瓦斯学术：含瓦斯煤体渗流相关研究进展

看点导读

      含瓦斯煤渗透率是煤层气抽采过程中的关键参数，其大小影响着煤层气的高效抽采。我国煤层渗透率普遍偏低，在形成过程中往往受沉积环境、成煤作用和构造作用的影响，呈现渗透率各向异性的特征，内部结构形态各异，存在大量宏观裂隙和细观孔隙。随着开采深度不断增加，深部含煤地层地质构造交互纵横，地质赋存环境非常复杂。高地应力、高渗透压、高瓦斯压力等复杂地质情况以及钻爆法施工、深孔爆破增透技术等现场作业导致冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩瓦斯复合动力灾害的频发，对深部煤炭安全高效开采带来了巨大威胁。

      本期瓦斯学术主要分享王登科教授团队关于含瓦斯煤体渗流的相关研究，希望给广大读者带来启发和收获。

推荐文献：

[1] 王登科, 田晓瑞, 魏建平, 等. 基于工业CT扫描和LBM方法的含瓦斯煤裂隙演化与渗流特性研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2022, 39(2): 387-395.

[2] 王登科，吕瑞环，彭明，等．含瓦斯煤渗透率各向异性研究[J]．煤炭学报，2018,43(4):1008-1015. 

[3]王登科，张力元，魏建平，等. 冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析[J]. 煤炭学报，2024，49(3)：1432−1446.

拓展文献：

[1] 基于工业CT扫描的瓦斯压力影响下含瓦斯煤裂隙动态演化特征. 王登科;张航;魏建平;吴岩;张宏图;姚邦华;付建华;赵立桢.煤炭学报,2021(11)

[2] 基于灰度共生矩阵和工业CT扫描的受载含瓦斯煤裂隙动态演化特征. 王登科;吴岩;魏建平;赵小龙;张宏图;朱传奇;袁安营.工程科学学报,2023(01) 

[3] 温度和轴向变形耦合作用下受载含瓦斯煤渗流规律研究. 魏建平;吴松刚;王登科;李富仁.采矿与安全工程学报,2015(01) 

[4]魏建平，李明助，王登科，等．煤样渗透率围压敏感性试验研究[J]．煤炭科学技术，2014,42(6):76-80.

摘    要

煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素，分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义。开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验，测试结果表明：含瓦斯煤在加载条件下的变形过程大致分为初始裂隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏阶段和残余变形阶段；基于CT扫描技术的裂隙重构真实客观反映了含瓦斯煤三维裂隙场的演化过程；含瓦斯煤渗透率大小与其内部裂隙发育和扩展密切相关，并随变形表现出了先减小后增加，再减小再增加的变化特征。采用格子Boltzmann方法模拟重现了含瓦斯煤全应力⁃应变过程中内部渗流场的演化规律，并预测了含瓦斯煤的渗透率，预测渗透率平均误差为11.11％。与含瓦斯煤内部裂隙发育程度及演化过程高度吻合，有效揭示了裂隙控制下的含瓦斯煤渗透性演化过程和特征。研究结果可为裂隙煤体瓦斯抽采和煤矿安全生产提供理论支撑。

实验煤样取自河南安阳主焦矿的焦煤，筛选规整煤块于实验室完成煤样加工，利用钻取机沿垂直层理钻取直径50mm的柱状煤样，双端磨面机将煤样岩心切磨成长度100mm的标准煤样。为保证实验过程中煤样受力均匀，试样两端面的平整度小于0.05mm，平行度小于0.02mm。煤样经加工之后，放入105℃恒温干燥箱中，充分干燥密封备用。实验采用由美国GE公司生产的受载煤岩工业CT扫描系统。如图1所示。三轴加载驱替渗流实验系统主要由压力室系统、轴压加载系统、煤样夹持器、数据采集系统以及气体渗流系统组成，如图2所示。

图1 CT扫描实验系统

图2 煤岩三轴加载驱替渗流系统

为研究煤样在不同变形阶段的渗流特性和裂纹扩展规律，本次实验开展了围压为5MPa的三轴加载渗流实验和工业CT扫描实验。实验开始先进行设备开机预热及初始化，安装并固定煤样。选取射线管电压180kV和电流值240μＡ使得射线能够穿透样品，在此基础上调节CT成像质量控制参数，使成像质量达到最佳。启动三轴加载设备及其配套装置对煤样进行加载，达到第１个扫描应力值后停止加载，分别进行气体流量测试和工业CT扫描测试；然后加载到第２个扫描应力值，再分别进行气体流量和工业CT扫描测试，如此循环反复，直至煤样完全破坏。每次CT扫描结束后应力加载之前，测量当前应力状态下煤样的瓦斯气体流量，待甲烷气体流动稳定，通过公式计算得到煤样在这一应力状态下的渗透率。

裂隙系统中裂隙网络真实演化过程以及流体流动的模拟和可视化研究是困难的。本文利用工业CT扫描技术，使用格子Boltzmann法展现裂隙网络的真实演化过程并预测渗透率的变化。

图3 D3Q19格子排列

多孔介质裂隙界面处的边界与静止的固体边界相似，采用无滑移效应的粒子弹回处理，对于此类边界，LBM中称为标准反弹格式，即粒子自流体节点入射到边界处直接原路弹回。此方法能够保证边界上的质量和动量守恒，使固体壁面处的速度保持为零的状态，如图４所示。

图4 标准反弹条件

CT图像处理过程流程如下：

１） 将CT扫描数据导入三维可视化软件VGStudio Max中，利用该软件的重构模块对煤样进行三维重构。

２） 提取煤样裂隙。

３）处理CT扫描的断面切片图，进行煤岩三维裂隙堆栈，重构煤样内部真实的三维裂隙场，得到煤岩真实的含有裂隙系统的数字化几何模型。

图5 工业CT扫描图像的处理过程

图6 重构后的三维煤样

图7 煤样全应力⁃应变过程中裂隙体积和

裂隙密度的变化规律

图8  煤样加载过程中的裂隙演化

图9 含瓦斯煤样受载过程渗透率动态演化

图10 加载过程中的煤样内部渗流场演化过程

摘    要

为研究含瓦斯煤各向异性渗流特征，以原煤煤样为研究对象，以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台，开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究，确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法，定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率，重点分析了含瓦斯煤渗透率各向异性动态变化规律和瓦斯优势流动方向的转变现象。研究结果表明：煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征，本文所提出的含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法简单有效；含瓦斯煤具有较强的应力敏感性，其渗透率与有效应力之间符合负指数函数变化规律；含瓦斯煤渗透率的各向异性随有效应力的变化表现出了明显的动态变化发展规律，优势流动方向存在转变现象。

实验所用煤样取自山西晋城泽州天安煤业苇町矿，将井下取出的煤块用保鲜膜密封，带回实验室。为钻取不同角度平行层理的原煤煤柱，选取无明显宏观裂隙、弱面，且层理性较好的大煤块（图11），假设煤层的走向方向为０°，利用立式钻床（图12）钻取平台取样。沿平行层理依次钻取０° ，30°，60°，90°方向，以及垂直层理方向的柱状煤样，取样示意如图13所示，将钻取的柱状煤样，用岩石切片机切割成长度为50±0.2ｍｍ的煤样，最后利用双端面磨岩机将煤柱两端面磨平，煤样端面的不平整度利用千分表测量，将煤样规格控制在力学试验标准之内，制备完成的煤样如图4所示。本实验共制备3组试样，分别命名为A，B、C三组，每组5个煤样，共15个煤样。

图11 新鲜煤样

图12  立式钻床

图13  取样示意

图14 实验煤样

本实验采用瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室自主研发的三轴瓦斯渗流实验系统对含瓦斯煤进行各向异性渗透率的测量，实验系统基本组成部分为：煤样加持器、加卸载系统、抽真空系统、气体渗流系统、流量监测系统、位移监测系统和温度监控系统，具体实验系统详见本推文拓展文献[4]。

主要实验步骤如下：

（1）煤样安装。将三轴瓦斯渗流实验系统的夹持器清洁干净，把干燥好的煤样放入夹持器中，安装好左压头与右压头，通过手动高压泵对煤样施加一定的轴压与围压。

（2）渗透率测定。调节手动高压泵，将围压调节至2MPa ，轴压调节至2MPa，打开高纯甲烷罐，及相关阀门，调节减压阀，将入口气压调节至表压0.9MPa，打开出气口阀门，通过外接解析仪进行记录，待甲烷气体流动稳定，打开机械秒表进行计时，记录气体累计流量，通过记录的累计流量，以及进出气口甲烷压力，计算得出煤样在此围压条件下的渗透率，通过手动高压泵，将围压调节至下一实验载荷，围压逐级加载，间隔为0.8MPa，直到围压加载至6MPa，待瓦斯流动稳定后，通过上述方法，计算得到煤样渗透率。不断更换围压大小，完成实验。

表1 煤样渗透率主值与方位角求解结果

表2 渗透率理论值与实测值对比结果

图15 煤样渗透率主值随有效应力变化规律

表3 渗透率主值随有效应力变化拟合参数

图16 不同有效应力下3组煤样各向异性率

摘    要

为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律，采用含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试，并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构，分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明，冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响，具体表现在：① 受围压和轴压的影响，冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力−应变曲线无明显压密阶段；含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。② 冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用，气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数；冲击载荷越大，瓦斯压力越高，含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分，所形成的裂隙结构愈复杂。③ 含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展，冲击载荷耦合瓦斯压力作用下，含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动−裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式；含瓦斯煤冲击破坏后，随着气体压力增加以及气楔作用的增强，瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动−裂隙流动并存和裂隙流动；裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律，含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

本次含瓦斯煤冲击试验主要采用河南理工大学型号为LCPRE-RDLS-4 50/60的含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统进行开展。如图1所示，该试验系统由分离式霍普金森压杆系统为主要核心，辅以围压−气固耦合加载系统和数据采集系统共同组成。

图17 含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统

基于河南理工大学的含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统开展2组含瓦斯煤的冲击试验。第1组为不同冲击速度下的冲击试验：该组试验中冲击速度设定为13、14、15及16 m/s，瓦斯压力为1MPa，轴压、围压均设为20MPa。第2组为不同瓦斯压力下的冲击试验：该组试验中瓦斯压力设定为0、0.5、1.5及1.5MPa，冲击气压为0.175MPa，轴压、围压均设为轴压缸10MPa。

图18 煤样的应力−应变曲线

图19 煤样峰值强度−冲击速度变化关系

图20  煤样峰值强度−瓦斯压力变化关系

图21 煤样峰值应变−冲击速度变化关系

图22 煤样峰值应变−瓦斯压力变化关系

图23  煤样弹性模量−冲击速度变化关系

图24 煤样弹性模量−瓦斯压力变化关系

图25 不同冲击速度下煤样冲击前后CT扫描图像对比

图26 不同瓦斯压力下煤样冲击前后CT扫描图像对比

图27 不同条件下裂隙扩展特征量化参数的变化规律

图28  不同情况下的莫尔应力圆变化

图29 裂隙参数与瓦斯流量间的关联性

图30 煤岩三轴加载驱替渗流系统

图31 不同瓦斯压力下裂隙贯通情况

图32 气体压力对煤体裂隙扩展的影响