Permeability changes of coal cores and briquettes under tri-axial stress conditions

The paper is dealing with the permeability of coal in triaxial state of stress. The permeability of coal, besides coal’s methane capacity, is the main parameter determining the quantity of methane inflow into underground excavations. The stress in a coal seam is one of the most important factors influencing coal permeability therefore the permeability measurements were performed in tri-axial state of stress. The hydrostatic three-axial state of stress was gradually increased from 5 MPa with steps of 5 MPa up to a maximum of 30 MPa. Nitrogen was applied as a gas medium in all experiments. The results of the permeability measurements of coal cores from the “Zofiówka” mine, Poland, and three mines from the Czech Republic are presented in this paper. As a “reference”, permeability measurements were also taken for coal briquettes prepared from coal dust with defined porosity. It was confirmed that the decreasing porosity of coal briquettes affects the decreasing permeability. The advantage of experimentation on coal briquettes is its good repeatability. From the experimental results, an empirical relation between gas permeability and confining pressure has also been identified. The empirical relation for coal briquettes is in good correspondence with published results. However, for coal cores, the character of change differs. The influence of confining pressure has a different character and the decrease in permeability is stronger due to the increasing confining pressure.

Przepuszczalność węgla, oprócz pojemności sorpcyjnej względem metanu jest głównym parametrem określającym dopływ metanu do podziemnych wyrobiskach górniczych. W warunkach naturalnych wartość przepuszczalności jest ściśle związana ze stanem naprężenia w pokładzie węgla. W pracy przedstawiono wyniki pomiarów przepuszczalności wykonanych w trójosiowym stanie naprężenia. Hydrostatyczny trójosiowy stan naprężenia stopniowo zwiększano od 5 MPa do maksymalnie 30 MPa z krokiem wynoszącym 5 MPa. Maksymalne ciśnienie hydrostatyczne odpowiada ciśnieniu hydrostatycznemu jakie występuje w górotworze nienaruszonym na głębokości około 1200 m. Pomiary przeprowadzono z zastosowaniem azotu na czterech rodzajach rdzeni węglowych. Trzy z nich pochodziły z kopalń czeskich (ČSM, Paskov, František) a czwarty z polskiej kopalni „Zofiówka“. Własności węgli i miejsca ich pobrania zestawiono w tablicy 1. Dodatkowo, dla celów porównawczych wykonano pomiary przepuszczalności na materiale „wzorcowym” jakim są brykiety węglowe. Brykiety te wykonano metodą prasowania w urządzeniu pokazanym schematycznie na rys. 2. Własności brykietów zestawiono w tablicy 2, gdzie podano ich gęstości helowe, objętościowe oraz porowatości. Zmienność przepuszczalności wywołana zmianą naprężenia hydrostatycznego może być opisana równaniem empirycznym (3). Wartości przepuszczalności początkowej (dla σ = 0) oraz współczynników B z równania 3, dla różnych porowatości brykietów zestawiono w tablicy 3. Zaletą eksperymentów na brykietach węglowych jest ich powtarzalność. Zmienności przepuszczalności wywołane obciążeniem hydrostatycznym próbek, dla brykietów węglowych oraz rdzeni pokazano na wykresach z rysunku 4. W przypadku rdzeni węglowych zmienność przepuszczalności jest znacznie większa, co wynika prawdopodobnie z występowania szczelin i spękań widocznych na rys 1. Szczeliny te, jako główne drogi transportowe dla gazu przy niskich obciążeniach ulegają zaciśnięciu i część transportu gazu przenosi się do przestrzeni porowej.