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

摘要

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(σ_(1)=10 MPa,σ_(2)=8 MPa和σ_(3)=6 MPa)中最大吸附量约6.50 cm^(3)/g,最大主应力(σ_(1))方向煤体最大应变量4.48×10^(-3),中间主应力(σ_(2))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)m^(2),压裂后为(0.028~0.163)×10^(-15)m^(2),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。