14.909 11.062 15.497 14.909 13.734 13.093 12.932 10.821 10.671 10.633 10.521 9.829 表 3裂隙宽度为 4 mm 的煤岩渗透率测定结果 图 2围压 6、 7 MPa 裂隙宽 2 mm 充填煤岩裂隙渗透率 变窄， 最终导致渗透率减小[16]。而增大围压， 煤体与充 填煤粉之间的裂隙以及煤粉中原有孔隙闭合程度加 大， 有效孔隙度也就减小， 所以随围压的增大， 相同 目数煤粉充填的煤岩裂隙渗透率变现为不断减小的 现象。因为 20～40 目煤粉颗粒粒径最大，充填裂隙 后形成的孔、 裂隙也就越大， 所以渗透率也就越高。 3.2裂隙宽度对充填煤岩裂隙渗透率的影响 气体压力为 0.3 MPa 时同种煤粉不同裂隙宽度 的煤岩裂隙渗透率如图 3。 由图 3 可以看出， 相同气体压力条件下， 不同充 填宽度的煤岩裂隙渗透率随充填宽度的增大而增 大。这是因为充填煤岩的渗透率是受许多方面因素 影响 ①充填裂隙的宽度； ②充填物本身的渗流特性； ③充填介质和裂隙壁之间不能紧密接触，存在一定 的缝隙。当气体通入充填煤岩裂隙中时，三者共同 发生渗流作用， 当围压较小时， 气体渗流的主要通道 是充填物与裂隙壁之间的缝隙，气体会优先从此处 通过， 当围压继续增大， 充填物变得更加的密实， 充 填物与裂隙壁之间的缝隙也逐渐压密，此时气体渗 流通道主要为煤体和充填介质内部的孔、裂隙。由 于煤粉颗粒较大，充填裂隙后能够形成较大的孔、 裂隙。因充填物与裂隙壁相同，从而使裂隙壁与充 填物的裂隙随围压的增大发生一定的闭合，气体会 首先通过煤粉， 所以当充填介质为煤粉时， 裂隙宽度 越大， 充填煤岩渗透率也就越大。 （a ） 围压 3 MPa （b） 围压 4 MPa （c ） 围压 5 MPa 气体压力 /MPa （a ） 围压 6 MPa （b） 围压 7 MPa 图 1围压 3、 4、 5 MPa 裂隙宽 2 mm 充填煤岩裂隙渗透率 16 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines （b） 60～80 目煤粉 （a ） 20～40 目煤粉 图 3同种煤粉不同裂隙宽度的煤岩裂隙渗透率 4结论 1） 在一定围压条件下， 随气体压力的增大， 不同 目数煤粉充填的煤岩裂隙渗透率有着相同变化规 律， 即 煤岩裂隙渗透率先增大后减小。且同一气体 压力下， 20～40 目煤粉充填的煤岩裂隙渗透率最大； 60～80 目煤粉次之， 100～120 目煤粉最小。 2） 在相同气体压力下， 随围压的增大， 不同数目 煤粉充填的煤岩渗透率均逐渐减小。 3） 在气体压力为 0.3 MPa 条件下， 随围压的增 大， 当裂隙宽度分别以 2、 3、 4 mm 增加时， 不同目数 煤粉充填的煤岩裂隙都随充填宽度的增大而增大。 参考文献 ［1］ 张景飞， 郭倩， 朱同功， 等．多场多场耦合下煤岩渗透 率演化规律-以平煤十矿为例 ［J］ ．西安科技大学学 报， 2018， 38 （5） 713－720． ［2］ 汪伟英， 汪亚蓉， 邹来方， 等．煤层气储层渗透率特征 研究 ［J］ ．石油天然气学报， 2009， 31 （6） 127－128． ［3］ 杨永杰， 宋扬， 陈绍杰．煤岩全应力应变过程渗透性特 征试验研究 ［J］ ．岩土力学， 2007， 28 （2） 381－385． ［4］ 李波波， 杨康， 袁梅， 等．不同温度下孔隙压力对煤岩 渗流特性的影响机制 ［J］ ．地球科学， 2017， 42 （8） 1403－1412． ［5］ 李波波， 杨康， 袁梅， 等．孔隙压力对煤岩渗透率影响 的试验研究 ［J］ ．中国安全科学学报， 2017， 27 （3） 77. ［6］ 李佳伟， 刘建锋， 张泽天， 等．瓦斯压力下煤岩力学和 渗透特性探讨 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2013， 42 （6） 954－960． ［7］ 张志刚．吸附与应力耦合作用影响下煤体瓦斯渗透规 律的实验研究 ［J］ ．煤矿开采， 2012， 17 （5） 4－6． ［8］ 张传铭， 伍厚荣．四川矿区典型煤层地应力场瓦斯渗 透性规律实验研究 ［J］ ．矿业安全与环保， 2015， 42 （3） 17－20． ［9］ 周军平， 鲜学福， 李晓红， 等．吸附不同气体对煤岩渗 透特性的影响 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2010， 29 （11） 2256－2262． ［10］ 郭怀广， 杨宏民， 仇海生．煤岩渗透特性影响因素量 化研究 ［J］ ．煤炭技术， 2017， 36 （3） 187－189． ［11］ 段品佳， 王芝银．煤岩孔隙率与渗透率变化规律试验 研究 ［J］ ．地下空间与工程学报， 2013， 9 （6） 1283. ［12］ 唐巨鹏， 潘一山， 李成全， 等．有效应力对煤层气解吸 渗流影响实验研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2006， 25 （8） 1563－1568． ［13］ 于文龙．煤岩渗透率与有效应力耦合关系及控制机 理 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （8） 10－14． ［14］ 王登科， 魏建平， 尹光志．复杂应力路径下含瓦斯煤 渗透性变化规律研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2012， 31 （2） 303－310． ［15］ 许江， 曹偈， 李波波， 等．煤岩渗透率对孔隙压力变化 响应规律的试验研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2013， 32 （2） 225－230． ［16］ 冉艳霞， 叶斌， 程子睿．致密岩石介质中气体滑脱效 应的研究进展 ［J］ ．地质力学学报， 2018， 24 （4） 498. （c ） 100～120 目煤粉 作者简介 陈金刚 （1973） ， 男， 河南南阳人， 教授， 硕 士生导师， 博士， 2003 年毕业于中国矿业大学， 主要从事煤 层气地质方面的研究。 （收稿日期 2018-12-06； 责任编辑 王福厚） 17 ChaoXing