煤体瓦斯吸附解吸与压裂渗流全过程真三轴试验系统研发与应用

作者：林海飞; 龙航; 李树刚^*; 赵鹏翔; 严敏; 白杨; 肖通; 秦澳立

来源：岩石力学与工程学报, 2022, 41(S2): 3294-3305.

DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2021.1144

• 采矿工程
• 试验系统研发
• 真三轴应力
• 吸附–解吸变形
• 水力压裂
• 渗透率

我国大部分矿区煤层渗透率较低，压裂是目前煤层增透的有效方法之一，可强化煤层瓦斯解吸渗流效应。为进一步研究煤体瓦斯吸附解吸与压裂前后渗流特性，自主研发煤体瓦斯吸附解吸与压裂渗流全过程真三轴试验系统，开展真三轴应力条件下煤体瓦斯吸附、解吸、渗流及水力压裂试验。该试验系统主要由高压腔体、应力加载及控制系统、注气–吸附–解吸系统、压裂系统、测试系统和数据采集及控制系统等组成，试件尺寸300 mm×300 mm×300 mm，最大加载应力30 MPa，最大注气压力20 MPa，水力压裂系统承压能力≤80 MPa，密封高压腔主体材质为42CrMo锻钢，具有良好安全性及密封性能。结果表明：瓦斯在三轴应力煤体(σ1=10 MPa，σ2=8 MPa和σ3=6 MPa)中最大吸附量约6.50 cm3/g，最大主应力(σ1)方向煤体最大应变量4.48×10-3，中间主应力(σ2)方向最大应变量4.90×10-3，吸附特征及形变特征均符合Langmuir型变化规律；解吸过程中，煤体瓦斯累计解吸量随解吸时间变化呈指数型增长，解吸速率随时间呈指数型衰减趋势，且煤体最大主应力方向残余形变量小于中间应力方向；水力压裂作用下煤体沿着最大主应力方向破裂，最大起裂压力为15.31 MPa，煤体压裂前渗透率为(0.005～0.023)×10-15 m2，压裂后为(0.028～0.163)×10-15 m2，增加4.34～6.06倍，煤体渗透率与有效应力呈负指数关系。该系统可为煤层瓦斯抽采及压裂增透技术提供一定试验基础。

• 单位
  中国煤炭工业协会; 西安科技大学