瓦斯隧道中煤的渗透性研究

张 鹏，岳广义，梁卫国

（太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024）

瓦斯隧道中煤的渗透性研究

张 鹏，岳广义，梁卫国

（太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024）

煤的渗透率是反应煤体中气、水等流体的渗透性的重要参数，决定着煤体中瓦斯等气体产出量大小及产出的速度。煤的渗透率除受自身裂隙程度影响外，还受外部因素（如有效应力、Klinkenberg效应、基质收缩效应等）的影响，其中煤体自身裂隙系统起着关键作用。本文以山西省临吉高速松卜岭隧道穿过的煤层为试验煤样，分析研究了煤的渗透率与体积应力和渗透压力的变化规律，为隧道的开挖、瓦斯监控、通风量大小等现场施工工作提供指导，并为以后注入二氧化碳气体驱替煤层甲烷的研究工作提供理论参考。

瓦斯隧道；渗透率；体积应力；渗透压

1 概述

近年来，煤矿开采和隧道开挖中，瓦斯爆炸事故较多，造成了大量的人员伤亡和财产损失，煤的渗透性是引发事故的重要因素。关于瓦斯渗透这方面，国内外学者做了很多研究。前人研究成果中，试验煤样大多是型煤或小尺度的煤样，不能准确反应煤层实际赋存状态。鉴于大煤样包含更多的煤体内部信息，能更真实地反应实际情况，故本研究采用100mm×100mm×200mm的大煤样。

山西省临吉高速松卜岭隧道，左右线长度为2404 m和2396 m，隧道90%区段伴随煤层及采空区，先后两次穿越煤层及采空区，受煤层及采空区影响较复杂。为了隧道施工安全稳定、避免隧道开挖中穿越煤层或打眼放炮时煤层瓦斯突出甚至爆炸事故的发生，故对隧道穿越煤层研究了媒体对甲烷气体的渗透特性。通过研究此处煤层甲烷等气体渗透率的大小及其随体积应力的变化规律，为隧道的开挖、瓦斯监控、通风量大小等现场施工工作提供指导，并为以后注入二氧化碳气体驱替煤层甲烷的研究工作提供理论参考。

2 试验方法

2.1 试件加工以及试验设备

本次试验是现场取样后在太原理工大学采矿工艺研究所的实验室进行。试验装置是用太原理工大学自行研制的刚性三轴渗透仪，见图1。试件所受轴压由手动油泵施加，围压由手动水泵通过气水瓶施加，瓦斯气体从高压瓦斯气瓶通过反应釜底部的注气口注入煤体试件的空裂隙中，相应部位装有压力表、可读取轴压围压渗透压力的大小，出气口采用排水集气法、测量排出气体体积的大小。试验之前严格检查试验装置的气密性，以保证试验准确。煤样取自临吉高速松卜岭隧道10号煤层，煤阶属于焦煤，加工成100 mm×100mm×200mm的大煤样。试件高度方向沿煤层的层理方向，沿试件高度方向将试件的4个侧面做蜡封处理，以保证渗透试验中气体流动、沿试件高度方向（煤层的层理方向）由下向上进行。本次试验共加工了两块煤样，标记为1号和2号。

图1 试验装置示意图

2.2 试验方法

将成品煤样放在试验用的反应釜中，然后检查试验装置的气密性，要在装置气密性完好的情况下进行试验。先略加轴压，再逐步由低到高把轴压和围压加到试验的设定值，加压过程中始终保持轴压大于围压。关闭反应釜出气口，打开进气口，向煤体充入甲烷气体，渗透压要低于围压，以免气体从煤的侧面渗透。在恒压下，向煤体中注入气体达到饱和，以免吸附影响渗透率的大小。打开出气口，采用排水取气法测量渗透出的气体体积，试验过程中使用手动水泵保持渗透压的恒定，待气体流量稳定后记录排出1000 ml体积的水所用的时间，计算出这组压力条件下气体的渗透率。然后将轴压、围压、渗透压分别调节到试验的设定条件，依次测量出气体在不同压力条件下的渗透率。

3 试验结果以及数据处理

3.1 煤渗透率的理论基础

按照达西定律(Darcy’s law)[1]：

得到煤样瓦斯渗透率计算公式:

式中:k为气体的渗透率，cm2；Q为气体流量(cm3/s)；μ为气体的动力粘度系数，Pa·s；氮气的动力粘度是0.176×10-4Pa·s；二氧化碳的动力粘度是0.148×10-4Pa·s；甲烷的动力粘度系数是1.087×10-5Pa·s；L为试件高度，cm；ΔP为进气口的压力即渗透压，MPa；A为试件截面积，cm2。

3.2 三轴应力作用下的煤样渗透规律

按照式2，将1号样煤对甲烷进行渗透性试验，结果如表1所示。图3和图4分别是渗透率随体积应力和渗透压力的变化曲线。

根据表1实验结果作出一号煤样在不同渗透压力条件下甲烷渗透率随体积应力的变化曲线，见图2。从图看出，当甲烷气体的渗透压力不变或在很小范围内变化时，随着煤样所受体积应力的逐渐增加，煤样对瓦斯渗透率呈现出逐渐减小的趋势。从煤本身的结构分析，煤是一种由固体骨架、基质孔隙、裂隙孔隙组成的双重多孔介质，它自身含有丰富的孔裂隙系统，这是影响煤体渗透特性的主要因素[2]。当煤样所受的压力逐级增加时，煤样的压实程度越来越大，孔隙和裂隙被压缩，有效孔隙及瓦斯渗流通道越来越小，甲烷通过煤体的能力逐渐减弱，导致煤体对甲烷的渗透性逐渐减小。相反，随着煤样所受体积应力的减小，煤体对甲烷气体的渗透率会升高。所以工程实际中煤层大面积卸压以后，此时的应力会急剧下降，煤层中气体渗透率相应增加，煤层中所含瓦斯等易燃易爆气体短时间内大量涌出，很可能造成重大的瓦斯爆炸事故。所以高瓦斯隧道或者井下采煤工作面放炮之前应该事先采取相应措施，以保证工作安全。

表1 三轴压力下煤体对甲烷的渗透率

图3为一号煤样在不同体积应力水平下甲烷渗透率随渗透压力的变化曲线，当体积应力一定时，随着渗透压力的逐渐增加，煤体甲烷渗透性逐渐减小。原因在于：当体积应力一定时，随着渗透压力的升高，煤体骨架产生的内向吸附膨胀变形增大，使有效孔隙和渗流通道缩小，渗透率降低。再者，由于渗透压力逐渐增加，煤样吸附甲烷量越来越多，导致构成渗透通道的有效孔隙截面减小，也会使渗透率下降。这一结论正好符合孙培德[4]三轴应力作用下煤渗透率变化规律实验中得出的结论，当孔隙压力与体积应力的比值很小时,渗透率随孔隙压力增大而变小。也即Klinbenberg效应，在试验中发现，在低瓦斯压力条件下煤的渗透率先是随着瓦斯压力的增加而逐渐降低；当瓦斯压力达到一定程度后，渗透率才随着瓦斯压力的增加而逐渐升高。

3.3 甲烷气体强注吸附前后 煤体渗透性的变化规律

首先对二号煤样进行了氮气的渗透性试验，然后关闭试验装置的出气口，向煤体内连续注入24 h的甲烷气体，打开装置出气口释放掉游离的瓦斯气体，最后再对煤样做氮气的渗透性试验，以便观察注入甲烷气体前后煤样的渗透性变化。从试件所受的有效应力和孔隙压力两方面分析煤样渗透率变化的原因，以便在工程实际或理论研究方面有所应用。表2是对二号煤样进行甲烷气体强注吸附前后、煤体对氮气的渗透率实验结果。图4和图5分别是吸附瓦斯气体前后、煤体渗透率随体积应力和渗透压力的变化曲线。

图2 不同渗透压力条件下甲烷渗透率随体积应力的变化

图3 不同体积应力条件下甲烷渗透率随渗透压的变化

表2 吸附甲烷前后的煤体渗透率

煤体渗透率会受很多因素影响，例如外界环境的温度等等，但是主要是由煤体本身所受的有效应力和煤体内的孔隙决定。有效应力即体积应力的分量，由其承受的轴压和围压决定。孔隙压力是因为气体通过煤体内部的孔裂隙时带压气体给煤体传递的压力，即本次试验中气体的渗透压力。图5曲线中渗透压力为1 MPa，体积应力从6 MPa、6.5 MPa、7 MPa、8 MPa逐渐增大，体积应力是渗透压的6倍到8倍（相比渗透压很大），在孔隙压力远远小于有效应力的情况下，孔隙压力对煤体固体骨架的变形及煤体内部孔裂隙的张开度影响不大，渗透率主要由体积应力决定，随着体积应力的增大，煤体内部孔裂隙和气体通道逐渐压实甚至闭合，渗透率逐渐减小。当往煤体内注入甲烷气体以后，从实验结果得知，在相同的体积应力和渗透压力条件下，煤体的渗透率增加平均0.12MPa左右，究其原因，当煤体吸附足够多的甲烷气体直到饱和的状态下，煤体内的孔隙压力比吸附气体之前是增大的，孔隙压力对煤体所受总应力的作用比之体积应力的作用开始显现，从煤体结构上说就是在孔隙压力作用下煤体内部的孔裂隙张开度逐渐增大，渗流通道逐渐打开贯通，因此吸附甲烷气体之后煤体的渗透率增大。

图4 煤体渗透率随体积应力的变化曲线

图5 煤体渗透率随渗透压力的变化曲线

4 结论

（1）本次试验对临吉高速松卜岭瓦斯隧道10号煤层100mm×100mm×200mm的大煤样进行了实验室的渗透性研究试验，从体积应力和渗透压力两方面分析了煤样渗透率的变化规律。（2）在三轴应力作用下，当气体的渗透压力一定时，随着煤体所受体积应力的增大，渗透率逐渐减小；当煤样所受的体积应力一定时，煤样渗透率呈现出随渗透压力的增大逐渐减小的规律，刚好印证了Klinkenberg效应。（3）对煤样注入甲烷气体使其对甲烷的吸附达到饱和以后，同等试验条件下煤体渗透率增大。

[1]赵阳升.矿山岩石流体力学[M].北京：煤炭工业出版社.1994：52-67.

[2]周世宁，林柏泉.煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术[M].北京:科学出版社，2007.

On Coal Permeability in Gas Tunnel

ZHANG Peng,YUE Guang-yi,LIANG Wei-guo
(Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

Permeability rate of coal is an important parameter reflecting the permeability of gas and water in coal and it determines yield volume and velocity of gases.Besides the influence from self-fissure degree,the coal permeability is also affected by other exterior facts including effective stress,Klingenberg Effect,and matrix shrinking effect.Self-fissure system plays a key role.Taking as a sample the seam through which Songbuling Express Tunnel passes,Linji Shanxi,the article studies the changing regularity of permeability,volume stress and osmotic pressure in order to provide field guidance for tunnel digging as well as gas and ventilation monitoring.The study can offer theoretic reference for methane release by carbon dioxide injection.

gas tunnel;permeability;volume stress;osmotic pressure

TD712+.54

A

1672-5050（2012）02-0051-04

2011-11-01

张 鹏（1987—），男，山西晋城人，在读硕士研究生，从事煤矿开采等研究工作。

徐树文