深部煤體卸荷滲透率演化規(guī)律研究

深部煤體卸荷滲透率演化規(guī)律研究

1856年dahi提出dahi規(guī)則以來，巖石滲透率一直是國內(nèi)外學術界的研究熱點。巖石力學、土木工程、石油工程和采礦技術。煤層滲透性的興趣始于對現(xiàn)有煤層走廊的研究。煤體滲透性是礦井瓦斯防治和煤層氣開采的重要參數(shù),其大小決定了抽采的難易程度。隨著埋深的增加,地應力、瓦斯壓力不斷增大,部分礦區(qū)現(xiàn)開采深度為800~1000m,垂向應力達22~27MPa,煤層瓦斯壓力達6~8MPa,瓦斯含量達20~30m3/t,滲透率僅為10-18~10-19m2,瓦斯抽采困難,煤與瓦斯突出災害嚴重。煤體滲透性與裂隙大小、間距、連通性、寬度、裂隙礦物填充、展布特征等煤體的裂隙特征密切相關。除此之外,地應力、孔隙壓力和煤基質(zhì)收縮/膨脹等因素也對滲透性起決定作用,因此,煤體滲透率的變化取決于上述因素的綜合作用。為此國內(nèi)外學者開展了大量實驗以及理論研究,提出了眾多理論模型解釋滲透性的變化規(guī)律。Gray首次分析了應力和吸附變形對煤體孔隙的綜合影響,并建立了相關滲透率模型;McKee等獲得了應力與煤體孔隙率和滲透率間的關系;Sawyer等基于煤體孔隙裂隙與瓦斯壓力和濃度呈正比關系提出了滲透率模型;Seidle和Huitt將煤體基質(zhì)的變形全部歸結為瓦斯的解吸,提出了能解釋瓦斯解吸引起滲透率增加的理論模型;Palmer和Mansoori首次綜合考慮了煤的彈性變形和吸附變形建立了煤體孔隙率-滲透率模型;Shi和Durucan分析了單應變條件下有效水平應力的變化,并建立了應力-滲透率模型;李祥春等建立了考慮煤骨架吸附變形特性的滲透率與膨脹變形的關系;CuiandBustin在此分析單應變條件下煤體有效水平應力變化基礎上,建立了煤體裂隙滲透率和應力的指數(shù)關系式;Robertson和Christiansen綜合考慮了有效應力對裂隙的閉合作用、孔隙壓力壓縮基質(zhì)對裂隙的擴張及吸附變形對裂隙的閉合作用,建立了裂隙彈性條件下煤的應力-滲透性模型;Zhang等在文獻基礎上建立了新的應力-滲透率模型,并討論了有效應力系數(shù)變化對滲透率的影響。Liu等認為煤基質(zhì)吸附變形只有部分作用于裂隙,引入修正因子建立了考慮了有效應力和煤基質(zhì)吸附變形的滲透性模型;Pan和Connell及Hol和Spiers發(fā)現(xiàn)煤基質(zhì)除因吸附瓦斯產(chǎn)生變形外,受孔隙壓力的作用也會出現(xiàn)壓縮變形;隨后Connell等引入煤基質(zhì)變形修正因子建立了三軸應力應變條件下的滲透性理論模型。國內(nèi)林柏泉、趙陽升和尹光志等分別在應力、溫度、瓦斯壓力等因素對滲透率的影響研究方面有促進作用。上述模型根據(jù)理論依據(jù)則可分為兩類:孔隙率-滲透率模型和應力-滲透率模型,前者以Palmer-Mansoori模型(簡稱P-M模型)為代表,后者以Gray模型為代表?，F(xiàn)有滲透率模型多以煤層氣開采為工程背景,并假定煤體應力應變環(huán)境為單軸應變狀態(tài),相關實驗研究則以加載為條件。而煤礦的實踐證明采動卸荷增加煤體滲透性是經(jīng)濟、可靠的工程手段,對低滲透性煤層的瓦斯抽采取得了良好的效果,但上述模型從力學路徑等角度尚無法描述此卸荷過程。目前對于采動煤巖體在卸荷狀態(tài)下的滲透率演化尚缺乏系統(tǒng)研究,僅有個別文獻研究了加載過程中的細觀損傷變量與滲透率的關系,如謝和平等給出了增透率定義,在綜合考慮了支承壓力、孔隙壓力和瓦斯吸附膨脹耦合作用的基礎上推導了增透率表達式。因此,筆者以含瓦斯煤體為研究對象,以滲透率模型為依據(jù),探討深部煤層滲透率的主控因素和深部低滲透性煤層的增透途徑,并開展煤體卸荷滲透率試驗研究,以期建立卸荷煤體滲透率理論模型。1重要的深部煤層滲透性控制因素1.1煤基質(zhì)變形發(fā)展的規(guī)律理論依據(jù)其描述,其為一個系數(shù)fm煤是由煤基質(zhì)和裂隙組成的雙孔介質(zhì),其結構可用立方體模型進行描述(圖1)。煤的滲透率主要取決于宏觀裂隙,與孔隙率有關,可由Kozeny-Carman公式描述,即式中,φ為孔隙率,%;C為系數(shù),與煤體物性特征有關,對于同一種煤層,可視為常數(shù);S為單位體積煤體的表面積,m-1。當煤體的受力發(fā)生變化,出現(xiàn)彈性小變形時,煤基質(zhì)完好,僅有裂隙開度的變化,S可視為常數(shù),則滲透率由式(1)得到其中,φ0,k0分別為煤層初始孔隙率和滲透率,%和m2;φ,k分為煤層變化后的孔隙率和滲透率,%和m2。對于煤層而言,,則式(2)可簡化為式(3)正是目前大多數(shù)孔隙率-滲透率模型的基礎。根據(jù)孔隙率的定義φ=Vp/V和介質(zhì)連續(xù)理論,孔隙率變化率為式中,Vp為裂隙體積;V為煤體體積。煤基質(zhì)體積的變化主要由有效應力產(chǎn)生的應變和基質(zhì)變形兩部分組成。相關研究發(fā)現(xiàn)煤基質(zhì)吸附氣體膨脹時,煤體內(nèi)部各部分均產(chǎn)生相應的變形,并進行自我調(diào)整,只有一部分基質(zhì)變形對裂隙產(chǎn)生影響,本文引入一個系數(shù)fm表述煤體基質(zhì)變形對煤體裂隙變形的影響。煤體體積和裂隙體積變化率為將式(5)和式(6)代入式(4),得求解式(8)得將式(9)代入式(3),得到三軸應力條件下基于有效基質(zhì)變形的煤體滲透率模型,即此式由有效應力項和煤基質(zhì)變形項組成,以應力為變量描述了地應力、孔隙壓力和吸附膨脹變形對煤層滲透率的影響機制。1.2垂向地應力與瓦斯壓力由式(10)知,煤層的滲透率主要受地應力和瓦斯壓力控制。而煤層地應力和瓦斯壓力均隨深度的增加呈線性增大的規(guī)律,在國內(nèi)眾多礦區(qū)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯壓力與埋深的關系為式中,p0為煤層瓦斯壓力,MPa;H為煤層的埋藏深度,m;C0為常數(shù)。由瓦斯地質(zhì)學的資料知,地層淺部煤層存在瓦斯風化帶,其下限深度一般為200~500m,瓦斯壓力較低(僅為0.15~0.25MPa),而垂向地應力則是從地表開始計算的,可按E.T.Brown和Hock給出的關系估算,即式中,σv為垂向應力,MPa。由Biot有效應力原理可得地應力、瓦斯壓力與平均有效應力的關系式中,為平均有效應力,MPa;kc為側(cè)壓系數(shù),一般為0.5~1.0,構造應力集中區(qū)為2~3。取淮北礦區(qū)桃園煤層82煤層的瓦斯壓力曲線p0=0.0118H-3.9220和式(12)代入式(13),并取α=1,則側(cè)壓系數(shù)為1條件下地應力、瓦斯壓力和平均有效應力隨埋深的變化關系,如圖2所示。由圖2可知,瓦斯壓力梯度小于垂向地應力的梯度,且瓦斯壓力變化曲線的截距為負,使同一埋深條件下煤層瓦斯壓力始終遠小于平均地應力。當煤層埋深達到1000m時,煤層瓦斯壓力為7.88MPa,這一數(shù)值遠小于此深度的垂向地應力27.0MPa。結合前期對沁水煤田滲透率的研究(圖3)和現(xiàn)場考察的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當煤層埋深超過700m時,地應力成為控制煤體滲透率的主導因素。1.3煤體滲透率的控制因素—低滲透性煤層的增透途徑由前面的分析發(fā)現(xiàn),隨著埋深的增加,煤層滲透率隨地應力和瓦斯壓力的變化表現(xiàn)出如下特點:(1)地應力的增加引起煤體有效應力的增加,進而壓縮煤體裂隙,使?jié)B透率降低。(2)瓦斯壓力的增加引起有效應力的降低,較高的孔隙壓力將壓縮基質(zhì)、擴張裂隙,使?jié)B透率增加;與此同時,較高的瓦斯壓力將使煤基質(zhì)吸附更多的瓦斯而膨脹,擠壓裂隙使?jié)B透率降低。(3)較高的瓦斯壓力需要更嚴密的封閉環(huán)境,通常情況下,僅有地應力較高的區(qū)域才能維持較高的瓦斯壓力。因此,地應力控制著煤層的瓦斯壓力。進入深部區(qū)域后,地應力成為控制滲透率的主導因素。地應力、瓦斯壓力與滲透率的相互作用關系如圖4所示。由前面的分析可知,深部煤層地應力主導有效應力的變化,直接或間接的控制著滲透率,因此,要有效增加煤體的滲透率,只能改變滲透率的主導因素———降低地應力。外載荷下降后,煤體膨脹又引起煤層孔隙壓力的下降,使煤層滲透率進一步增加。多年的實踐證明,目前我國眾多礦區(qū)正在試驗或?qū)嵤┑谋Ｗo層開采、水利化措施(諸如水力割縫和水力沖孔等等)及密集瓦斯抽采鉆孔都是利用了這一原理,區(qū)域或局部降低煤體的載荷、釋放圍巖的應力而提高煤體的滲透率。因此,深部低滲透性煤層只有通過相關技術措施降低煤層應力,并使其維持一定時間,才能實現(xiàn)煤層的有效增透和瓦斯的高效抽采。2煤炭去除砂的理論模型2.1煤體滲透率演化規(guī)律煤礦開采或瓦斯抽采過程中,地應力和瓦斯壓力出現(xiàn)大幅下降使煤體裂隙發(fā)生顯著改變,進而增大煤層滲透率。為了研究此過程中滲透率的增透機制,在煤巖吸附-滲流-力學耦合特性測定儀上開展了加卸載條件下原煤的滲透演化特性研究。整個加卸載過程中滲透率的演化規(guī)律,如圖5所示。在卸載過程中,試樣滲透率隨著有效應力的減小而增大,卸載初期滲透率有所增大,但幅度較小,這說明卸載過程并非加載的逆過程,煤體內(nèi)部裂隙在加載過程中出現(xiàn)了永久性損傷,在卸載過程中裂隙的形變并不能完全恢復。隨著有效應力的持續(xù)下降,滲透率出現(xiàn)急劇增長現(xiàn)象,這是煤體在拉張應力作用下,煤體發(fā)生卸荷損傷形成新的裂隙,降低了瓦斯的流動阻力所致。同一路徑下利用CT掃描和滲透特性儀相結合開展的卸載煤體細觀損傷與滲透性演化耦合實驗解釋了這一現(xiàn)象。卸荷過程中煤體裂隙損傷演變的CT圖像,如圖6所示。當圍壓卸至4MPa時,試件內(nèi)部出現(xiàn)大的損傷區(qū)域,并出現(xiàn)了明顯的環(huán)狀損傷裂紋,且環(huán)狀損傷裂紋不斷向周圍擴展和貫通,最終導致試件破裂。2.2煤體卸荷損傷增透理論模型根據(jù)卸荷滲透實驗結果和滲透率演化趨勢,結合現(xiàn)有滲透率研究成果,將煤體卸荷損傷與滲透性演化關系總結為煤體卸荷滲透率演化概念模型,如圖7所示。煤體卸荷滲透率演化概念模型將煤體卸荷過程中滲透率的突增現(xiàn)象抽象為圖7中曲線3。該曲線描述為:初期滲透率隨有效應力的降低而緩慢增加,這一階段煤體裂隙部分恢復,滲透率始終小于同等條件下的彈性模型;當有效應力繼續(xù)下降至某一水平后,煤體發(fā)生卸荷損傷形成新的裂隙,而新生裂隙分布具有自相似性對滲透率的貢獻均等,導致滲透率快速增加,甚至超過原始滲透率。在此基礎上,論文建立了煤體卸荷損傷增透理論模型。該模型建立在傳統(tǒng)孔隙率-滲透率模型基礎上,其基本假設如下:(1)煤體是連續(xù)的各向同性的彈塑性介質(zhì)。雖然煤體由煤基質(zhì)和裂隙構成,但可以抽象成雙連續(xù)各向同性彈塑性介質(zhì)。(2)卸荷過程中,煤體的滲透率與體應變的變化具有較好一致性。依據(jù)煤的全應力-應變曲線,本模型描述煤體從非線性變形后的過程(圖8中B點后段),B點對應體積應變曲線上由減小到增大的G點。試樣的體積應變?nèi)繗w咎于裂隙開度的增加和新生裂隙的生成而引起的孔隙率增加,如圖9所示。(3)煤基質(zhì)的變形僅有部分對煤體的裂隙產(chǎn)生影響,并假定此影響在卸荷過程中保持不變。(4)不考慮煤基質(zhì)內(nèi)孔隙對滲透率的影響,瓦斯的解吸、擴散、滲透過程中煤層溫度保持不變。本文3.1節(jié)的實驗發(fā)現(xiàn),卸荷損傷將導致煤體裂隙的擴展和新裂隙的產(chǎn)生,孔隙率顯著增加,Kozeny-Carman公式(式(2))中的平方項不能再忽略?？紫堵实淖兓审w應變和吸附/解吸應變構成求解式(15),并以圖8中G點為初始條件得將式(16)代入式(2)得到煤體卸荷損傷增透理論模型式中,φ,ε分別為孔隙率和應變;下標中G表示初始點,m表示煤基質(zhì),V表示體積;fm為煤基質(zhì)解吸收縮對裂隙應變的影響因子,0~1。本模型描述了采動煤體卸荷損傷引起的滲透率變化特性,搭建了煤體卸荷與增透的橋梁,為深部煤儲層改造和瓦斯抽采提供了理論基礎,可采用現(xiàn)有巖石力學計算軟件獲得的采場圍巖應力場和應變場得到卸荷后煤巖的滲透率演化規(guī)律。2.3研究對象及實驗驗證甘肅窯街海石灣煤礦煤一層厚度為4.57m,煤層傾角平均12°,煤一層煤層瓦斯含量為2.18m3/t,煤層無突出危險,直接頂板巖性多為泥灰?guī)r,底板多為薄層油頁巖,局部為炭質(zhì)泥巖,工作面開采高度為3m。煤二層厚度為平均45m,實測原始瓦斯壓力7.3MPa,為二氧化碳與瓦斯突出煤層。直接頂多為粉砂巖、細砂巖,老頂為煤一層及其頂板泥灰?guī)r,底板為含礫粉砂巖或粉砂巖、細砂巖。下被保護層煤二層位于保護層煤一層下方50m處。本文以海石灣煤礦地層條件為原形,采用FLAC3D軟件建立模型選取均布孔隙壓力作用方式建立模型,開展了開采煤一層后不同的初始孔隙壓力下煤二層的底板破壞、移動變形、應力等變化規(guī)律研究。保護層煤一層工作面回采200m時,不同孔隙壓力作用下下保護層煤二層的相對變形量,如圖10所示。將計算得到的采場圍壓應力場和應變場代入煤體卸荷損傷增透理論模型,得到了煤二層滲透率的變化規(guī)律,如圖11所示,滲透率僅增加約500倍。根據(jù)上述理論計算結果,并結合瓦斯抽采工程實踐,確定煤二層瓦斯鉆孔的間距為5~10m。現(xiàn)場試驗驗證發(fā)現(xiàn),當保護層煤一層采高為3.0m時,距其50m處的下被保護層最大膨脹變形量為0.5%,透氣性系數(shù)由0.0976m2/(MPa2·d)增至85.76m2/(MPa2·d),增大878倍(圖12),平均抽采瓦斯?jié)舛?2.84%,平均瓦斯抽采量為6.99萬m3/d,實測最大單孔流量為2.0m3/min。經(jīng)過19個月的抽采,煤二層共抽出瓦斯4050萬m3(CO2為3000萬m3,CH4為1050萬m3),瓦斯抽采率達到了77.3%,消除了二氧化碳與瓦斯突出危險性。3煤體卸荷損傷增透理論模型的建立(1)利用滲透率理論模型對深部煤層滲透率變化的分析認為,深部煤層地應力主導有效應力的變化,直接或間接的控制著