不同孔隙應力下瓦斯吸附與解吸初速率研究＊

鄔劍明 閆 凱 郭 凱

(太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西省太原市,030034)

1 前言

煤層中瓦斯的吸附與解吸是一個氣體動力學的過程。井下煤與瓦斯突出事故的發(fā)生機理是:受采動擾動的影響,瓦斯瞬時解吸的初速度較大,大量氣體與煤塵涌出時產(chǎn)生的氣相應力突破煤層本身的體積應力,瞬間爆發(fā)出來,造成煤與瓦斯的突出。之前有學者從事過瓦斯吸附與放散的初速率研究,但沒有明確給出具體的數(shù)據(jù)來證實孔隙應力與初速率的關系,例如文獻3概括了瓦斯吸附的速率效應,并得出常溫下長時間的吸附過程是非線性的;文獻4對瓦斯放散的初速率進行了初步的研究,通過對不同埋深下煤層的放散初速率研究,得出了瓦斯放散初速率與煤深存在一定的關系,但沒有詳細給出具體的參數(shù)。因此,本文以煤中不同的瓦斯孔隙應力為出發(fā)點,研究吸附與解吸的初速率與孔隙應力的關系,得出的結(jié)論對于預測深部礦井的煤與瓦斯突出具有理論參考價值。

2 實驗研究

2.1 實驗設備和采集煤樣

本實驗的煤樣選自潞安屯留煤礦,煤樣為貧煤,揮發(fā)分為15%,水分為0%。本實驗選用的實驗裝置如圖1所示。

2.2 實驗過程

采用實驗室模擬實際地層中煤層的實驗方法,在實驗室允許的條件下模擬實際礦井的瓦斯賦存情形。采用高壓密閉容量法,對吸附初速率和解吸初速率測定,首先將煤樣干燥放入吸附儀中,設定不同的瓦斯初始壓力向吸附儀中注入瓦斯氣體,注氣時間定為5 s,時間太短容易產(chǎn)生較大的誤差,對初速率的分辨性差,而時間太長不利于測定吸附起始時的吸附能力,關閉注氣閥門后測定此時的注氣量與煤樣中的游離瓦斯量,二者之差即是吸附量,與注氣時間之比是吸附初速率。

圖1 試驗裝置示意圖

對于解吸初速率的測定,與吸附相同,只是首先給定不同的注氣量與吸附時間,使煤樣在不同的平衡壓力下吸附平衡,吸附時間定為24 h,確保吸附完全,吸附過后開始解吸,解吸時間同樣定為5 s,采用排水取氣法收集解吸時產(chǎn)生的氣體,此時的解吸量與解吸時間之比即為解吸初速率。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對于孔隙應力采用0.5～2.5 MPa的范圍,每隔0.5 MPa為1個平衡點,這樣就得到5個不同的應力平衡點。計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同孔隙應力下的吸附與解吸量

吸附初速率與解吸初速率在不同孔隙應力下的變化規(guī)律如圖2和圖3所示。

圖2 不同孔隙應力下的吸附初速率

圖3 不同孔隙應力下的解吸初速率

經(jīng)擬合,孔隙應力與吸附和解吸初速率的線性關系式如式(1)、式(2)。

式中:v吸附——瓦斯吸附初速率,L/s;

v解析——瓦斯解析初速率,L/s;

P——煤層孔隙應力,MPa。

由圖2和圖3的擬合結(jié)果可知,擬合相關度基本在99%以上,孔隙應力與吸附和解吸的初速率呈線性關系,即隨著孔隙應力的上升,初速率也隨之增大。對比表1中同等孔隙應力下的吸附與解吸值發(fā)現(xiàn),除了0.5 MPa結(jié)果相近以外,其余4種情況中的解吸量均大于吸附量,而且是呈一定比例的提高,這說明吸附與解吸不是一個可逆的過程,以此實驗結(jié)果為例,同等條件下解吸能力大于吸附能力,這在微觀上的解釋是,同等孔隙應力下,解吸時的壓力梯度要大于吸附時的壓力梯度。

2.4 結(jié)果討論

由數(shù)據(jù)分析可知,吸附和解吸的初速率均與煤樣的孔隙應力成正比,而煤體的孔隙應力與煤的埋藏深度及煤的變質(zhì)程度均成正比,埋藏越深、煤的變質(zhì)程度越高,煤的孔隙應力越大。此結(jié)果與實際地層中煤層一致,說明井下發(fā)生煤與瓦斯突出事故的機率與開采層的深度成正比,實際情況亦如此。如大同煤田所屬礦區(qū),由于可采深度大多在200～400 m,埋深較淺,且所產(chǎn)煤種多為優(yōu)質(zhì)動力煤,變質(zhì)程度較低,因此自開采以來,沒有發(fā)生過煤與瓦斯突出事故,而淮南地區(qū)的礦區(qū),現(xiàn)行可采深度達到了1000 m,所產(chǎn)煤種是無煙煤,變質(zhì)程度高,近年來經(jīng)常發(fā)生煤與瓦斯突出事故,且多數(shù)礦井被鑒定為雙突礦井。

前人所做的相關研究亦可說明本研究得出結(jié)論的科學性、正確性。文獻8、9均得出礦井的煤與瓦斯突出與礦井開采深度有關的 結(jié)論;當前較多采用的煤與瓦斯突出預測指標量中就有對于瓦斯壓力的測定。因此本實驗研究所得出的結(jié)論可以反映實際問題的。

3 結(jié)論

運用相似模擬的測試技術進行實驗研究,結(jié)果表明,吸附與解吸的初速率與孔隙應力成正比,且相同的實驗時間內(nèi),瓦斯在煤中的解吸能力要強于吸附能力。經(jīng)擬合證明,吸附與解吸的初速率和煤體的孔隙應力呈線性關系。以上結(jié)論的得出,對礦井的煤與瓦斯突出預測具有理論參考價值。

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