水力割缝提高低渗透煤层渗透性实验研究.pdf

第 3 2卷第 2 期 2 0 0 1年 3 月 太原理工大学学报 J OUR NAL OF TAI YUAN UNI VERS I TY OF TECHNOL OGY Vo1 ． 32 No． 2 M a r ． 2 0 01 文 章 编 号 1 0 0 7 9 4 3 2 2 0 0 1 0 2 0 1 0 9 0 3 水力割缝提高低渗透煤层渗透性实验研究 赵 岚， 冯增朝， 杨 栋， 赵 阳升 太原理工 大学采矿工程研究所 摘要 敦 述 了在 固一 气耦 合 作 用 下 ， 通 过 水 力 割 缝 释 放 低 渗 逢 煤 层 的 部 分 有 效 体 积 应 力 ， 增 加 煤 层 内的 裂 缝 裂 隙 数 量 ， 增 大 裂 缝 、 裂 隙 的 长 度 和 张 开 度 ， 从 而提 高 低 渗 逢 煤 层 的 渗 逢 率 的 实 验 研 究 过 程 及 其 结 论 。 关 键 词 班 裂 介 质 ； 固一 气耦 合 ； 煤 体 裂 隙 中 图 分 类 号 TD3 1 3 ． I； TD3 1 3 ． 3 文 献 标 识 码 A 长期以来 ， 瓦斯作为煤矿安全 的主要威胁 ， 一直 困扰着人们 。 在煤炭开采过程 中， 虽然采用了井下抽 放 只 占极小部分 、 通风等安全措施， 但瓦斯爆炸事 故仍然时有发生 ， 给煤矿工人 的生命安全 和国家财 产带来极大的危害。 同时 ， 大量的瓦斯排放不仅极大 地浪费了资源 ， 而且造成了严重的空气污染。因此， 对瓦斯进行合理的开发和利用成为当前迫切需要解 决的课题 。 为此 ， 我们必须寻找新 的技术和方法对煤 层气进行有效的抽放和利用。但这一技术的关键性 问题是如何提高低渗透煤层 的渗透率。根据煤体瓦 斯渗透系数公式 一 0 e x p n L 臼 d 2 a 2 P 幽6 9 p n l 0， n 3 0 可知 ， 气体 吸附作用 和固体 变形作用对煤层 的渗透 性都有重要影响 ， 吸附作用 表现为渗透系数随孔隙 压呈负幂 函数规律变化， 固体 的变形作用表现为渗 透系数随有效体积应力呈负指数规律变化， 吸附与 变形共同作用的结果 ， 使渗透 系数随孔 隙压变化表 现为存在一临界值 P ， 当 时 ， 渗透系数增加 。因此 ， 根据煤体瓦斯渗 透系数 随着有效体积应力 的增 加而呈幂指数式 迅速减小 的规律 ， 认为可 以通过减小煤层有效体积 应力的方法来提高低渗透煤层的渗透率。本试验采 用同一块试件， 分对试件不割缝时和对试件割缝以 后两次试验进行 ， 并对试验结果进行 比较 ， 说明了 采用高压水力割缝的方法释放煤体中的部分有效体 积应力 ， 可 以增加煤层内裂缝、 裂隙的数量、 长度和 张开度 ， 从而提高低渗透煤层的渗透率。 1 实验装置与方法 采用我所研制的 l 0 0 0 t大型真三轴实验机 。 试验煤样采 自潞安矿 务局 3 煤层 ， 加 工成 4 7 0 mm4 7 0 mm4 7 0 mm的特大试件进行试验。 试验装 置原理 图如 图 l 所 示 。 1 一 承重 支柱 } 2 -- 垂 直 油 缸 ； 3 一 精块 ； 4 -- 球 型匿 ； 5 一垂 向加压铁块 ； 6 -- 压力室上密封 盖 ； 7 一试件 ； 8 一刚性压力室 ； 9 -- 注水、 洼气、 割鞋孔 ； i o --高压洼气管 l l 一高压 瓦斯瓶 ； i 2 m减压阀和开关 围 i 试验装置原 理图 i O 0 0 t 试验前先将应力传感器和气压传感器分别埋设 在煤样的裂缝处和基质煤块处 ， 然后将煤样置于三 轴 刚性 压力 室 中 ， 并 用水 泥 沙 浆 将其 四周 浇灌 固定 密封 。试验步骤 1 施加一定垂 向压力 ， 使煤样具有一定初始应 力 ， 再用 煤 电钻钻孔 孔 深 2 7 0 mm， 直径 4 2 mm 。 2 用高压气瓶把瓦斯气体注入煤样 ， 至不再吸 附为止封闭注气 口。再将垂向压力加压到 1 ． 0 Mp a 相当于 4 0 0 m 深 ， 并保压 。 3 排气时采用排水取气法搜集气体 ， 测量瓦斯 气体排出量和煤样变形 随时间的变化 ， 同时测量煤 基金项 目 国家杰 出青年科学基 金 5 6 9 2 5 4 0 9 作者简介 ； 赵岚， 男 1 9 7 4年 4月生 在读碗士生、 研究方 向 块裂介质固流耦音作用规律实验 与仿 真研究 ， 太原 ． 0 3 0 0 2 4 收稿 日期 2 0 0 0 - l O - 1 8 维普资讯 l 1 0 太 原 理 工 大 学 学 报 第 3 2 卷 体内各种传感器读数 ， 至气体不能放出为止 ， 卸压。 4 施加 初始应 力 ， 重 复步 骤 2 ． 5 通过注气孔利用高压水射流在煤样 内部形 成一条裂 缝 。 6 重复步 骤 3 2 实验结果分析 对试验数据整理分析 ， 可得到试件不割缝时和 试件水力割缝后瓦斯 排放量与时间的关系 、 瓦斯排 放速度与时间的关系 ， 拟合曲线如图 2 ， 3 ， 4 ， 5 所示。 脚 j r 0 5 0 0 l o o o 1 5 0 0 2 o o o 2 5 0 0 3 o o o 时问／ rai n 图 2 不割缝时瓦斯排放量与时问关系 5 ‘ 4 二 0 制】 兰 圈 3 宣 I 缝后 瓦斯排放量与时间关系 D 5 0 0 1 O 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 n 0 3 0 0 0 时 间／ rai n 图 4 宣 I 缝前瓦斯排放量与时问关采 时 同 ／ rain 图 5 割缝后瓦斯排放量与时 问关 系 2 ． 1 不 割缝 时和 水力 割 缝后 瓦 斯 排 放■ 与 时间 的 关 系 比较 因初排气时， 瓦斯排放速度 比较快， 故在刚性压 力室内孔隙压变为零前 ， 只计试件内瓦斯排出量， 不 计时间 不割缝时为 1 3 0 ． 5 5 L， 割缝后 为 1 7 4 ． 1 3 I ． 再从 刚性 压力 室 内孔 隙压 变 为零 开 始 ， 计 排气 量和 时间， 并拟合出排气量和时间的关系曲线如图 2和 图 3 所 示 。其拟 合 曲线 分别 为 割缝前 ， Y 8 0 ． 8 2 2 I n t 一 1 6 O ． 4 1 ； 割缝后 ， Y一 8 0 ． 8 2 2 I n 一 1 6 O ． 4 l _ 其中f 为时间 mi n F y为瓦斯排放量速度 L ／ mi n 。 不割缝 时和割缝时 ， 刚性压力室内孔 隙压变为 零 后 试 件 内排 出 的瓦 斯 总 量 分 别 为 不 剖缝 时 4 9 2 ． 5 5 I ， 割缝后 4 9 9 ． 8 I ． 割缝 后 刚性 压力 室 内孔 隙压变为零时瓦斯排 出量 比不割缝时多 4 3 L左右 同一块试件 ， 瓦斯吸附饱和后 ， 在孔隙压相同的情况 下开始排气。 不割缝时， 试件内瓦斯气体排放总量为 1 3 0 ． 5 5 L4 9 2 ． 5 5 L 一6 2 3 ． 1 L， 割缝后 ， 试件内 瓦斯 气 体 排 放 总 量 为 1 7 4 ． 1 3 I _ - 4 9 9 ． 8 I 一 6 7 3 9 9 L ， 不割缝时 比剖缝的少 5 0 L左右，仔细分 析其原因， 认为 不割缝时煤体 内裂缝、 裂隙不发育， 裂缝、 裂缝的数量较少， 而且裂缝、 裂 隙的长度和张 开度也较小 ， 吸附态的瓦斯和渗流通道的接触面积 较小 ， 渗透阻力较大， 排出的瓦斯气体绝大部分为煤 体内游离态瓦斯， 吸附态的瓦斯排放量较少 割缝以 后 ， 剖缝煤 层上部发生跨落， 煤体 内裂缝、 裂 隙数量 增加 ， 长度和张开度也增大， 部分吸附态瓦斯由于和 孔隙、 裂缝 、 裂隙的接触面积增大而毹 吸出来 所以 割缝后刚性压力室 内 L 隙压变为零前 ， 试件内瓦斯 排放量比不割缝时刚性应力室内孔隙压变为零前多 4 3 I 左右，割缝后瓦斯 排放总量 比不割缝时多 j 0 L左右 ， 约提 高 8 ． 2 ． 2 ． 2 不 割缝 时和 水 力 割缝 后 瓦斯 排 放 速度 与 时 间 的关 系比较 从所得 实验数据 ， 把不剖缝时试件 内的孔 隙压 降为零后的瓦斯排放速度和割缝后试件内的孔隙压 降为零后的瓦斯排放速度拟合成如图 4 ， 图 5所示 的关 系 曲 线。其 拟 合 公 式 为， 不 割 缝 时 Y一 2 3 ． 6 9 t 们； 割缝后 一 1 4 ． 8 5 8 t 4 7 6 ． 割 缝后 的拟 合公式中， 瓦斯排放速度降低幂次为 0 。 4 7 6 ， 不割缝 时 的 拟 合 公 式 中，瓦 斯 排 放 速 度 降 低 幂 次 为 0 ． 7 6 6 3 。 分别计算试件 内 孔 隙压 降为零时， 不割缝 时和割缝后瓦斯排放的平均速度可得 不割缝时为 0 。 0 1 8 l L ／ mi n ， 割缝后为 0 ． 0 2 6 8 I ／ rai n ， 割 缝后 瓦 维普资讯 第 2 期 赵岚等 水力割缝 提高低渗透煤层渗透性宴验研究 斯排放平均速度 比不割缝时瓦斯排放平均速度增 大， 割缝后 比不割缝 时提高了 4 8 ． 3 ． 经过深人的 物 理机制 分 析 ， 认 为这 种 现 象 主要 是 由于 试件 在不 割缝时的有效体积应力比较大， 试件 内的裂缝裂 隙 的数量较少 ， 而且裂 缝、 裂隙都处于较 紧密闭合状 态； 又 由于瓦斯气体强烈的吸附作 用， 无论 对于大 的． 还是小的裂缝、 裂隙和孔隙， 其渗流通道表面一 定要吸附一层气体 ， 这就像河流两岸的粘滞层 ， 减小 了渗流通道面积 ， 这一现象曾被 Ha r p a l a n i 发现 ， 称为滑移粘滞现象 故煤层 内只有很少的吸附状态 的瓦斯和外界接触 ， 因此吸附态瓦斯的解 吸和排放 速度比较慢。 而在割缝以后 ， 被割缝的上部煤层发生 垮落 ， 部分有效体积应力得到释放， 试件内部的应力 场重新分布。 在原来高压力下 ， 煤层 内裂缝和裂隙的 数量较少 ， 闭合也 比较紧密， 割缝以后 ， 部分孔 隙变 成裂缝或裂 隙， 裂缝和裂 隙的长度和张开度也随着 有效体积应力减小而增加 ， 使得吸附态瓦斯和游离 态瓦斯的接触面积增加 ， 从而大大增加 了游态瓦斯 的解析速度和瓦斯排放速度 。 3 结 论 通过割缝的方式释放煤层 内的部分有效体积应 力 ， 使部分煤层在割缝 后发生垮落 ， 应力场重新分 布． 煤层 内的裂缝和裂隙的数量、 长度和张开度得到 增加 ， 增大 了煤 层 内裂 缝 、 裂 隙 和孔 隙 的连 通面 积 ， 从 而增大 了低 渗透层 的 渗透性 。这 一规 律的发 现对 合理开发和利用天然气和煤层气 资源具有重要意 义 同时， 也为提高作为块裂介质的岩石的渗透率， 从而提高石油的 回采率、 实现干热岩石的地热开发 等工程和岩石力学学科 的发展均具有较大的参考价 值 。 参考文献 口 赵阳升编著 矿山岩石流体力学[ M]北京 煤炭I,] k 8 d 版杜 1 9 9 4 ． 6 4 [ 2 周维垣主编 高等 岩石力学[ M]北京 上利 水电出版社 ． 1 呻0 ． 1 3 [ 3 ] 于不凡编著 煤 和瓦斯的突出机理[ M 北京 煤炭工业出版社 1 9 8 5 5 9 ～6 1 [ 4 3 Z h a o Y S． Ka n g T H， Hu Y Q T h e p e r me a b [ [ 1 da s t i c a t io n o f c o a l s ⋯i n Ch i n a J ]i n s J Ro c k Me c h Mi n S c i l 9 9 5 ． 3 2 4j 9 2 9 4 3 3 9 [ 5 ] 赵 阳升， 胡耀青 孔臆瓦斯作用下煤体有教应力 规律 的实验研究lu] ． 岩土工程学报 ， i 9 9 5 ， 1 7 3 2 8 [ 6 ] 赵宝虎 裂介质岩体 固气耦台 理论与应用研究[ D]太原 太 原理工大学图书馆 ， 1 9 9 9 4 5 Te s t i ng S t u dy o f I mpr ov i ng S e e p a ge f l o w La ws o f Lo ws e e p a g e Co Mb e d b y Hy d r a t i c c u t t i ng S e a ms Zh ao La n， Fe n g Ze n g c h a o， Ya n g Do ng， Zh a o Ya n gs h e ng I n s t i t u t e o f Mi n i n g Te c h n i c e o fr r U T、 Ab t r a c t Th e a u t h o r d e s c r i b e s t h e t e s t i n g r e a s e a r c h c o u r s e a n d i t S c o n c l u s i o n o f i n c r e a s i n g t h e n u mb e r o f t h e c r a c k s a n d f r a c t u r e s 1 n t h e c o a l b l o c k wh i c h j s c o n s i d e r e d a s t h e b l o c k e d me d i u m a n d a c c r e t i ng t h e i r l e n gt h a n d s t r e t c h e d d e g r e e f o r whi c h t he s e e p a g e pr o pe r e y of t h e l 0w s e e p a g e c o a l s e a m i s i mp r o v e d b y me a N S o f r e l e a s i n g p a r t o f e f f e c t i v e c u h a g e s t r e s s wi t h wa t e r ， p o we r t o ma k e c r a c k s a n d f r a c t u r e s i n t h e C O a l ma s s ． Ke y wo r d s b l o c k e d me d i u m ； s o l i d--g a s e d c o u p l i n g； c r a c k s o f c o a l ma s s 编辑 张爱绒 维普资讯