滲透劑溶液對(duì)瓦斯解吸促進(jìn)作用的實(shí)驗(yàn)研究

張國(guó)華， 梁 冰， 畢業(yè)武， 蒲文龍

(1.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150027; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

滲透劑溶液對(duì)瓦斯解吸促進(jìn)作用的實(shí)驗(yàn)研究

張國(guó)華1，2， 梁 冰2， 畢業(yè)武1， 蒲文龍1

(1.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150027; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為提高瓦斯解吸效率，利用自主設(shè)計(jì)的瓦斯解吸測(cè)定裝置，進(jìn)行外液后置侵入過(guò)程中的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，分析了純水和0.025%滲透劑溶液侵入后含瓦斯煤的瓦斯解吸規(guī)律。結(jié)果表明:滲透劑溶液能夠促進(jìn)瓦斯解吸，而純水作用不明顯;外液侵入后瓦斯快速解吸集中在前10 min之內(nèi)，而后逐步變緩并趨于終止。該研究對(duì)解決工作面瓦斯抽采與回采之間的時(shí)間制約問(wèn)題具有一定的參考價(jià)值。

瓦斯;解吸;滲透劑溶液

瓦斯抽采技術(shù)是預(yù)防瓦斯災(zāi)害的有效方法之一，在高瓦斯礦井和高瓦斯回采工作面得到了普遍推廣與應(yīng)用［1－7］。由于預(yù)采煤體的瓦斯抽采效果需要一定的時(shí)間作保證，與正?；夭蓵r(shí)間相互制約，致使抽采時(shí)間不足，從而使回采期間工作面瓦斯超限，在一定程度上影響了瓦斯抽采技術(shù)的推廣與應(yīng)用。其根本原因就在于含瓦斯煤中的瓦斯解吸效率偏低。

煤層氣勘探與開采界有一條被公認(rèn)的規(guī)律，即“有水則無(wú)瓦斯”［8］，意指勘探區(qū)域若存在大量水，則在該區(qū)域不存在瓦斯或存在的瓦斯很少。這說(shuō)明地下水對(duì)吸附瓦斯有“競(jìng)位置換”作用，徑流水對(duì)瓦斯具有排擠、驅(qū)動(dòng)、攜帶作用。這無(wú)疑給我們一個(gè)啟示，即對(duì)于原始含瓦斯煤體，若有外液后置侵入，將會(huì)對(duì)原處于吸附平衡狀態(tài)的瓦斯產(chǎn)生置換脫附作用，進(jìn)而促使瓦斯快速解吸與運(yùn)移。這對(duì)提高瓦斯解吸效率具有積極作用。據(jù)此，筆者通過(guò)滲透劑溶液侵入過(guò)程中瓦斯解吸規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，探討了純水和0.025%滲透劑溶液在不同瓦斯壓力水平下，向含瓦斯煤體侵入過(guò)程中的瓦斯解吸規(guī)律，為依托注入外液提高瓦斯解吸效率的研究提供參考，同時(shí)為瓦斯抽采技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了支持。

1 實(shí)驗(yàn)條件與操作過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1.1 樣品

實(shí)驗(yàn)樣品由煤樣和外液兩部分組成。煤樣取自黑龍江龍煤控股集團(tuán)七臺(tái)河分公司桃山煤礦一采區(qū)85#層高瓦斯工作面，煤種為1/3焦煤，工業(yè)分析結(jié)果如表1所示，用量為2 kg。外液分別采用純水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%的JFC滲透劑溶液，其用量均為500 mL。實(shí)測(cè)煤層原始瓦斯壓力為2.2 MPa，溫度為17℃。

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industry analysis result of coal sample %

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行兩組，每組分別測(cè)定瓦斯平衡壓力為2.5、2.0、1.5、1.0、0.5 MPa時(shí)的瓦斯解吸情況。環(huán)境溫度為17℃。

1.1.2 裝置

結(jié)合含瓦斯煤中瓦斯所處的原始環(huán)境狀態(tài)，確定實(shí)驗(yàn)應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)條件:一是含瓦斯煤體必須處于瓦斯吸附平衡狀態(tài);二是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)因外液的侵入而改變實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)含瓦斯煤所處的環(huán)境壓力;三是外液的侵入對(duì)含瓦斯煤體中的瓦斯不具有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作用。

基于上述條件，自主研發(fā)了外液侵入條件下含瓦斯煤的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。該裝置主要由真空泵、高壓連接軟管、控制閥、壓力表、參照缸、樣品缸、內(nèi)置外液聯(lián)動(dòng)裝置等構(gòu)成。其中，條件二和條件三依托內(nèi)置外液聯(lián)動(dòng)裝置(圖2)實(shí)現(xiàn)。該裝置由裝液缸、均布擴(kuò)散器、托架組成，利用液體自重并通過(guò)傾斜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)外液侵入。其原理是:在裝液缸中裝入配置好的外液，在煤樣瓶中裝入實(shí)驗(yàn)煤樣，并按照?qǐng)D2將煤樣瓶、均布分散器、裝液缸分別放置在托架下部、中部、上部，然后將整個(gè)內(nèi)置外液聯(lián)動(dòng)裝置放在樣品缸內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)需要使外液侵入含瓦斯煤體時(shí)，只要使內(nèi)置外液聯(lián)動(dòng)裝置連同樣品缸一起傾斜一個(gè)角度，球形控制閥門便會(huì)自動(dòng)打開，外液就會(huì)沿著裝液缸底部的孔進(jìn)入均布分散器內(nèi)部，然后通過(guò)均布分散器底部更小的孔均勻地淋灑在煤樣上，從而實(shí)現(xiàn)外液侵入。為避免內(nèi)置外液聯(lián)動(dòng)裝置在密閉空間的壓力作用下產(chǎn)生變形，采用剛性材質(zhì)。

1.2 操作過(guò)程

利用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行外液侵入過(guò)程中的含瓦斯煤體瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)，操作過(guò)程如下:

(1)制備實(shí)驗(yàn)樣品，為使煤樣盡可能保留原有的孔隙和裂隙，其粒度設(shè)定為20～30 mm。

(2)將整個(gè)內(nèi)置外液聯(lián)動(dòng)裝置按圖2連接后，將外液、煤樣等裝入相應(yīng)的容器內(nèi)，整體置入樣品缸內(nèi)，而后按照?qǐng)D1進(jìn)行系統(tǒng)連接，并檢查系統(tǒng)的氣密性，以保證實(shí)驗(yàn)在密閉條件下進(jìn)行。

(3)參照GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》中高壓容量法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程［9］，通過(guò)真空泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行真空脫氣，而后注入氦氣并測(cè)量樣品缸內(nèi)煤樣的體積以及自由空間的體積。

(4)再次進(jìn)行真空脫氣，而后注入甲烷，經(jīng)過(guò)24 h使樣品缸內(nèi)瓦斯吸附達(dá)到平衡狀態(tài)，平衡后的壓力記為p0。

(5)將樣品缸傾斜一個(gè)角度，使內(nèi)置外液聯(lián)動(dòng)裝置的球形控制閥打開，將外液淋灑到煤樣上，然后通過(guò)樣品缸上的壓力表分別記錄不同時(shí)間點(diǎn)的壓力值pi，并計(jì)算煤樣在不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)的瓦斯解吸量，即

式中:Δv為單位質(zhì)量煤所解吸出來(lái)的瓦斯量，cm3/g; Vm為甲烷氣體的摩爾體積，取22.4×103cm3/mol; m為煤樣質(zhì)量，g;V為樣品缸內(nèi)自由空間的體積，cm3;R為氣體常數(shù)，R=8.735［10］，量綱1;T為實(shí)驗(yàn)溫度，K;Zi、Z0分別為pi和p0壓力時(shí)所對(duì)應(yīng)的甲烷氣體壓縮因子。每次實(shí)驗(yàn)，從外液侵入時(shí)開始記錄，整個(gè)記錄時(shí)間持續(xù)4 h。

(6)繪制瓦斯解吸量與時(shí)間關(guān)系曲線并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。在無(wú)外液侵入的條件下含瓦斯煤中的瓦斯處于吸附平衡狀態(tài)，故樣品缸內(nèi)的瓦斯壓力會(huì)始終保持不變。當(dāng)有外液侵入時(shí)，外液分子與瓦斯氣體分子在煤表面進(jìn)行競(jìng)位吸附，若此時(shí)樣品缸內(nèi)的壓力保持不變，表明瓦斯氣體分子在競(jìng)位吸附時(shí)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，外液不對(duì)瓦斯解吸產(chǎn)生影響。若外液分子在競(jìng)爭(zhēng)吸附位時(shí)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，則樣品缸內(nèi)瓦斯壓力增加，吸附瓦斯產(chǎn)生解吸。這一規(guī)律可通過(guò)瓦斯解吸量與時(shí)間關(guān)系曲線直接反映出來(lái)。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

除外液為純水時(shí)壓力在各時(shí)刻幾乎不變外，其他滲透劑溶液侵入條件下壓力均發(fā)生了不同程度的變化。依據(jù)瓦斯解吸量計(jì)算公式獲得了不同壓力水平時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)的瓦斯解吸量，如表2所示。根據(jù)表2，可獲得0.025%滲透劑溶液侵入后，含瓦斯煤在不同瓦斯平衡壓力下的瓦斯解吸對(duì)比曲線，如圖3所示。

2.2 瓦斯解吸規(guī)律

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及瓦斯解吸變化曲線可知:

(1)在純水侵入后，不同平衡壓力條件下含瓦斯煤體未發(fā)生明顯的瓦斯解吸現(xiàn)象，而在0.025%滲透劑溶液侵入后，則存在瓦斯解吸現(xiàn)象，總體表現(xiàn)為液體分子在與瓦斯氣體分子競(jìng)爭(zhēng)吸附位時(shí)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，存在促進(jìn)瓦斯解吸脫附的液置氣現(xiàn)象。

表2 滲透劑溶液侵入后含瓦斯煤的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Gas desorption experimental data of coal with gas after concentration penetrant solution invasion

(2)滲透劑溶液對(duì)瓦斯解吸的促進(jìn)效果與所處的瓦斯平衡壓力水平有關(guān)。瓦斯平衡壓力水平越高，瓦斯解吸促進(jìn)效果越明顯。

(3)滲透劑溶液侵入后，在開始10 min內(nèi)對(duì)瓦斯解吸的促進(jìn)效果最為明顯，而后逐步減緩并最終停止，其停止時(shí)間整體上隨著瓦斯平衡壓力水平的降低而縮短。這表明滲透劑溶液侵入對(duì)瓦斯解吸的促進(jìn)作用僅發(fā)生在有限的時(shí)間之內(nèi)。

結(jié)合吸附原理［11］，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷，外液侵入對(duì)瓦斯解吸的促進(jìn)作用主要源于兩個(gè)方面:一是對(duì)于大孔隙和裂隙表面，外液的侵入使原本處于吸附狀態(tài)的瓦斯分子在競(jìng)爭(zhēng)吸附位上產(chǎn)生置換，進(jìn)而脫附解吸;二是對(duì)于中孔和微孔，外液的侵入在孔隙端部產(chǎn)生自然毛細(xì)現(xiàn)象，在毛細(xì)靜力驅(qū)動(dòng)作用下，孔內(nèi)瓦斯向另一端移動(dòng)并外排，進(jìn)而促進(jìn)了瓦斯的流動(dòng)。純水的表面張力大、浸潤(rùn)性差，在與煤表面接觸時(shí)未形成浸潤(rùn)鋪展效應(yīng)，因此其侵入后對(duì)瓦斯解吸的促進(jìn)作用不明顯。相反，加入滲透劑后，水的表面張力大大降低，對(duì)煤的浸潤(rùn)性提高，在與煤表面接觸時(shí)容易形成鋪展效應(yīng)，因此，對(duì)煤體表面吸附瓦斯分子所產(chǎn)生的競(jìng)位吸附置換作用明顯。

通過(guò)外液侵入過(guò)程中瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)研究可獲得如下啟示:為了提高含瓦斯煤中的瓦斯解吸效率，從根本上解決工作面瓦斯抽采與回采在時(shí)間上的相互制約問(wèn)題，可以在瓦斯抽采的后期向含瓦斯煤層中注入滲透劑溶液，一方面利用滲透劑溶液對(duì)瓦斯氣體分子在大孔隙和裂隙表面的競(jìng)位吸附作用促使吸附瓦斯加速脫附解吸，同時(shí)利用滲透劑溶液侵入后在中孔和微孔端部產(chǎn)生的毛細(xì)靜力驅(qū)動(dòng)作用促使瓦斯自然移動(dòng)和外排;另一方面利用外液注入過(guò)程中液體的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作用使孔隙中的瓦斯產(chǎn)生定向移動(dòng)［12］。在競(jìng)位脫附、毛細(xì)靜力驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)三者的綜合作用下，共同促使含瓦斯煤中的瓦斯快速解吸與運(yùn)移，以此提高瓦斯的解吸效率。當(dāng)然，在外液侵入并促使瓦斯快速解吸之后，會(huì)在煤體孔隙中產(chǎn)生水鎖效應(yīng)［13］，從而縮短瓦斯抽采的終止時(shí)間，但同樣可利用這一水鎖效應(yīng)防治因工作面提前停止抽采而造成的工作面瓦斯超限。

3 結(jié)論

(1)向含瓦斯煤體注入滲透劑溶液，能夠促進(jìn)瓦斯的解吸。比較而言，純水對(duì)瓦斯的解吸促進(jìn)作用不明顯。

(2)滲透劑溶液對(duì)含瓦斯煤體中的瓦斯解吸促進(jìn)作用只發(fā)生在一段時(shí)間之內(nèi)，之后逐步停止，快速解吸集中在前10 min以內(nèi)。

(3)生產(chǎn)中以滲透劑溶液代替純水并高壓注入含瓦斯煤體，利用外液對(duì)瓦斯的競(jìng)位脫附、毛細(xì)靜力驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)三者的共同作用，促使瓦斯快速解吸與運(yùn)移，以此提高瓦斯抽采效率。

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Experiment on penetrant solution’s promoter action on gas desorption

ZHANG Guohua1，2， LIANG Bing2， BI Yewu1， PU Wenlong1
(1.College of Safety Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China; 2.College of Resources＆Environment Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China)

Aimed at improving gas desorption efficiency，this paper introduces the use of self-designed gas desorption experimental measuring device under external solution invasion for the experimental study of gas desorption during external solution invasion，and offers a summary of gas desorption law of coal with gas after water and 0.025%penetrant solution invasion.The results show that:penetrant solution invasion can improve gas desorption，without obvious pure water invasion;gas quick desorption is focused within 10 minutes，then gradually slows down and tends to be terminated.The study has some reference and application value for eliminating the mutual constraints in time between gas extraction and mining on coal face.

gas;desorption;penetrant solution

TD712.61

A

1671－0118(2011)04－0261－04

2011－07－02

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB201206－2)

張國(guó)華(1971－)，男，黑龍江省訥河人，教授，博士，研究方向:瓦斯災(zāi)害防治與瓦斯資源開采，E-mail:zgh710828131@163.com。

(編輯荀海鑫)