固流耦合作用下煤层气解吸-渗流施验研究.pdf

收稿日期2 0 0 5 0 5 0 9 基金项目国家自然科学基金重大项目 5 0 4 9 0 2 7 5 ;国家自然科学基金项目 5 0 3 7 4 0 4 0 , 1 0 5 0 2 0 2 3 作者简介唐巨鹏 1 9 7 6 - ,辽宁省锦州市人,讲师,工学博士,从事煤层气开采理论、数值计算方面的研究. E - ma i l j u p e n g t 1 2 6 . c o mT e l 0 4 1 8 - 3 3 5 0 8 8 4 第3 5卷 第2期中国矿业大学学报 Vo l . 3 5 No . 2 2 0 0 6年3月J o u r n a l o f C h i n aUn i v e r s i t yo f Mi n i n g实验结论与前人研究结果吻合较好,说明实验 方法和步骤是合理的. 关键词固流耦合;煤层气;三维应力;解吸-渗流;有效应力 中图分类号T E3 1 2文献标识码A E x p e r i me n t a l S t u d yo f D e s o r p t i o na n dS e e p a g eo f C o a l b e dMe t h a n eUn d e r S o l i d - F l u i dC o u p l i n g T ANGJ u - p e n g ,P ANYi - s h a n ,L I C h e n g - q u a n ,S HI Qi a n g D e p t me n t o f Me c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n gS c i e n c e s , L i a o n i n gT e c h n i c a l Un i v e r s i t y ,F u x i n ,L i a o n i n g1 2 3 0 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h et y p i c a l h i g hg a s s ymi n e --S u nJ i a wa nmi n ei nF u x i n ,t h ee x p e r i me n t o f d e s o r p t i o na n ds e e p a g eo fc o a l - b e dme t h a n ewa sma d eu n d e rt h es o l i d - f l u i dc o u p l i n g .I nt h e e x p e r i me n t ,t h ec o a l s a mp l e s we r ep l a c e di n t ot h e t r i a x i a l o s mo me t e r a n dwe r e c o n t i n u o u s l yl o a d e d a n du n l o a d e d .T h et r a n s p o r to fc o a l - b e dme t h a n ewa ss i mu l a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no ft h r e e - d i me n s i o n a ls t r e s s .S o mev a l u a b l ee x p e r i me n t a lr e s u l t swe r eo b t a i n e d .Un d e rt h ec o n d i t i o no f l o a d i n g ,t h er e l a t i o n s h i p sa mo n gp e r me a b i l i t y ,p o r ep r e s s u r e ,d e s o r p t i o nq u a n t i t ya n dd e s o r p t i o n t i mea r es i mi l a r wi t hp e r me a b i l i t yc o e f f i c i e n t .Wi t ht h e i n c r e me n t o f p o r e p r e s s u r e ,t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e np e r me a b i l i t ya n dp e r me a b i l i t yc o e f f i c i e n ts h o wsn o n - l i n e a rd e c r e me n tc h a r a c t e r .T h e i r c u r v e sb o t hi l l u s t r a t en e g a t i v ei n d e xf o r m.Ho we v e rd e s o r p t i o nq u a n t i t ya n dd e s o r p t i o nt i meb o t h r e p r e s e n t a sp o l y n o mi a l i n c r e me n t .An dp e r me a b i l i t ya n dp e r me a b i l i t yc o e f f i c i e n t e x i s t t h ec r i t i c a l v a l u e s .I ft h e ya r es ma l l e rt h a nt h ec r i t i c a l v a l u e s ,p e r me a b i l i t ya n dp e r me a b i l i t yc o e f f i c i e n twi l l d e c r e a s ewi t ht h ei n c r e me n t o f p o r ep r e s s u r e .T h el a wsa b o v ei n d i c a t et h ee x i s t e n c eo f a d s o r p t i o n a n dd e s o r p t i o no f c o a l - b e dme t h a n e.Un d e rt h ec o n d i t i o no f u n l o a d i n g,t h er e l a t i o n s h i pc u r v e s a mo n ge f f e c t i v eh o r i z o n t a ls t r e s s,p e r me a b i l i t ya n dp e r me a b i l i t yc o e f f i c i e n tma n i f e s tp a r a b o l i c s h a p e .Ho we v e rt h er e l a t i o n s h i p sa mo n g e f f e c t i v eh o r i z o n t a ls t r e s s ,d e s o r p t i o n q u a n t i t y a n d d e s o r p t i o nt i mes h o wn e g a t i v ei n d e xd e c r e me n t c h a r a c t e r .T h e s ea l l d e mo n s t r a t et h et h r e ema s t e r p h a s e si nt h ec o a l b e dme t h a n ee x p l o i t a t i o np r o c e s s .T h ep h a s e sa r er e s p e c t i v e l yc o r r e s p o n d i n gt o e f f e c t i v es t r e s s ,ma t r i xs h r i n k a g ea n ds l i p p a g ee f f e c t .T h ee x p e r i me n t a l r e s u l t s a r ec o n s i s t e n t wi t h t h ep r e d e c e s s o r s c o n c l u s i o n s . Ke yw o r d s s o l i d - f l u i d c o u p l i n g ;c o a l b e d me t h a n e ;t h r e ed i me n s i o n a ls t r e s s ;d e s o r p t i o n a n d s e e p a g e ;e f f e c t i v es t r e s s 在煤层气开采和运移过程中,煤层气流动与煤 岩体的变形属于固流耦合作用,同时煤层气在煤体 中解吸-扩散-渗流三者间又相互制约、相互影响, 其相互作用和运移机理异常复杂,至今对其研究仍 未达到机理清晰、规律明确的程度,因此该领域一 直是国内外相关科技工作者研究的重点[ 1 - 1 1 ].本文 以典型的高瓦斯矿井阜新孙家湾矿为研究对象,利 用实验方法,对煤层气解吸和渗流间的相互作用规 律进行了实验研究,得到了一些有价值的实验结 果.实验结论对煤层气赋存和运移规律的深入认识 和煤矿瓦斯突出预测防治具有重要的实际应用意 义,特别对孙家湾矿瓦斯灾害的有效防治和开发利 用具有一定科学参考价值. 1 实验研究 1 . 1 实验设备和采集煤样 实验设备为自主研制的三轴瓦斯渗透仪,手动 油压泵施加轴压,采用S YY7 0 - 1型手动水压泵施 加围压,高压气罐施加孔隙压图1 .实验煤样取 自阜新孙家湾矿太上层,该煤层为中富灰长焰煤, 煤层厚度1 7m,瓦斯含量为1 5 . 1m3/ t .本文实验 煤样均为垂直层理.煤层物理力学参数见表1 ,表 图1三维应力下煤体解吸渗流实验装置示意图 F i g . 1 E x p e r i me n t a l f a c i l t i e s s c h e meo f c o a l d e s o r p t i o n a n ds e e p a g eu n d e r t h ec o n d i t i o no f t h r e ed i me n s i o n a l s t r e s s 表1煤层物理力学参数 T a b l e1 Me c h a n i c a l p a r a me t e r s o fc o a l s e a m 视密度d t/ g c m-3 抗压强度R / MP a 煤层厚度/ m 瓦斯含量/ m3t -1 气体渗透率K/ m2 1 . 5 ～1 . 5 3 1 . 5 2 1 4 . 4 2 ～3 1 . 2 8 2 2 . 1 0 1 71 5 . 1 1 . 1 3 ,平行层理 0 . 3 8 ,斜交层理 0 . 2 7 ,垂直层理 中横线上方为变化范围,下方为平均值. 1 . 2 实验步骤 1 将煤样加工成5c m5c m1 0c m规格的 标准煤试样3块,并将试样侧面用胶带封好; 2 煤样称重后置于真空干燥箱内,加热到1 0 0 ～1 0 5 ℃时恒温8h ,再冷却至室温后取出称重,然 后放入三轴瓦斯渗透仪中,将两侧端盖拧紧,用真 空泵使其脱气2 4h ; 3 先对煤样施加轴压至设定值,然后施加围 压和孔隙压,检查装置气密性,同时测定气体渗透 率.拧开高压气瓶的进瓦斯气阀,设定好瓦斯压力 值,通入9 9 . 9 9 体积分数瓦斯气体,采用排水量 气法,用管线将出气口瓦斯接入带有18 0 0mL量 程的量筒中收集排出气体,待气体排出速度稳定 后,记录一定时间排出气体的体积; 4 关闭出气端阀门,将标准吸附时间定为2 4 h , 保持瓦斯压力不变; 5 吸附2 4h后,先关闭瓦斯进气阀门,然后 打开出气阀门,同样采用排水取气法,记录解吸时 间和解吸气体积. 为获得同一煤样、不同受载方式下煤层气解吸 渗流间规律,实验过程中不取出煤样,只是在不同 三轴应力组合下重复以上实验步骤,这样才能更好 地模拟和获得固流耦合作用下的煤层气解吸与渗 流间的相互作用关系.实验结果表明,本实验设计 和步骤是合理的,与前人实验结论吻合良好.实验 假设吸附2 4h后煤样即达到饱和状态,解吸后至 不再有气体析出为解吸结束,所得解吸量即为此状 态下的煤体吸附量,每一种工况均进行解吸与渗流 实验,实验室室温2 0 ℃.由于孙家湾2号煤样具有 典型性和代表性,因此本文主要对其所揭示的煤层 气解吸与渗流间关系规律进行重点阐述.表2列出 了孙2煤样各阶段实验参数,煤样尺寸为1 0 0mm 4 9mm5 2mm. 572 第2期唐巨鹏等固流耦合作用下煤层气解吸-渗流实验研究 表2实验参数和结果 T a b l e2 E x p e r i me n t a l p a r a me t e r s a n dr e s u l t s 实验 顺序 受载状态 轴压/ MP a 围压/ MP a 孔隙压/ MP a 有效水平应力/ MP a 渗透率/ 1 0 -3 m2 渗透系数/ n ms -1 解吸时间/ mi n 解吸量/ mL 1420 . 53 . 52 . 6 82 5 . 9 315 1 05 6 0 2 孔隙压增加 42131 . 0 9 51 0 . 6 024 5 010 0 0 3421 . 52 . 50 . 6 4 56 . 2 430 0 011 6 0 4 轴压增加 84170 . 1 2 51 . 2 115 6 03 0 5 轴压减小 64150 . 0 50 . 4 818 9 05 0 6 孔隙压减小 42130 . 3 8 93 . 7 640 0 07 4 0 2 实验结果分析 实验首先模拟加载条件下煤层气集聚过程, 即将轴压和围压各保持4MP a和2MP a不变,孔 隙压逐级增加,从0 . 5 , 1到1 . 5MP a ,考察煤层气 渗透率、渗透系数与孔隙压、解吸量、解吸时间关系 图2 , 3 .实验中,孔隙压是变量,因此主要研究在 它的影响下,解吸与渗流间关系.实验煤样煤层气 渗透率视为服从达西定律,其计算公式为 K 2 q p2L A p 2 1-p 2 2 , 式中 K为煤储层渗透率, md ; 为气体即瓦斯黏 度, P a s ; q为标准状态下流体流量, c m3/ s ; L为煤 试件长度, c m; A为煤试件截面积, c m2; p 1为煤试 样入口压力, MP a ; p 2为出口压力即大气压, 0 . 1 MP a .煤 样 长 度 为1 0c m,渗 透 截 面 积 为 2 5 . 4 8 c m 2, 室温2 0 ℃时瓦斯黏度 1 . 0 91 0 -5P a s . 渗透系数是衡量瓦斯在煤体中透气性的重要指标, 本文用Kx表示,它的计算公式为 KxQ L γ w Δ p A, 式中 Kx为瓦斯渗透系数, m/ s ; Q为瓦斯渗流量, m 3 / s ; L为试样长度, m; γ w为水的重度, γwρ g , N/ m 3; Δ p为作用于试件两端的压力差, P a ; A为试 样的横截面积, m2.具体计算结果如表2所示. 加载条件下孔隙压、轴压增加 ,煤层气解吸- 渗流规律如图2 , 3 为 1 渗透率和渗透系数与孔隙压力、解吸量、解 吸时间的关系具有相似性.在轴压4MP a ,围压2 MP a条件下, 渗透率和渗透系数随孔隙压增加均 呈非线性递减关系,都具有负指数规律.两者拟合 方程的指数项近似相等,其拟合方程统一为 Ka e x p -b p , 式中 K为渗透率或渗透系数, m2或m/ s ; p为孔 隙压力, MP a ; a和 b为拟合系数, 均大于零.煤样 孔隙压与渗透率、渗透系数拟合方程分别为 K5 . 1 3 9 8 e x p -1 . 4 2 4 3 p 和 K4 9 . 7 4 1 e x p -1 . 4 2 4 4 p . 可见两者指数项相同,只是指数项前的系数不同. 在孔隙压增加过程中 0 . 5 ～1 . 5MP a ,渗透率和 渗透系数呈负指数递减,分别递减了 5 9 . 1 和 4 1 . 1 .而在此过程中解吸量和解吸时间均呈多项 式形 式 增 加,其 拟 合 方 程 分 别 为 Q- 4 0 0 p 2 1 3 8 4 p-8和 T - 9 6 0 p 2 3 4 2 8 p9 . 图2渗透率与隙压力、煤层气解吸量关系曲线 轴压4MP a ,围压2MP a F i g . 2 R e l a t i o n s h i pc u r v e s a mo n gg a s p e r me a b i l i t y , p o r ep r e s s u r ea n dd e s o r p t i o nq u a n t i t y 图3渗透系数与孔隙压力、解吸时间关系曲线 轴压4MP a ,围压2MP a F i g . 3 R e l a t i o n s h i pc u r v e s a mo n gp e r me a b i l i t yc o e f f i c i e n t , p o r ep r e s s u r ea n dd e s o r p t i o nt i meo f C B M 2 从图2和3可见,在孔隙压力增大过程中 渗透率和渗透系数减小,解吸量和解吸时间却在增 加,且渗透率和渗透系数存在某一临界值,当小于 此值时渗透率和渗透系数随瓦斯孔隙压力增大而 减小,这一规律与煤对瓦斯的吸附和解吸作用有 关.煤对瓦斯的吸附随孔隙压力增大而增加,煤吸 附瓦斯层增厚,使得煤渗透孔隙缩小.而在孔隙压 力较小时,瓦斯压力增加导致孔隙的扩张要小于吸 附瓦斯增加而导致的渗透孔隙的减小,因而在这一 过程中,渗透率和渗透系数减小,而解吸量和解吸 时间却在增加.由图2和3中的解吸量和解吸时间 672 中国矿业大学学报第3 5卷 曲线可以预见,孔隙瓦斯压力达到临界值时,煤吸 附量达到饱和,解吸量和解吸时间曲线变化不大, 趋于一临界值,若孔隙压继续增加,则吸附瓦斯使 孔隙收缩程度要小于孔隙压力使煤孔隙扩大的程 度,所以煤渗透率和渗透系数将随孔隙压力增加而 增加.对于孙家湾2号煤样来说,它在轴压4MP a , 围压2MP a条件下此临界值在2 . 5MP a左右,小 于2 . 5MP a时随孔隙压力增加渗透率和渗透系数 减少;大于2 . 5MP a ,随孔隙压增加渗透率和渗透 系数将增大,这与前人的结果一致[ 1 2 ]. 实验顺序4 ～6 ,主要是为了模拟煤层气开采 过程中的解吸与渗流作用,对煤样先减小轴压,再 减小孔隙压,是对煤样卸载的过程.在这一过程中, 轴压和孔隙压均是变量,故应用有效应力来反映其 两者综合影响,同时考虑本实验中轴压对煤样变形 影响很大,因此有效水平应力即体现了有效应力的 作用,即将其定义为有效水平应力轴压-孔隙 压,用以考察固气耦合作用的影响. 卸载条件下轴压、孔隙压减小 ,煤层气解吸- 渗流规律如图4 , 5 为 1 煤体卸载时,即轴压和孔隙压减少的过程 中,有效水平应力与渗透率和渗透系数呈抛物线关 系,即随轴压和孔隙压减少,有效水平应力不断减 小,渗透率和渗透系数先减小,后增大.经过回归得 到卸载时有效水平应力与渗透率和渗透系数的抛 物线拟合方程形式为 Ka2σ 2 h-b2σhc2, Kxa3σ 2 h-b3σhc3, 式中 K为煤体瓦斯渗透率, 1 0 -3 m 2; K x为瓦斯渗 透系数, n m/ s ; σ h为有效水平应力, MP a ; a2, a3, b2, b3, c2, c3分别为拟合系数, 均大于零. 孙2煤样渗透率、渗透系数与有效水平应力间 关系拟合方程为 K0 . 0 5 1 8 σ 2 h-0 . 5 8 3 5 σh1 . 6 7 3 8 , Kx0 . 5 0 1 2 σ 2 h-5 . 6 5 σh1 6 . 1 9 9 . 图4卸载时渗透率与有效水平应力、解吸量关系曲线 F i g . 4 R e l a t i o n s h i pc u r v e s a mo n gp e r me a b i l i t y ,e f f e c t i v e h o r i z o n t a l s t r e s s a n dd e s o r p t i o nq u a n t i t i e s u n d e r u n l o a d i n g 图5卸载时渗透系数与有效水平应力、 解吸时间关系曲线 F i g . 5 R e l a t i o n s h i pc u r v e s a mo n gp e r me a b i l i t y c o e f f c i e n t ,e f f e c t i v eh o r i z o n t a l s t r e s s a n dd e s o r p t i o nt i meu n d e r u n l o a d i n g 2 实验卸载过程旨在模拟煤层气开采过程中 的煤层气解吸和运移规律.随有效水平应力减少, 渗透率和渗透系数表现出的先减小后增大,是和煤 体本身的物理力学性质和煤层气解吸特性密切相 关的,具有典型煤层气开采的三阶段主导作用特 征.在卸载初期,有效水平应力起主导作用,此时随 有效水平应力降低,渗透率和渗透系数逐渐减小; 当有效水平应力降低到5 . 6MP a左右时,从煤样 中解吸的煤层气增多,加大了基质收缩率,这时基 质收缩对渗透率和渗透系数影响起主导作用,导致 渗透率和渗透系数开始升高,而随着有效水平应力 的进一步降低,滑脱效应逐渐显现,使得渗透率和 渗透系数迅速提高,从而滑脱效应起主导作用.这 一实验结果和Ha r p a l a n i [ 1 3 ] *实验室研究结果十分 吻合,说明本实验方法是合理的. 3 卸载过程中,有效水平应力与解吸量和解 吸时间均为负指数形式递减,即 Q A1 σh -B1, T A 2 σh -B2, 式中 Q为解吸量, mL ; T为解吸时间, mi n ; σ h为煤 样所受有效水平应力, MP a ; A 1, A2, B1, B2分别为 拟合系数,无量纲,且均大于零. 孙2煤样拟合方程如图4和5所示.实验结果 表明,卸载中随有效水平应力减小,解吸量和解吸 时间逐渐增加,且增加幅度逐渐变大,有效水平应 力小于3MP a时,解吸量和解吸时间迅速提高,而 在此过程中渗透率和渗透系数表现出先减小后迅 速增加的规律,其间经历了三个主导阶段,即有效 水平应力主导阶段、基质收缩主导阶段和滑脱效应 主导阶段. 总之,煤层气解吸渗流实验结果充分说明煤 层气解吸与渗流间的相互影响和相互制约贯穿于 煤层气运移的整个过程,研究固流耦合作用下的煤 层气运移规律,首先搞清煤层气解吸与渗流间的作 用机理是十分必要的. * Ha r p a l a n i S ,C h e nG .G a s s l i p p a g ea n dma t r i xs h r i n k a g ee f f e c t s o nc o a l p e r me a b i l i t y [ C ] / /P r o c e e d i n g s o f t h e1 9 9 3I n t e r n a t i o n a l C o a l b e d Me t h a n eS y mp o s i u m,US AB i r mi n g h a m Al a b a ma ,Un i v e r s i t yo f Al a b a ma/ T u s c a l o o s a ,1 9 9 3 2 8 5 - 2 9 4 . 772 第2期唐巨鹏等固流耦合作用下煤层气解吸-渗流实验研究 3 结论 本文采用自主设计的三轴瓦斯渗透仪,通过连 续的煤层气解吸与渗流实验,研究了煤层气解吸与 渗流间的相互作用关系,得到了如下结论 1 加载条件下,渗透率和渗透系数与孔隙压 力、解吸量、解吸时间的关系具有相似性.在此过程 中,渗透率和渗透系数随孔隙压增加均呈非线性递 减关系,都具有负指数规律,而解吸量和解吸时间 均呈多项式形式增加,且渗透率和渗透系数存在某 一临界值,当小于此值时渗透率和渗透系数随瓦斯 孔隙压力增大而减小,以上规律真实反映了煤对瓦 斯的吸附和解吸作用; 2 卸载条件下,有效水平应力与渗透率和渗 透系数呈抛物线关系先减小后增大 ,而有效水平 应力与解吸量和解吸时间均为负指数形式递减,具 有典型的煤层气开采的三阶段主导作用特征有效 应力主导阶段、基质收缩主导阶段和滑脱效应主导 阶段 ; 3 从实验角度对前人研究成果进行了验证, 一致性较好,得到的固流耦合作用下煤层气解吸渗 流的关系规律,对于深入研究煤层气运移规律具有 参考价值,特别对阜新孙家湾矿的煤层气开采和瓦 斯抽放、灾害防治具有实际应用意义. 参考文献 [ 1 ] HAR P AL ANI S .G a s f l o wt h r o u g hs t r e s s e dc o a l [ D ] . 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