水鎖抑制工作面瓦斯超限機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究*

王占立，劉 丹，徐元華，林可拙

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱150027;2.演馬莊礦，焦作454000)

0 引 言

在中國煤礦開采中，高瓦斯回采工作面和掘進(jìn)工作面瓦斯超限非常普遍，特別是隨著開采深度、開采強(qiáng)度的增加，瓦斯超限現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生［1-3］。瓦斯超限極大地限制煤礦生產(chǎn)能力的發(fā)揮，采掘工作面因難以將瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶詢?nèi)而不得不減慢采、掘速度，在很大程度上限制煤礦生產(chǎn)能力的發(fā)揮。因此，在當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)條件下，瓦斯災(zāi)害治理的好壞已成為制約煤礦發(fā)展的關(guān)鍵，而防治工作面瓦斯超限、減少瓦斯涌出量是煤礦瓦斯災(zāi)害防治的重點(diǎn)。但從目前研究報(bào)道來看，中國在減少回采工作面瓦斯超限問題方面取得一定的成績［4-11］，但仍存在著一些缺陷和不足，雖在礦井實(shí)踐治理上取得了一定成果，但未從根本上解決礦井瓦斯超限問題，忽略了對開采過程中減少煤層瓦斯含量，阻止瓦斯釋放，防治瓦斯超限機(jī)理方面的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。

張國華等教授［12-16］把石油和天然氣開采領(lǐng)域中的水鎖效應(yīng)運(yùn)用到礦山領(lǐng)域，提出水鎖瓦斯理論。利用水鎖防止工作面瓦斯超限尚屬一個(gè)新方向，因此，深入研究抑制煤層瓦斯超限的機(jī)理，探索出利用水鎖防止工作面瓦斯超限的方法，對指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。據(jù)此，筆者通過實(shí)驗(yàn)專門研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液水鎖效應(yīng)對含瓦斯煤中瓦斯解吸量的影響，進(jìn)而提出抽采+水鎖或采前向煤體注液形成水鎖的方法來抑制瓦斯釋放量和瓦斯釋放速度，進(jìn)而解決回采工作面存在的瓦斯超限問題。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

文中實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)裝置為水鎖抑制含瓦斯煤吸附解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1 所示，該裝置主要由以下5 個(gè)部分組成

1)參照缸和樣品缸以及管路系統(tǒng):該部分為整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的主體，樣品缸和參照缸均為耐高壓的壓力容器;

2)內(nèi)置外液聯(lián)動裝置:該部分裝置置于樣品缸中，為煤樣注入抑制液的內(nèi)外聯(lián)動裝置;

3)測量計(jì)量系統(tǒng):由高精度壓力表、溫度傳感器組成，實(shí)現(xiàn)溫度和壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制;

4)高壓供氣系統(tǒng):給系統(tǒng)供給高壓甲烷氣的是壓力為14 MPa 的甲烷氣鋼瓶(99.99%);

5)真空系統(tǒng):真空系統(tǒng)由真空泵、真空計(jì)、管路等組成，由管路上的控制閥控制脫氣。

圖1 水鎖抑制含瓦斯煤吸附解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of experimental system in water-blocking effect on methane desorption

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶劑水鎖效應(yīng)下瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)研究，其基本操作過程如下。

1.2.1 試樣準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)的主要樣品采用20 ～30 mm 的塊狀煤樣，盛取2 000 g 試樣放入樣品缸中，煤樣裝入缸中要輕敲振平，應(yīng)盡量裝滿壓實(shí)，以減少缸內(nèi)死空間。裝好煤樣的樣品缸要旋緊固緊螺釘，并用高壓氣體充入檢查氣密性，充入氣體壓力應(yīng)高于試驗(yàn)壓力，將充有高壓氣體的吸附缸置于水中檢查，各接頭位置及高壓閥口不應(yīng)有氣泡出現(xiàn)。

1.2.2 試樣真空脫氣

將經(jīng)過氣密性檢查的樣品缸緩緩打開高壓閥門，放掉高壓氣體后與真空泵連接，進(jìn)行脫氣，直到真空表顯示-0.1 MPa 達(dá)2 h 停止脫氣。

1.2.3 試樣瓦斯吸附平衡

脫氣結(jié)束后，擰開高純(濃度99.9%)高壓瓦斯鋼瓶閥門和樣品缸閥門，使高壓瓦斯鋼瓶與樣品缸連通，當(dāng)缸內(nèi)瓦斯壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需值時(shí)，迅速關(guān)閉閥門，讀取樣品缸穩(wěn)定壓力值、室溫和大氣壓力。煤樣吸附平衡時(shí)間控制在48 h 以上，以期達(dá)到充分吸附平衡。

1.2.4 降壓解吸

準(zhǔn)備好溫度計(jì)和計(jì)時(shí)秒表，測定并記錄氣溫和氣壓，為了模擬抽采過程中的瓦斯解吸情況，打開樣品缸的控制閥，放出煤樣罐內(nèi)的游離瓦斯使樣品缸內(nèi)瓦斯壓力降到3.5 MPa，然后關(guān)閉控制閥，開始2 h 內(nèi)以10 min 為間隔，依次記錄樣品缸內(nèi)的瓦斯壓力，后8 h 則以20 min 為間隔，依次記錄樣品缸內(nèi)的瓦斯壓力，整個(gè)解吸時(shí)間持續(xù)10 h，然后按下式計(jì)算得出不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)的瓦斯解吸量。

式中 ΔV 為單位質(zhì)量煤所解吸出來的瓦斯量，cm3/g;Vf甲烷氣體的摩爾體積，22. 4 ×103cm3/mol;M 為煤樣的總質(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 J/mol. K;T為實(shí)驗(yàn)溫度，k;P1，P0分別為樣品缸內(nèi)記錄時(shí)間點(diǎn)的壓力和降點(diǎn)壓力，MPa;Z1，Z0分別為P1和P0壓力時(shí)所對應(yīng)的甲烷氣體壓縮因子。

然后再依次打開控制閥使樣品缸內(nèi)瓦斯壓力分別降到3.0，2.5，1.5，1.0 MPa 同樣按上述過程每隔10 min 記錄一次樣品缸內(nèi)瓦斯壓力，每個(gè)壓力點(diǎn)的解吸持續(xù)時(shí)間均為10 h，然后分別按上式計(jì)算出不同時(shí)間點(diǎn)的瓦斯解吸量。

1.2.5 噴灑外液

在進(jìn)行噴灑水和0.025%JFC 滲透劑溶液對比實(shí)驗(yàn)時(shí)，要在煤樣充分吸附平衡后，啟動內(nèi)置外液聯(lián)動裝置進(jìn)行噴液，使外液充分浸潤煤樣后開始降壓解吸。此后步驟如(4)中所示。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測定與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測定

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)取演馬莊礦高瓦斯煤層煤樣為測試對象，以無外液侵入煤樣、水和0.025%的JFC 滲透劑溶液侵入煤樣在實(shí)驗(yàn)室恒溫裝置條件下進(jìn)行不同壓力點(diǎn)的瓦斯解吸速度的對比試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1 ～5.

表1 3.5 MPa 壓力下煤樣瓦斯隨時(shí)間變化的解吸量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 3.5 MPa

表2 3.0 MPa 壓力下煤樣瓦斯隨時(shí)間變化的解吸量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 3 MPa

表3 2.5 MPa 壓力下煤樣瓦斯隨時(shí)間變化的解吸量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 2.5 MPa

表4 1.5 MPa 壓力下煤樣瓦斯隨時(shí)間變化的解吸量統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 1.5 MPa

表5 1.0 MPa 壓力下煤樣瓦斯隨時(shí)間變化的解吸量統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 1.0 MPa

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及瓦斯解析量結(jié)算公式得出不同壓力下煤樣的解吸量，見表6.

表6 不同壓力下煤樣的解吸量統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Statistics of the gas desorption amount in different pressure

從表6 不同壓力下煤樣的解吸量可得出不同壓力下煤樣的解吸量解吸曲線圖，如圖2 所示。

圖2 不同壓力點(diǎn)下煤樣的解吸量曲線圖Fig.2 Curve of the gas desorption amount in different pressure

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和煤樣的解吸量曲線可知

1)無論有無外液侵入，含瓦斯煤體的瓦斯壓力越大，其瓦斯解吸量越大;

2)在實(shí)驗(yàn)的高壓力段2.0 ～3.5 MPa 之間，入侵滲透劑溶液的煤樣瓦斯解吸量比未入侵任何液體的原始煤樣相比要小很多。在此壓力段之間未噴灑任何液體的原始煤樣瓦斯解吸量是噴灑抑制劑煤樣瓦斯解吸量的5 ～9 倍，而噴灑水的煤樣瓦斯解吸量是噴灑抑制劑煤樣瓦斯解吸量的2 倍左右，特別是噴灑0.025%的JFC 滲透劑溶液的效果最好;

3)演馬莊礦高瓦斯煤層煤樣經(jīng)純水和0.025%的JFC 滲透劑溶液侵入后，和未侵入任何液體的原始煤樣相比，不同壓力點(diǎn)下的瓦斯解吸值都不同程度有所降低，特別是噴灑了0.025%的JFC 滲透劑溶液的瓦斯解吸的降低效果更好。從實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果看，與原煤樣比較，噴灑抑制劑溶液后，瓦斯解吸量遞減幅度平均為78.53%，最小遞減幅度也有70.14%，效果相當(dāng)明顯。即使與純水作用的煤樣比較，瓦斯解吸量遞減幅度也平均達(dá)到35.16%;

4)經(jīng)過整個(gè)降壓解吸實(shí)驗(yàn)，未侵入液體的原始煤樣的瓦斯解吸總量為18.88 cm3/g，侵入純水的煤樣瓦斯解吸總量為5.03 cm3/g，侵入0.025%的JFC 滲透劑溶液的煤樣瓦斯解吸總量為2.69 cm3/g.這說明純水和0.025%的JFC 滲透劑在瓦斯解吸過程中起到了水鎖封堵瓦斯涌出的作用，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了抑制劑具備快速浸潤作用，能在短時(shí)間內(nèi)形成對煤瓦斯解吸的水鎖封堵效果，這對防止工作面瓦斯?jié)舛瘸蘧哂泻芎玫慕梃b作用。

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了滲透劑溶液具備快速浸潤作用，能在短時(shí)間內(nèi)形成對煤瓦斯解吸的水鎖封堵效果，這對防止工作面瓦斯?jié)舛瘸蘧哂泻芎玫慕梃b作用。

1)對于瓦斯含量比較高、瓦斯壓力比較大的煤礦煤層而言，利用抽采和水鎖的方法防治工作面的瓦斯超限問題，通過預(yù)抽將煤層內(nèi)的瓦斯壓力降到某一壓力之后，再利用瓦斯抽采鉆孔向煤層注入滲透劑形成水鎖。

2)對于瓦斯含量較低、瓦斯壓力不大的煤層，可采取采前直接向煤層注滲透劑溶液形成水鎖和工作面落煤過程中噴灑滲透劑溶液形成水鎖。

References

［1］ 程遠(yuǎn)平.中國煤礦區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(4):383 -390.CHENG Yuan-ping.Development of regional gas control technology for Chinese coal mines［J］.Journal of Mining＆ Safety Engineering，2007，24(4):383 -390.

［2］ 劉俊峰，王國法.大采深、大傾角煤層綜采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(3):352-355.LIU Jun-feng，WANG Guo-fa.Strata behavior complexity in large mining depth and high inclined seam［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2007，27(3):352 -355.

［3］ 于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.YU Bu-fan.Mine gas hazard prevention and use technical manuals［M］.Beijing:Coal Industry Press，2005.

［4］ 趙 東，馮增朝.高壓注水對煤體瓦斯解吸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(3):547 -555.ZHAO Dong，F(xiàn)ENG Zeng-chao. Experimental study of effects of high pressure water injection on desorption characteristic of coalbed methane［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(3):547 -555.

［5］ 馬東民. 煤層氣吸附解吸機(jī)理研究［D］. 西安:西安科技大學(xué)，2008.MA Dong-min. Research on the adsorption and desorption mechanism of coalbed methane［D］. Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2008.

［6］ 疏壯志，杜志敏，劉建儀.碳酸鹽裂縫性水驅(qū)氣藏水鎖實(shí)驗(yàn)研究［J］.天然氣工業(yè)，2004，24(6):89 -92.SHU Zhuang-zhi，DU Zhi-min，LIU Jian-yi. Water lock experiments of carbonate fractured gas reservoirs with water drive［J］. Natural Gas Industry，2004，24(6):89-92.

［7］ 王兆豐，李曉華，戚靈靈，等.水分對陽泉3 號煤層瓦斯解吸速度影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 煤礦安全，2010(7):1 -3.WANG Zhao-feng，LI Xiao-hua，QI Ling-ling，et al. The study of the moisture effect on gas desorption speed of Yangquan No.3 coal seam［J］. Safety in Coal Mines，2010(7):1 -3.

［8］ 代志旭.高壓水力壓裂技術(shù)在瓦斯綜合治理中的研究與應(yīng)用［J］.煤炭工程，2010(12):82 -84.DAI Zhi-xu. Research and application of high pressure hydraulic frac-turing technology to mine gas comprehensive control［J］.Coal Engineering，2010(12):82 -84.

［9］ 王宏圖，杜云貴.地球物理場中的煤層瓦斯?jié)B流方程［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)2002，21(5):644 -646.WANG Hong-tu，DU Yun-gui. Seepage equation of coal bed gas in geophysical field［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(5):644 -646.

［10］肖知國，王兆豐.煤層注水防治煤與瓦斯突出機(jī)制的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(10):150 -159.XIAO Zhi-guo，WANG Zhao-feng.Status and progress of studies on mechanism of preventing coal and gas outburst by coal-seam infusion［J］. China Safety Science Journal，2009，19(10):150 -159.

［11］郭紅玉，蘇現(xiàn)波. 煤層注水抑制瓦斯涌出機(jī)制研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(6):928 -931.GUO Hong-yu，SU Xian-bo.Research on the mechanism of gas emission inhibition in water-flooding coal seam［J］.Journal of China Coal Society，2010，35(6):928 -931.

［12］張國華，魯 婷，梁 冰，等.基于水鎖機(jī)理的瓦斯超限防治理論［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20(2):103 -106.ZHANG Guo-hua，LU Ting，LIANG Bing，et al. Theory on preventing and controlling gas exceeding limit based on water lock mechanism［J］. Journal of Heilongjiang Institute of Science and Technology，2010，20(2):103-106.

［13］張國華.滲透劑溶液水鎖效應(yīng)對瓦斯解吸影響實(shí)驗(yàn)研究［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2011，29(22):45 -48.ZHANG Guo-hua. Impact of penetrant solution water lock effection on gas desorption［J］.Science ＆ Technology Review，2011，29(22):45 -48.

［14］秦文貴，張延松.煤孔隙分布與煤層注水增量的關(guān)系［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(5):514 -517.QIN Wen-gui，ZHANG Yan-song.Relation of pore distribution of coal with water infusion increment in seams［J］.Journal of China Coal Society，2000，25(5):514 -517.

［15］聶百勝，何學(xué)秋.磁化水在煤層注水中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，26(1):1 -3.NIE Bai-sheng，HE Xue-qiu. Application of magnetized water in coal seam water infusion［J］.Journal of Liaoning Technical University:Natural Science Edition，2007，26(1):1 -3.

［16］張國華.滲透劑溶液侵入對瓦斯解吸速度影響實(shí)驗(yàn)研究［J］. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41(2):200 -204.ZHANG Guo-hua.Experimental study of penetrant solution effects on gas desorption［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2012，41(2):200 -204.