不同注水壓力條件影響含瓦斯煤解吸特性實(shí)驗(yàn)研究

陳學(xué)習(xí)，張 凱，張 亮，胡金濤,2

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

不同注水壓力條件影響含瓦斯煤解吸特性實(shí)驗(yàn)研究

陳學(xué)習(xí)1，張 凱1，張 亮1，胡金濤1,2

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

為了研究不同注水壓力條件影響含瓦斯煤的解吸特性，利用自主研制的高壓注水煤層氣恒溫解吸試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)含瓦斯煤在自然解吸和不同注水壓力條件下的解吸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了討論分析。結(jié)果表明：①加壓注水抑制了含瓦斯煤的解吸效應(yīng)，瓦斯累計(jì)解吸量和解吸速度均降低；②注水改變了煤體的孔隙結(jié)構(gòu)特征，總孔容、平均孔徑、孔隙率都出現(xiàn)顯著增大；③壓力水?dāng)U孔產(chǎn)生的毛細(xì)管力降低作用小于孔隙尺度變小產(chǎn)生的毛細(xì)管力增加作用，從而抑制了瓦斯解吸。

加壓注水；解吸量；解吸速度；孔隙結(jié)構(gòu)；機(jī)理分析

0 引言

煤層注水作為一種煤與瓦斯突出的防治措施，它是以高壓水作為防突介質(zhì)，可以起到防突和降塵的雙重功效，技術(shù)上有其優(yōu)越性[1]，但是在煤層注水防突機(jī)理的認(rèn)識(shí)上還存在較大分歧，其中一方面就表現(xiàn)在注水影響煤的解吸效應(yīng)方面。

近年來(lái)，針對(duì)煤層注水對(duì)瓦斯解吸特性的影響及機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。李平、牟俊慧[2-3]等認(rèn)為由于壓力水封堵了一部分瓦斯釋放的孔隙通道導(dǎo)致煤中瓦斯釋放速度變緩。郭紅玉[4]等提出了啟動(dòng)壓力梯度對(duì)注水抑制瓦斯解吸程度的描述。李曉華[5]等認(rèn)為水分會(huì)濕潤(rùn)煤體并產(chǎn)生濕潤(rùn)界面能，對(duì)吸附瓦斯產(chǎn)生封堵作用，從而抑制瓦斯解吸。肖知國(guó)[6]等通過實(shí)驗(yàn)和理論分析得出注水抑制瓦斯解吸的宏觀現(xiàn)象，并提出毛管力和賈敏效應(yīng)是抑制瓦斯解吸效應(yīng)的根本原因。趙東[7-8]等結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究了注水對(duì)煤體瓦斯解吸的影響規(guī)律，并結(jié)合臨界孔隙尺度的概念對(duì)影響的機(jī)制進(jìn)行了分析和討論。陳向軍[9-10]等通過自制的高壓注水?dāng)嚢鑼?shí)驗(yàn)裝置測(cè)試表明，總體上外加水對(duì)中高變質(zhì)程度煤的瓦斯解吸具有促進(jìn)作用，而對(duì)低變質(zhì)程度煤的瓦斯解吸具有抑制作用。

目前，對(duì)于壓力水影響含瓦斯煤解吸特性的研究多停留在抑制解吸的宏觀現(xiàn)象上，微觀機(jī)理的探索較少且還不夠深入，本文進(jìn)行了不同注水壓力條件下含瓦斯煤的解吸實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合理論分析討論壓力水影響含瓦斯煤解吸特性的機(jī)理，對(duì)研究注水防治煤與瓦斯突出機(jī)理有一定的借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

本次實(shí)驗(yàn)所用煤樣取自江西某礦區(qū)高變質(zhì)程度的無(wú)煙煤，在現(xiàn)場(chǎng)大塊取樣后立刻進(jìn)行蠟封，包裹完好運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室，加工成?50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)原煤柱，該原煤柱保留了煤體原有的孔裂隙，能夠較好地模擬原始煤層條件。實(shí)驗(yàn)開始前，先將煤樣放入鼓風(fēng)干燥箱中，在106℃下烘干6 h，保證煤中原有水分徹底蒸發(fā)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的是自主研制的高壓注水煤層氣恒溫解吸試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行所選煤樣在不同注水壓力下的解吸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示，主要由真空脫氣系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、吸附平衡系統(tǒng)、高壓注水系統(tǒng)和解吸測(cè)量系統(tǒng)組成。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

在利用高壓注水煤層氣恒溫解吸試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，均需進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)采用的是高壓氮?dú)夥▉?lái)檢驗(yàn)裝置的氣密性，然后對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的自由空間體積進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)定完畢后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)分4個(gè)階段進(jìn)行，(1)真空脫氣階段，開啟真空泵進(jìn)行脫氣2 h；(2)瓦斯吸附階段，向煤樣罐中充入一定壓力的高壓瓦斯氣體，當(dāng)煤樣罐中壓力值顯示達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需壓力并24 h無(wú)變化時(shí)，就認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到吸附平衡狀態(tài)；(3)加壓注水階段，打開手動(dòng)試壓泵，向煤樣罐中注水，待上端出口有水排出時(shí)，即可認(rèn)為水充滿整個(gè)罐體，然后關(guān)閉出水口，繼續(xù)加壓至指定注水壓力并保持12 h；(4)瓦斯解吸階段，卸載水壓后，打開集氣裝置進(jìn)行常壓解吸，解吸平衡的判定依據(jù)是解吸速率v≤10 mL/h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同注水壓力下煤樣的瓦斯解吸特性

將吸附平衡壓力設(shè)定在1.0 MPa對(duì)煤樣進(jìn)行吸附，吸附平衡后分別在自然解吸(干燥煤樣)、1.5 MPa、5 MPa、9 MPa注水壓力條件下進(jìn)行瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，瓦斯累計(jì)解吸量和解吸速度隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

由圖(2-1)可知，自然解吸煤樣和注水煤樣的瓦斯累計(jì)解吸量隨時(shí)間變化曲線形狀具有較好的一致性，都是單調(diào)遞增，且最終都趨向于一個(gè)穩(wěn)定值，其形狀與王佑安式[11]的曲線相似，因此可以用王佑安式來(lái)描述不同注水壓力下累計(jì)解吸量隨時(shí)間的變化關(guān)系，公式為：

Qt=ABt/(1+Bt)

(1)

式中：Qt為煤樣的瓦斯累計(jì)解吸量，mL/g；t為累計(jì)解吸時(shí)間，h；A為最大瓦斯解吸量，mL/g；B為解吸常數(shù)，h-1。

1—高壓氮?dú)馄浚?—高壓甲烷氣瓶；3—手動(dòng)試壓泵；4—煤樣罐；5—恒溫水浴；6—解吸測(cè)量裝置7—真空泵；8—壓力傳感器；9—精密壓力表；10,11—減壓閥；A～E—截止閥圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

圖2 不同注水壓力條件下累計(jì)解吸量和解吸速度隨時(shí)間的變化曲線

以解吸時(shí)間為橫坐標(biāo)，累計(jì)解吸量為縱坐標(biāo)進(jìn)行擬合，所得各參數(shù)如表1所示。結(jié)合圖(2-1)可以得出，注水煤樣的累計(jì)解吸量曲線始終處于自然解吸煤樣累計(jì)解吸量曲線下方，說(shuō)明注水煤樣的最大瓦斯解吸量(A值)小于自然解吸煤樣，且隨著注水壓力的增大，A值越來(lái)越小，與自然解吸煤樣相比，A值降低幅度越來(lái)越大，從20.02%到35.14%，由此可知，煤層注水后，能夠有效降低煤層瓦斯的最大解吸量，壓力水的侵入可以有效抑制瓦斯解吸。

表1 不同注水壓力下累計(jì)解吸量與時(shí)間變化曲線擬合結(jié)果

從圖(2-2)可以看出，注水煤樣和自然解吸煤樣的瓦斯解吸速度曲線均符合冪函數(shù)式：

Vt=at-b

(2)

式中：Vt為解吸速度，mL/(g·h)；t為時(shí)間，h；a，b為擬合系數(shù)。

以解吸時(shí)間為橫坐標(biāo)，解吸速度為縱坐標(biāo)，利用Origin軟件進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2和圖(2-2)可以得出，無(wú)論是否有壓力水侵入，含瓦斯煤的解吸速度均隨著時(shí)間的增加而降低；自然解吸煤樣相比于注水煤樣，初始解吸速度較大，衰減速度較快；注水煤樣隨著注水壓力的增大，a值緩慢單調(diào)遞減，從0.5040 mL/(g·h)下降到0.2680mL/(g·h)，降低比例從21.81%增加到58.42%，b值單調(diào)遞減，從1.3237降低到0.8539，降低比例從9.01%增加到35.49%，這表明注水使瓦斯初始解吸速度變小，衰減速度變慢。因此，煤層注水可以達(dá)到降低和延緩?fù)咚贯尫潘俣取⒔档兔簩油怀鑫ｋU(xiǎn)性的目的。

表2 不同注水壓力下解吸速度與時(shí)間變化曲線擬合結(jié)果

2.2 不同注水壓力下煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征

為了了解不同注水壓力下煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)參數(shù)，分析討論壓力水抑制含瓦斯煤解吸特性的影響機(jī)理，采用國(guó)內(nèi)外通用的壓汞法來(lái)測(cè)定煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征，本次實(shí)驗(yàn)采用的是由美國(guó)康塔公司生產(chǎn)的PoreMaster60RT-17型全自動(dòng)壓汞儀，可測(cè)定總孔體積、孔體積分布、孔表面積及其分布等參數(shù)。

解吸實(shí)驗(yàn)完成后，將原煤柱取出進(jìn)行破碎，然后放入真空干燥箱中干燥，確保水分完全蒸發(fā)，干燥完成后進(jìn)行篩分，取1～3 mm粒徑煤樣約1.5 g進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)。壓汞實(shí)驗(yàn)大致分為3個(gè)階段：低壓測(cè)試、高壓測(cè)試、數(shù)據(jù)導(dǎo)出與處理。根據(jù)進(jìn)汞、退汞曲線以及導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得到各煤樣的主要孔隙特征參數(shù)，見下表3。

表3 不同注水壓力煤樣主要孔隙特征參數(shù)

從表3可以看出，注入壓力水后，含水煤樣的總孔容、平均孔徑、孔隙率等參數(shù)和自然解吸煤樣相比都出現(xiàn)了不同程度的增大，并且隨著注水壓力的增大，各參數(shù)增加的幅度越來(lái)越大，這是由于注入壓力水之后，在壓力水動(dòng)力的條件下，會(huì)在煤體孔隙表面內(nèi)產(chǎn)生一定的張應(yīng)力，克服煤層本身破裂所需應(yīng)力后，就會(huì)對(duì)原有的煤層孔隙產(chǎn)生張開、擴(kuò)展和延伸作用，促進(jìn)了煤體內(nèi)孔裂隙的演化，同時(shí)也有可能在壓力水的沖蝕作用下形成新的孔隙[12]，從而導(dǎo)致煤樣的總孔容、平均孔徑、孔隙率隨著注水壓力的增大而增大。

3 注水影響含瓦斯煤解吸特性機(jī)理的分析和討論

通過煤層注水，壓力水在進(jìn)入煤層后，從原生裂隙通道中不斷壓裂貫通封閉狀態(tài)的孔隙進(jìn)入煤體，直到滲入細(xì)微孔隙中，其運(yùn)動(dòng)過程大致可以分為3個(gè)過程，即進(jìn)水過程、貯水過程和吸附水過程[13]。在以上運(yùn)動(dòng)過程中，主要受3種作用力：

一是注水壓力，是外在動(dòng)力，取決于泵注壓力。

二是孔隙、裂隙對(duì)水的毛細(xì)管力，是內(nèi)在動(dòng)力，主要取決于孔隙直徑、水的表面張力以及接觸角，計(jì)算公式為：

Pc=2σcosθ/r

(3)

式中：Pc為毛細(xì)管力，MPa；σ為表面張力，10-3N/m；θ為接觸角，(°)；r為孔隙半徑，nm。

三是煤體內(nèi)的瓦斯壓力，是注水阻力，其值并不完全等于瓦斯吸附平衡壓力，因?yàn)樽⑺^程實(shí)質(zhì)上是水在煤層中流動(dòng)的水—?dú)怛?qū)替過程[14]，隨著水驅(qū)氣過程的進(jìn)行，前端一定范圍內(nèi)的瓦斯氣體會(huì)被壓縮，導(dǎo)致局部瓦斯壓力的升高。

當(dāng)水壓卸載后，孔隙內(nèi)瞬時(shí)的瓦斯壓力會(huì)大于毛細(xì)管力，因此會(huì)推動(dòng)水流向注水相反的方向流動(dòng)，可以認(rèn)為是氣驅(qū)水過程，此時(shí)毛細(xì)管力為氣驅(qū)水過程的阻力，當(dāng)瓦斯壓力下降到與毛細(xì)管力相等時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，由于無(wú)法繼續(xù)驅(qū)替過程導(dǎo)致瓦斯被水封堵在煤體中。因此，毛細(xì)管阻力越大，被封堵在煤體中的瓦斯就越多，瓦斯的解吸量越少，解吸速度越慢。

通過上述的實(shí)驗(yàn)可知，加壓注水后改變了煤體原有孔隙結(jié)構(gòu)，由于壓力水的擴(kuò)孔作用，增大了煤樣的總孔容、平均孔徑和孔隙率，起到降低一定毛細(xì)管力作用，但是另一方面，隨著注水壓力的增加，壓力水進(jìn)入到煤體的孔隙尺度加深，孔隙半徑變小，毛細(xì)管力增加。擴(kuò)孔產(chǎn)生的毛細(xì)管力降低作用小于孔隙尺度減小產(chǎn)生的毛細(xì)管力增加作用[7,12]，導(dǎo)致水對(duì)瓦斯的抑制封堵作用越明顯，即注水抑制瓦斯解吸效應(yīng)越明顯。

4 結(jié)論

采用高變質(zhì)程度無(wú)煙煤，針對(duì)不同注水壓力條件，對(duì)煤體在自然解吸狀態(tài)和加壓注水后的瓦斯解吸規(guī)律進(jìn)行了測(cè)試，并結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)注水抑制瓦斯解吸特性的機(jī)理進(jìn)行了理論分析和討論，得出以下主要結(jié)論：

(1) 對(duì)含瓦斯煤體而言，在加壓注水后，降低了瓦斯累計(jì)解吸量并延緩了瓦斯的解吸速度，即注水抑制了含瓦斯煤的解吸效應(yīng)，且注水壓力越大，抑制解吸效應(yīng)越明顯。

(2) 加壓注水對(duì)本次實(shí)驗(yàn)用煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特征影響顯著，煤體的總孔容、平均孔徑、孔隙率都出現(xiàn)大幅增加。

(3) 高壓水侵入后，由于擴(kuò)孔產(chǎn)生的毛細(xì)管力降低作用小于孔隙尺度變小產(chǎn)生的毛細(xì)管力增加作用，導(dǎo)致水對(duì)瓦斯的抑制封堵作用明顯，即抑制瓦斯解吸效應(yīng)明顯。

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Experimental Study of Effects of Different Pressure Water Injection on DesorptionCharacteristic of Coal with Gas

CHEN Xue-xi1, ZHANG Kai1, ZHANG Liang1，HU Jin-tao1,2

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China；2.SchoolofEngergyandSafety,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,232001,China)

In order to study the effects of different pressure water injection on desorption characteristic of coal with gas, a series of experiments have been designed and conducted used independent research and development gas desorption experimental measuring device. And the effect mechanism was discussed and analysed combining pore structure. The results show that:①Pressure water injection has an inhibitory effect on gas desorption and can reduce gas desorption quantity and desorption velocity;②Water injection changes the pore structure characteristic of coal and makes pore volume, average pore diameter, porosity increase;③The reducing effect of capillary force generated by pressure water which expands pore is less than increasing effect from the decrease of pore size, which causes that the inhibitory effect on gas desorption is obvious.

pressure water injection；desorption quantity；desorption velocity；pore structure；mechanism analysis

2016-12-03

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142015020，3142015134，3142015135)

陳學(xué)習(xí)(1972-)，男，江蘇邳州人，博士，教授，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院副院長(zhǎng)，主要從事煤礦瓦斯治理方向研究。E-mail：xuexichen1210@163.com

TD712

A

1672-7169(2017)01-0001-05