含瓦斯煤渗透率理论分析与试验研究

关于瓦斯赋存与吸附

第28卷 增2

岩石力学与工程学报 Vol.28 Supp.2

2009年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2009

含瓦斯煤渗透率理论分析与试验研究

，

陶云奇12，许 江1，程明俊1，李树春1，彭守建1

(1. 重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044；2. 河南省煤层气开发利用有限公司，河南 郑州 450016)

摘要：从孔隙率的基本定义出发，充分考虑煤基质吸附瓦斯膨胀、热弹性膨胀、受瓦斯压力压缩对其本体变形的影响，首先给出煤体孔隙率与体积应变、温度及瓦斯压力之间的函数关系，再以Kozeny-Carman方程为桥梁，建立扩容前压缩条件下综合考虑有效应力、温度及瓦斯压力共同影响的渗透率动态演化模型。相关试验数据验证表明，所建立的渗透率理论模型具有良好的适用性，能反映出一定条件下的渗透率演化趋势。试验研究表明：煤体孔隙发育程度与渗透率具有较好的一致性，渗透率随孔隙发育程度的增高而增大；当温度和瓦斯压力一定时，渗透率随有效应力的增大而减小，并且瓦斯压力越低减小趋势越明显；有效应力和瓦斯压力一定时，渗透率随温度升高而减小，但其减小幅度基本不受有效应力变化的影响；温度和有效应力一定时，渗透率随瓦斯压力的升高呈先急剧减小而后逐渐平缓的趋势。含瓦斯煤渗透率与有效应力、温度和瓦斯压力之间关系的研究，为有温度场参与的多场耦合问题的研究提供理论基础，也为高温矿井瓦斯抽放率的提高提供技术支持。 关键词：采矿工程；渗透率；有效应力；温度；瓦斯压力；孔隙率

中图分类号：TD 712 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增2–3363–08

THEORETICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL STUDY ON

PERMEABILITY OF GAS-BEARING COAL

TAO Yunqi12，XU Jiang1，CHENG Mingjun1，LI Shuchun1，PENG Shoujian1

，

(1. Key Laboratory for Exploitation of Southwestern Resources and Environmental Disaster Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2. Henan Provincial Coal Seam Gas Development and Uitilization

Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan450016，China)

Abstract：From the basic defination of the porosity，the absorption gas expansion，thermoelastic expansion of coal matrix and the influnce caused by gas pressure on coal matrix body dirtortion are considered fully. After showing the function relation between coal porosity and volumetric strain，temperature，and gas pressure，by using Kozeny-Carman equation，the dynamic evolvement model of permeability which is comprehensively influenced by effective stress，temperature，and gas pressure is established before expansion and under the condition of compression. Correlative test data show that this model has good applicability，and can reflect the development of the porosity under certain condition. The study shows that：porosity development degree and permeability of coal have good consistency，and the permeability increases as the porosity development degree increases；when temperature and gas pressure are fixed values，porosity reduces as the effective stress increases，meanwhile the tendency of the reducement is more obvious when the effective stress is smaller；when the effective stess and gas pressure are fixed values，porosity reduces as the temperature increases，however，its decrescent extent is basically not influenced by effective stress；when temperature and effective stress are fixed values，the permeability of coal

收稿日期：2008–07–10；修回日期：2008–09–25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50534080)；重庆市科技攻关计划重大项目(CSCT，2006AA7002)

作者简介：陶云奇(1979–)，男，博士，2003年毕业于焦作工学院采矿工程专业，主要从事安全工程与渗流力学方面的研究工作。E-mail：taoyunqi@http://doc.guandang.net

关于瓦斯赋存与吸附

3364 岩石力学与工程学报 2009年

reduces rapidly firstly and slowly whereafter with gas pressrure increasing. The study of the relationship between gas-bearing coal permeability and effective stress，temperature and gas pressure provides the theoretical foundation for the study of multi-field coupling problem including temperature field. It gives technical support for increasing efficiency of gas drainage in high temperature mine.

Key words：mining engineering；permeability；effective stress；temperature；gas pressure；porosity

1 引 言

含瓦斯煤渗透率是反映瓦斯在煤层中渗流难易程度的重要指标，是研究煤层瓦斯流固动态耦合的重要物性参数。其值与煤层所处的地球物理场环境息息相关，而作为地球物理场的三要素(地应力、温度和瓦斯压力)均随埋深的增加和地质构造的变化而变化，致使含瓦斯煤渗透率亦随之动态变化。所以，围绕这三要素开展的渗透率研究成果也相对较多

[1～10]

煤体在外应力作用下，骨架体积将受压收缩，内部裂隙或孔隙体积将明显减小。孔隙率不仅是衡量煤体孔隙结构发育程度的关键指标，也是决定煤的吸附解吸、渗透和强度性能的重要因素，尤其是有效孔隙率对煤的渗透性影响更大。而孔隙率的大小与煤体的结构变形和本体变形密不可分，其结构变形主要为外应力引发煤粒间位置相对错动产生的整体变形，本体变形主要包括热膨胀变形、吸附瓦斯膨胀变形和煤体骨架受瓦斯压力的压缩变形。根据热应力理论和弹性力学可知，在围压一定的情况下，煤体骨架将受温度和瓦斯的作用产生热膨胀和吸附膨胀使其体积增加，当热应力和吸附膨胀应力小于煤粒之间的拉应力屈服强度时，所引起的热膨胀和吸附膨胀变形不会产生新的微小裂隙，且仅能产生内向膨胀，致使微孔隙或裂隙变窄，从而引起煤体渗透率减小。与此同时，煤体骨架受瓦斯压力的作用势必会引起收缩变形而使体积减小，引起煤体内部的微裂隙或孔隙有效空间增加，进而使渗透率增大。

2.2 煤体孔隙率模型

假设煤层中只有单相饱和的瓦斯流体，根据孔隙率 的定义[11隙率方程：

，12]

。唐巨鹏等利用自制的三轴瓦斯

[1]

解吸渗透仪进行了瓦斯解吸渗流试验，发现在加载过程中有效应力与渗透率关系曲线呈正指数减小，在卸载过程中呈抛物线关系。赵阳升等

[2～4]

基于自行

研制的三轴渗透试验装置和达西定律进行了煤样渗透率试验，通过数据曲线拟合分别得出了煤样渗透率与体积应力和瓦斯压力的函数关系式。李祥春等[5]在考虑煤骨架吸附变形特性的条件下，从孔隙率基本定义出发，在理论上 …… 此处隐藏：16504字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……