吸水路徑對(duì)煤體吸水特性的影響研究

李文芳

(長(zhǎng)治市潞州區(qū)能源局，山西 長(zhǎng)治 046000)

瓦斯在煤層中以吸附態(tài)和游離態(tài)的形式存在，其中90%左右以吸附態(tài)的形式存在。研究煤層注水瓦斯解吸時(shí)，瓦斯以驅(qū)替和置換的形式逸出，因此煤層注水效果的好壞與煤體的吸水量直接相關(guān)。煤體是一種雙重孔隙結(jié)構(gòu)介質(zhì)[1]，煤體復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)可形成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)，這些孔隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的毛細(xì)管力[2]。陳金生等[3]采用自主設(shè)計(jì)的含瓦斯煤等壓吸水試驗(yàn)裝置，對(duì)剝離注水造成系統(tǒng)壓力升高、死體積增大等因素的影響，單獨(dú)研究水分對(duì)不同變質(zhì)程度含瓦斯煤的滲吸效應(yīng)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同一變質(zhì)程度的含瓦斯煤等壓吸水后，水置換瓦斯，含瓦斯煤滲吸動(dòng)力是毛細(xì)管力，煤樣罐內(nèi)壓力升高；樊亞慶[4]，岳基偉等[5]研究表明，同一吸附平衡壓力下，置換率隨含水率增大逐漸增大，當(dāng)采用煤層注水治理瓦斯時(shí)，由于煤層內(nèi)裂隙分布不均，部分煤體處于水的包圍之中，僅有一部分與水接觸，其置換瓦斯的量也不同。為此，本文擬通過不同吸水路徑考察煤體的吸水效果，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施煤層注水消突措施奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)煤樣的制備及試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)煤樣取自山西某礦，在新鮮暴露的工作面取出大塊煤體，密封保存后送至實(shí)驗(yàn)室待制取煤樣進(jìn)行試驗(yàn)。

1) 挑選沒有明顯裂隙且層理較好的大煤塊，利用立式鉆床對(duì)煤體進(jìn)行取樣。

2) 將鉆取的柱狀煤樣，采用巖石切片機(jī)切割成直徑為5 cm、高度為10 cm的柱狀煤樣，并對(duì)煤樣的端面進(jìn)行打磨，共制得3個(gè)柱狀煤樣，分別編號(hào)為1號(hào)，2號(hào)及3號(hào)。

3) 將1號(hào)、2號(hào)及3號(hào)煤樣放入干燥箱中干燥，設(shè)置干燥箱的溫度為105 ℃，每30 min進(jìn)行稱重，直至質(zhì)量穩(wěn)定，并記錄其穩(wěn)定質(zhì)量m1、m2及m3，將干燥后的柱狀煤樣放入干燥器中進(jìn)行冷卻備用。

4) 采用環(huán)氧樹脂將1號(hào)煤樣的兩個(gè)端面密封，周圍不密封，讓煤體產(chǎn)生逆向滲吸，并稱其質(zhì)量m11；將2號(hào)煤樣的周圍密封，兩個(gè)端面不密封，讓煤體產(chǎn)生順向滲吸，并稱其質(zhì)量m21；3號(hào)煤樣不做處理，讓煤體既順向滲吸又逆向滲吸。

5) 將兩個(gè)端面密封的1號(hào)煤樣、周圍密封的2號(hào)煤樣、3號(hào)煤樣分別放入盛有水的燒杯中，間隔一段時(shí)間，拿出柱狀煤樣，把煤體周圍的水擦拭掉，然后稱重并分別記錄吸水后的質(zhì)量m12，m22及m32。

6) 煤體在某個(gè)時(shí)刻的吸水率，可根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：m吸為吸水后的質(zhì)量；m環(huán)為涂抹環(huán)氧樹脂后的質(zhì)量；m為柱狀煤干燥后的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著時(shí)間的增加，柱狀煤體的吸水率逐漸增加，增加到一定程度后趨于飽和；在相同的時(shí)間段內(nèi)，吸水率從大到小的順序?yàn)?號(hào)、1號(hào)、2號(hào)，說明煤體與水的接觸面積越大，吸水率越高。因?yàn)槊后w的接觸面積越大，毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)越發(fā)達(dá)，孔隙的連通性越好，吸水路徑越短，排出孔隙內(nèi)的空氣越容易。

圖1 不同吸水路徑煤體吸水率結(jié)果

水在煤體毛細(xì)管內(nèi)的流速較慢，雷諾數(shù)小，與流體力學(xué)中的層流運(yùn)動(dòng)幾乎相似，滿足Hagen-Poiseuille方程[6]。Hagen-Poiseuille方程如式(2)所示：

Q=dV/dt=πd4△p/(128μh)

(2)

式中：Q為管道內(nèi)的流量；V為液體的體積；t為時(shí)間；μ為水的粘度系數(shù)；△p為壓力差；h為吸水高度；d為毛細(xì)管直徑。

毛細(xì)管中吸水的體積滿足式(3)：

dV=πr2dh

(3)

在毛細(xì)管中，毛細(xì)管的壓力差△p與液體的濕潤(rùn)角、毛細(xì)管的半徑、液體的表面張力因素有關(guān)，關(guān)系如式(4)所示：

△p=2σcosθ/r

(4)

式中：σ為液體的表面張力；θ為濕潤(rùn)角；r為毛細(xì)管的半徑。

由式(2)、(3)、(4)可知：

(5)

式(5)即為L(zhǎng)ucas[7]和Washburn[8]提出的忽略流體自身重力的滲吸模型。因此單根毛細(xì)管的吸水體積，如式(6)所示：

(6)

單根毛細(xì)管的吸水質(zhì)量，如式(7)所示：

(7)

單根毛細(xì)管吸水質(zhì)量方程可簡(jiǎn)化為：

(8)

圖2 不同吸水路徑煤體吸水率擬合結(jié)果

3 結(jié) 語

1) 隨著時(shí)間的增加，柱狀煤體的吸水率逐漸增加，煤體與水的接觸面積越大，吸水率越高。

2) 毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)越發(fā)達(dá)，孔隙的連通性越好，吸水路徑越短，排出孔隙內(nèi)的空氣越容易。