外加水分對軟硬煤瓦斯解吸特征影響研究

陳海棟，陳蒙磊，肖知國，安豐華

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院， 河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地， 河南 焦作 454003)

0 引言

我國多數(shù)井田在開采過程中受地質(zhì)構(gòu)造影響較大。在構(gòu)造應力作用下，煤體不僅會發(fā)生變形，而且會產(chǎn)生不同程度的動力變質(zhì)作用，從而在同一煤層會出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)差異性較大的軟硬煤[1-3]。目前，有關(guān)軟硬煤的研究主要偏重于從微觀結(jié)構(gòu)差異角度分析其吸附和解吸特性。文獻[4]認為軟煤表面更粗糙，且比硬煤擁有更復雜的表面孔隙結(jié)構(gòu)。文獻[5]認為軟煤比硬煤擁有更高的分形維數(shù)。文獻[6]認為軟煤微孔孔體積較為發(fā)育，有利于瓦斯的儲存，但構(gòu)成滲透容積的大孔、中孔及裂隙發(fā)育較少。文獻[7-8]認為軟煤較硬煤擁有更大的比表面積，軟煤吸附性能也更強。文獻[9]認為同等壓降條件下，軟煤比硬煤解吸量更大，軟煤的解吸速率更快，累計解吸量更多。文獻[10]分析了不同粒度軟硬煤吸附性能的差異性，認為隨著粒度的減小，軟硬煤吸附常數(shù)均增大，且增大的趨勢隨著粒度的減小而減小。文獻[11]認為軟硬煤孔隙結(jié)構(gòu)差異是導致瓦斯擴散速度和擴散系數(shù)隨粒徑變化而產(chǎn)生差別的根本原因。文獻[12]基于吸附層厚度理論，分析了軟硬煤吸附機理。

除了原生微觀結(jié)構(gòu)會影響軟硬煤吸附和解吸特性外，外部環(huán)境的改變也會對其產(chǎn)生影響。近年來,水力沖孔、水力割縫、水力壓裂等水力化方法[13-14]被廣泛作為增透措施用于高瓦斯突出煤層強化抽采，從煤礦井下瓦斯抽采角度分析，外部環(huán)境中最重要的影響因素是外加水分。已有研究表明，外加水分會對瓦斯的解吸擴散特征產(chǎn)生較大影響[15-16]。文獻[17]認為隨著注水壓力的增加，最終瓦斯解吸率逐漸呈非線性規(guī)律衰減，在注水壓力達到一定極值后解吸率會保持穩(wěn)定。文獻[18]得出了外加水分對瓦斯解吸可起到抑制作用的結(jié)論。文獻[19]發(fā)現(xiàn)煤對瓦斯的吸附能力隨著煤中水含量的增加而減小，且煤中水含量越大，瓦斯解吸越慢。文獻[20]認為注水煤樣的解吸等溫線明顯處于干燥煤樣解吸等溫線上方。外加水分會對煤體瓦斯解吸產(chǎn)生較大影響，軟硬煤在不同外加水分條件下也會表現(xiàn)出不同的瓦斯解吸特征。

綜上所述，外加水分會影響煤體瓦斯的解吸特征，而現(xiàn)有研究重點分析了軟硬煤微觀結(jié)構(gòu)差異對其瓦斯吸附解吸特征的影響，而對外加水分條件下軟硬煤的瓦斯解吸特征研究較少?；诖?，本文采用煤層高壓注水模擬實驗裝置開展不同外加水分條件下軟硬煤瓦斯解吸實驗，研究外加水分對軟硬煤瓦斯解吸特征的影響。

1 高壓注水實驗

1.1 實驗方法

1.1.1 煤樣制備與基本物性參數(shù)測試

實驗煤樣取自河南焦煤集團古漢山煤礦。該礦二1煤層由于受地質(zhì)構(gòu)造的影響，軟硬煤分層現(xiàn)象明顯。軟煤分層堅固性系數(shù)為0.21，硬煤分層堅固性系數(shù)為1.46?，F(xiàn)場采集軟硬煤煤樣后放入密封袋，帶回實驗室分別對軟硬煤煤樣進行粉碎和篩選，制成粒徑為0.2～0.25 mm顆粒煤。將制作好的顆粒煤放入真空干燥箱中，在105 ℃環(huán)境中連續(xù)干燥8 h，裝入密封袋放至陰涼處備用。同時，對實驗煤樣的基本物性參數(shù)進行了測試，測試結(jié)果見表1。

表1 實驗煤樣基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical property parameters of experimental coal samples

1.1.2 實驗儀器

實驗儀器采用自主研制的煤層高壓注水模擬實驗裝置，裝置主要由真空脫氣模塊、吸附/解吸模塊、恒溫水浴模塊及高壓注水模塊等組成，如圖1所示。

1.1.3 實驗方案與實驗過程

選擇吸附平衡壓力為0.75，1.40，2.10，2.80 MPa，外加水分含量為0，10%(左右)，20%(左右)開展軟硬煤瓦斯解吸正交實驗。

具體實驗過程如下：

(1) 煤樣抽真空：稱取質(zhì)量為60 g的干燥煤樣，放入煤樣罐中；開啟恒溫水浴，設定水浴溫度為40 ℃；啟動真空泵，對整個系統(tǒng)抽真空，抽真空時間不少于12 h。

1-高壓CH4；2,5,6,9,15-閥門；3-參考罐；4,11,12,16-壓力表；7-真空泵；8-真空計；10-解吸儀；13-煤樣罐；14-恒溫水浴；17-平流泵。圖1 煤層高壓注水模擬實驗裝置組成Fig.1 Composition of coal seam high pressure water injection simulation experimental device

(2) 瓦斯吸附平衡：對煤樣罐充入純度為99.999%的CH4，進行瓦斯吸附平衡，吸附平衡時間不少于12 h，記錄吸附平衡壓力及溫度。

(3) 對煤樣進行高壓注水：將一定量的蒸餾水倒入燒杯中并稱重，記為m1；利用平流泵將燒杯中的蒸餾水注入煤樣罐中；設定注水壓力比吸附平衡壓力大1 MPa，注水流量為2 mL/min，根據(jù)煤樣質(zhì)量及所設定需注入的外加水分含量確定注水時間。

(4) 外加水分含量的確定：注水結(jié)束后，稱量燒杯及剩余蒸餾水的質(zhì)量，記為m2；所注入水的質(zhì)量即為m1-m2；根據(jù)煤樣質(zhì)量及所注入水的質(zhì)量確定外加水分含量。

(5) 注水后的瓦斯吸附平衡：注水結(jié)束后，繼續(xù)對煤樣罐進行瓦斯吸附平衡，直至煤樣罐壓力表讀數(shù)不再變化。

(6) 煤樣解吸：打開煤樣罐出氣口閥門，當壓力表讀數(shù)為0時，立刻連接解吸儀進行瓦斯解吸，記錄瓦斯解吸量、溫度及大氣壓力。

1.2 實驗數(shù)據(jù)處理

為使實驗數(shù)據(jù)具有可比性，需將實驗過程中所記錄的解吸量換算成標準狀態(tài)下的解吸量，換算公式為

(Pa-9.81hw-PS)×Q′(t)

(1)

式中：Q(t)為標準狀態(tài)下t時刻瓦斯累計解吸量，mL/g；T1為實驗過程中解吸儀量筒內(nèi)溶液的溫度，℃；Pa為大氣壓，Pa；hw為實驗過程中所測定的解吸儀量筒液面高度，mm；Ps為溫度為T1時的飽和水蒸氣壓力，Pa；Q′(t)為室溫下t時刻所測定的瓦斯累計解吸量，mL/g。

2 實驗結(jié)果分析

由于實驗數(shù)據(jù)較多，鑒于篇幅限制，只列出吸附平衡壓力為0.75，2.80 MPa的實驗數(shù)據(jù)。

2.1 外加水分對軟硬煤瓦斯解吸量的影響

不同吸附平衡壓力、不同外加水分含量條件下軟硬煤瓦斯解吸實驗結(jié)果如圖2、圖3所示。

(a) 吸附平衡壓力為0.75 MPa

從圖2可看出，軟煤試樣在吸附平衡壓力為0.75 MPa，外加水分含量分別為0，10.68%和18.89%時，120 min內(nèi)瓦斯解吸總量分別為7.48，5.74，4.23 mL/g；外加水分含量從0增加至10.68%和18.89%時，瓦斯解吸總量分別減少27.3%和47.4%。吸附平衡壓力為2.80 MPa，外加水分含量從0增加至7.86%和20.76%時，瓦斯解吸總量分別減少33.69%和73.26%。

(a) 吸附平衡壓力為0.75 MPa

從圖3可看出，硬煤試樣在吸附平衡壓力為0.75 MPa，外加水分含量分別為0，10.74%和20.80%時，120 min內(nèi)瓦斯解吸總量分別為4.40，3.94，2.75 mL/g；外加水分含量從0增加至10.74%和20.80%時，瓦斯解吸總量分別減少10.45%和41.87%。吸附平衡壓力為2.80 MPa，外加水分含量從0增加至10.01%和20.58%時，瓦斯解吸總量分別減少11.33%和39.57%。

根據(jù)前人已有的研究結(jié)果[21]，軟煤的總孔容、總比表面積均比硬煤大數(shù)倍，說明軟煤吸附能力更強，且在瓦斯解吸時能提供更多的運移通道。所以，相同條件下，軟煤的瓦斯解吸量大于硬煤。此外，外加水分進入煤基質(zhì)后，會產(chǎn)生毛管阻力，阻礙瓦斯解吸[20]，也就出現(xiàn)了圖2和圖3中出現(xiàn)的情況，即隨著外加水分含量的增大，軟硬煤的瓦斯解吸量均減小，外加水分對軟硬煤瓦斯解吸均起到了抑制作用。同時，由于軟煤的微孔孔容和比表面積大于硬煤，外加水分進入軟煤試樣后，形成的毛管阻力要遠大于硬煤，即外加水分對軟煤產(chǎn)生的解吸阻力更大，外加水分對軟煤瓦斯解吸抑制效應強于硬煤。

2.2 外加水分對軟硬煤瓦斯解吸速度的影響

不同吸附平衡壓力、不同外加水分條件下軟硬煤瓦斯解吸速度的計算結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可看出，不同吸附平衡壓力、不同外加水分含量條件下，軟硬煤的瓦斯解吸速度都是在初始時刻最大，隨著時間的延長而逐漸減小。由于軟煤試樣有更短的解吸路徑和更多的解吸通道，所以，在吸附平衡壓力相同、外加水分含量相近的情況下，軟煤瓦斯解吸速度始終大于硬煤；外加水分的進入減少了軟硬煤瓦斯解吸通道，隨著外加水分含量的增加，軟硬煤瓦斯解吸速度均呈減小趨勢。當軟煤試樣解吸至20 min后，吸附平衡壓力及外加水分對解吸速度的影響較小，隨后，不同實驗條件下的瓦斯解吸速度大致相同。然而，對于硬煤試樣，該時間節(jié)點約延長至30 min。該結(jié)果也與前一節(jié)所分析的外加水分對軟煤瓦斯解吸抑制效應強于硬煤相吻合。

(a) 吸附平衡壓力為0.75 MPa

(a) 吸附平衡壓力為0.75 MPa

2.3 外加水分對軟硬煤擴散系數(shù)的影響

擴散系數(shù)是表征外加水分對軟硬煤擴散能力影響的重要參數(shù)，其計算公式為[22]

(2)

式中：Vt為t時刻瓦斯的累計解吸量，mL/g；V為t趨向于無窮大時，瓦斯的極限解吸量，mL/g；n為基數(shù)項數(shù);D為擴散系數(shù)，m2/s；r0為煤顆粒平均半徑，m。

對式(2)進行簡化[23]，得

(3)

表2 軟硬煤瓦斯擴散系數(shù)計算值Table 2 Calculation values of gas diffusion coefficient of soft and hard coal

3 結(jié)論

(1) 外加水分含量、吸附平衡壓力相同時，軟煤瓦斯解吸量大于硬煤；隨著外加水分含量的增大，軟硬煤的瓦斯解吸量均減??；相同條件下，軟煤的瓦斯解吸量始終大于硬煤；外加水分對軟硬煤瓦斯解吸均起到了抑制作用，但對軟煤的瓦斯解吸抑制效應強于硬煤。

(2) 不同吸附平衡壓力、外加水分含量條件下，軟硬煤的瓦斯解吸速度都是在初始時刻最大，隨著時間的延長及外加水分含量的增加，呈現(xiàn)出減小趨勢；吸附平衡壓力相同、外加水分含量相近的情況下，軟煤瓦斯解吸速度始終大于硬煤。

(3) 吸附平衡壓力、外加水分含量對軟硬煤瓦斯擴散系數(shù)影響顯著；吸附平衡壓力相同、外加水分含量相近的情況下，軟煤的擴散系數(shù)大于硬煤；同一吸附平衡壓力下軟硬煤的瓦斯擴散系數(shù)均隨著外加水分含量的增大而減小。