饱和度对含瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究.pdf
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1、第 48 卷增 1煤炭学报Vol.48Supp.12023 年4 月JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYApril2023饱和度对含瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究张保勇1,李焕如1,高霞2,于洋1(1黑龙江科技大学 安全工程学院,黑龙江 哈尔滨150022;2黑龙江科技大学 建筑工程学院,黑龙江 哈尔滨150022)摘要:瓦斯水合固化防突方法能高倍固化瓦斯,降低瓦斯压力,并且前期研究表明,水合物的生成填充煤体孔隙,能够提高煤体强度,改善煤体力学性质,有望减弱煤与瓦斯突出危险性。渗透率是检验瓦斯水合物煤体体系水合固化效果的关键参数,因此利用应力渗流固化一体化三轴试验机,开展
2、了 3 种目数和 3 种饱和度条件下含瓦斯煤、含瓦斯水合物煤体渗透实验,测定了瓦斯水合物生成前后煤体渗透率;基于含水合物多孔介质渗透率模型,探讨了煤体中瓦斯水合物的分布模式。结果表明:水合物生成后煤体的渗透率降幅为 199%930%,其中 40 60 目(0250 0425 mm)60%饱和度煤样渗透率降低幅度最大;随着饱和度增加,2040 目(04250850 mm)及4060 目(02500425 mm)含瓦斯水合物煤体渗透率均先减小后增大,6080 目(018025 mm)煤样始终呈增大趋势;将试验结果与渗透率理论模型对比发现,本试验煤体中瓦斯水合物分布模式以表面胶结型为主,水合物生成对
3、煤体内瓦斯渗流通道的阻塞效果显著。关键词:煤与瓦斯突出;瓦斯水合物;饱和度;渗透率;分布模式中图分类号:TD713文献标志码:A文章编号:02539993(2023)S1012208移动阅读收稿日期:20220430修回日期:20220702责任编辑:王晓珍DOI:1013225/jcnkijccsWS220637基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(51974112,51674108);国家自然科学基金联合基金资助项目(U21A20111)作者简介:张保勇(1982),男,安徽霍邱人,教授,博士。Email:byzhang1982 163com引用格式:张保勇,李焕如,高霞,等 饱和度对含
4、瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究J 煤炭学报,2023,48(S1):122129ZHANG Baoyong,LI Huanru,GAO Xia,et al Experimental study on effect of saturation on the permeabilityof gas hydrate bearing coalJ Journal of China Coal Society,2023,48(S1):122129.Experimental study on effect of saturation on the permeability ofgas hydrate bear
5、ing coalZHANG Baoyong1,LI Huanru1,GAO Xia2,YU Yang1(1School of Safety Engineering,Heilongjiang University of Science Technology,Harbin150022,China;2School of Architecture Civil Engineering,Hei-longjiang University of Science Technology,Harbin150022,China)Abstract:Coal and gas outburst prevention tec
6、hnology based on the hydrate method can make gas hydration and reduce gaspressure Previous study shows that the formation of gas hydrate can fill coal pores,improve coal strength and the mechan-ical properties of coal,which is supposed to reduce the risk of coal and gas outburst The permeability of
7、gas hydratebearing coal is the key parameter to test the hydration and solidification effect of gashydratecoal system Using stressseepage hydration integrated triaxial testing machine,the authors carried out the coal permeability experimentsunder three meshes and three saturation conditions,and dete
8、rmined the permeability of gas bearing coal and gas hydratebearing coal Subsequently,the distribution modes of gas hydrate was discussed by referencing permeability modelsof hydrate porous media The results show that under the influence of hydrate formation,the coal permeability decreasesfrom 199%to
9、 93%,in which the decreased permeability of 4060 mesh coal samples with 60%saturation is thelargest With the increase of saturation,the gas permeability of 2040 mesh and 4060 mesh coal samples first decreasesand then increases,while that of 6080 mesh coal samples always shows an increasing trend Com
10、paring the test results增刊 1张保勇等:饱和度对含瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究with the permeability theoretical models,it is found that the distribution mode of gas hydrate is mainly cementingmodel,hydrate formation has obvious blocking effect on gas seepage channel in coal This research work is expected toprovide an experi
11、mental reference for gas hydration and solidification outburst prevention technology and its applicationKey words:coal and gas outburst;gas hydrate;saturation;permeability;distribution mode煤炭作为我国的重要能源,其主体能源地位在一段时期内不会发生改变12。由于能源需求和开采强度的逐年增大,煤炭开采深度逐渐向深部发展,煤与瓦斯突出等动力灾害发生愈加频繁,造成的损害日趋严重35。揭煤或落煤等瓦斯赋存区扰动促使高
12、能量瓦斯瞬间涌出是导致煤与瓦斯突出事故的主要原因6,延缓扰动时瓦斯的集中涌出是防治此类事故的有效途径。基于瓦斯水合物生成条件温和、含气率高、分解热大等优点,吴强等7 提出瓦斯水合固化防突方法,能够降低煤层瓦斯压力,而且水合物生成填充了煤体孔隙,提高了煤体的强度8,有望达到防治煤与瓦斯突出目的。瓦斯水合固化后,填充煤体孔隙的瓦斯水合物可能限制瓦斯的运移补充,加之瓦斯水合反应时间较短(一般在 32 h 以内)8,可以在较短时间降低瓦斯压力。受瓦斯运移补充、抽采效率低等问题影响,目前预抽煤层瓦斯防突技术工期较长(1 3 个月),瓦斯水合固化方法的运用有望对缩短目前较长的石门揭煤工期产生效果6。因此,
13、进行含瓦斯水合物煤体渗透特性试验研究,深入了解水合物生成后突出危险煤体的瓦斯渗流规律尤为重要。以瓦斯灾害防治和瓦斯抽采为研究动机,诸多学者针对含瓦斯煤渗透特性开展了一系列试验研究工作。尹光志等911 发现原煤煤样在不同瓦斯压力下,含水率与渗透率呈负相关的线性关系。CHAO 等12 通过试验发现相同应力条件下,孔隙度和渗透率与煤样粒径成反比,煤样的渗透率随含水量增加而降低,呈负指数函数关系。魏建平等13 通过试验测试发现了原煤煤样的气体渗透性随着含水量增加呈指数下降的规律,LI 等14 在此基础上还发现含水量高于6%时,含水量对渗透率的影响明显减弱。李波波等1516 试验发现在相同孔隙压力下,渗
14、透率随含水率增大而减小,并结合滑脱效应的影响,进一步构建了考虑水分影响的渗透率模型。以天然气水合物安全高效开采为研究目的,国内外学者围绕水合物饱和度与沉积物渗透率之间关系,开展了水合物饱和度、孔隙度、沉积物种类等对含天然气水合物沉积物渗透率影响规律研究。KUMA等17 用气体渗流法进行试验,研究发现初始水饱和度小于 35%时,水合物合成于骨架颗粒表面,初始水饱和度大于 35%时水合物则合成于孔隙中心,且具有孔隙填充趋势,并依此建立了一维数值模型评价了渗透率降低指数对分解过程的影响。SHEN 等18 通过试验研究了孔隙度和水合物饱和度对天然气水合物沉积物渗透率的耦合效应,发现在较高饱和度下水合物
15、的阻碍更明显,在较高初始孔隙度下渗透率降低也更明显。吴丹梅等19 通过石英砂模拟介质试验发现水合物饱和度的增加会引起渗透率逐渐下降,并且当水合物饱和度较低时(SH10%),水合物对多孔介质孔隙的堵塞作用更明显。ZHANG 等20 利用高压反应装置进行天然气水合物生成试验,发现连续的水合物生长会占据孔隙空间,降低多孔介质中的平均孔半径和喉半径,导致流体流动路径阻塞。DELLI等21 通过试验和建模分析发现随着水合物饱和度的增加,渗透率逐渐降低,水合物形成形态从胶结逐渐变化为孔隙填充。上述内容主要是以瓦斯煤和水合物沉积物介质体系为研究对象,瓦斯煤体系介质组成、水合物沉积物体系应力条件等与瓦斯水合物
16、煤体介质体系存在显著差异,难以为瓦斯水合固化技术提供较准确的数据和试验支撑。然而,水合物生成、水合物饱和度、水合物分布模式等因素对瓦斯水合物煤体体系渗透率影响规律是分析瓦斯水合固化效果的关键。因此,笔者针对瓦斯水合固化防突问题,采用自主设计的应力渗流固化一体化三轴试验机,开展不同含水量下含瓦斯煤体渗透率测试和不同饱和度条件下含瓦斯水合物煤体渗透率测试试验,获取瓦斯水合物形成及水合物饱和度对煤体渗透率影响规律,结合平行毛细管模型和 Masuda 下降模型,讨论煤体中瓦斯水合物分布模式,可为水合固化防突方法的应用提供试验参考和数据支撑。1试验1.1试样制备和试验装置试验用煤取自龙煤集团城山矿二采区
17、 42 号瓦斯突出煤层。分别用 20 40 目(0425 0850 mm)、40 60 目(0250 0425 mm)、60 80 目(0180 0250 mm)粒径煤粉与去离子水混合,制成 50 mm100 mm 标准型煤试样22,使用压力机 196 kN 恒压30 min 压制煤样,取出成型煤样后放入烘干箱,烘干321煤炭学报2023 年第 48 卷过程称量煤样,当达到预定含水量的质量后,取出煤样装入三轴室,制备过程如图 1 所示。试验用气样为纯甲烷(体积分数 9999%)。去离子水由实验室自制。图 1样品制备过程示意Fig1Schematic diagram of sample prep
18、aration process目前,多孔介质体系内水合物饱和度计算主要有2 种方法,一是采用持续供气的气饱和法,假设水分完全反应,通过初始含水量计算水合物饱和度;二是根据水合物生成过程消耗的气体量来计算水合物饱和度。笔者参照 Sloan 相平衡试验结果,选取温度05、瓦斯压力 4 MPa 为试验条件(该温压条件在水合物生成相平衡稳定区),通过气饱和法在煤体中生成水合物。本试验对饱和度的控制是在煤样总孔隙已知的条件下,给定目标水合物饱和度为 40%,60%,80%,计算得到相应饱和度下水合物体积,再由反应方程式等公式计算得到相应水的质量,从而通过改变煤样中水的质量控制水合物饱和度。水合物饱和度计
19、算、孔容等数据见参考文献 8。3 种目数20 40 目(0425 0 850 mm,记为 C1)、40 60目(0250 0425 mm,记为 C2)、60 80 目(0180 0250 mm,记为 C3)煤样基本参数见表 1。应力渗流固化一体化三轴试验机如图 2 所示。装置主要包括水合固化荷载高压釜、恒温控制箱、增压系统、气体渗流测量系统和数据采集系统等。核心部分为水合固化荷载高压反应釜,试验用煤样安装在夹持器内然后置于反应釜中。气体渗流测量系统主要配备了品川湿式流量计,另行搭配了保护流量计的流量控制阀、微差压显示表、U型防护压力计等,可准确测试并记录气体流量等实时变化数据。反应釜可承受最大
20、压力 20 MPa,可对高压釜中样品进行两端同时供气;空气浴恒温控制箱控温范围为10 60,温度波动度在01 内。温度传感器测量范围为30 50,精度为001。压力传感器测量范围为 0 30 MPa,精度为001 MPa。1.2渗透率计算试验直接测量煤样中瓦斯渗透率的方法主要包括非稳态法和稳态法2223。由于稳态法具有原理简单、操作方便、稳定性和一致性较好、对煤体介质测试效果好等优点24,本试验采用稳态法测量渗透率,并利用达西定律计算渗透率,即Q=KAdpdx(1)式中,Q 为试样横截面的体积流量,m3/s;K 为试样渗透率,m2;A 为试样横截面积,m2;dp/dx 为试样 dx 微段内流体
21、的压力梯度,Pa/m;为测定温度下气体动表 1含瓦斯水合物煤体渗透率测试方案及基本参数Table 1Test scheme and basic parameters for permeability test of gas hydrate bearing coal编号煤粉目数含水量mc/g饱和度Sh/%围压3/MPa试样直径D/mm试样高度H/mm煤样质量M/g密度/(gcm3)C11C12C1320406264093960125280750801019723484117509710328229811145095983024368127C21C22C2340604604069060960807
22、5093990823260118509010062227701155094986621780113C31C32C3360804974068260997807508410162227961135145103322309611150881016022407113421增刊 1张保勇等:饱和度对含瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究图 2应力渗流固化一体化三轴试验机Fig2Stress-seepage-hydration integrated triaxial testing machine力黏度系数,20 时取 108105Pas,05 时102105Pas2526。将式(1)积分后,得到计算渗透率公
23、式为K=2 p0QoutL(p21 p22)A(2)式中,Qout为出口气体流量,m3/s;L 为试样长度,m;p0为大气压力,取 101 325 Pa;p1为进气压力釜的压力,Pa;p2为出气压力釜的压力,Pa。含瓦斯煤体、含瓦斯水合物煤体渗透率测试数据处理结果见表 2,3。表 2含瓦斯煤体渗透率测试数据处理结果Table 2Data processing results of the permeability test of gas bearing coal编号含水量mc/g出口气体流量 Qout/(105m3s1)进气压力 p1/MPa出气压力 p2/MPa试样长度L/mm横截面积A/1
24、03m2初始渗透率K0/1015m2C16261066452347101972027141793952745033910328204006711252267454351983020390359C24604184513549908203705956907094513481006220350961960281456356986620380384C35311564449349101622030218679724124503491033220803333106221174503481016020332900表 3含瓦斯水合物煤体渗透率测试数据处理结果Table 3Data processing res
25、ults of the permeability test of gas hydrate coal编号饱和度 Sh/%出口气体流量 Qout/(105m3s1)进气压力p1/MPa出气压力p2/MPa试样长度L/mm横截面积A/103m2渗透率K/1015m2归一化渗透率 K/K0C140344451350101972027044803166008445234710328204001050157801774513469830203902240624C2403784523479908203704770801600524533441006220350067007080201451342986620
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