非等溫條件下煤層瓦斯?jié)B透及解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

吳 迪

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110023）

1 非磁性三軸滲透儀組成和各部件的功能

三軸滲透儀由缸體、緊固螺母、上下壓頭、密封圈等部件組成，其特點(diǎn)是缸體下端蓋中間設(shè)有螺紋孔，左端設(shè)有孔并安裝一個(gè)可以加載密封閥，右端設(shè)有排氣孔螺紋連接封堵，在下端蓋中間的凹槽中密封安裝一個(gè)中間帶孔的錘形下壓頭，下壓頭的孔與下端蓋螺紋孔對應(yīng)，在缸體上端蓋內(nèi)密封連接一個(gè)活塞，在活塞桿頂端裝有一個(gè)可加載密封閥，在活塞中間的凹槽里密封裝有中間帶孔的錘形上壓頭，在上壓頭的上斜面和下壓頭的下斜面上各裝一個(gè)O形密封圈并套一個(gè)密封套，在密封套外的上、下斜面上用三角形壓環(huán)和壓緊螺母固定，在上端蓋的左端螺紋連接一個(gè)可加載圍壓的密封閥。

圖1 三軸應(yīng)力滲透儀及加溫裝置實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由加壓系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)及氣體測量系統(tǒng)組成。煤樣軸壓及圍壓由手動(dòng)試壓泵通過三軸吸附解吸儀供給，加壓后通過穩(wěn)壓器（自制）保持壓力穩(wěn)定；孔隙壓力通過氣體壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，孔隙壓力、圍壓及軸壓數(shù)值由CWY100 精密數(shù)字壓力表讀出，精度0.2 級；在三軸吸附解吸儀上安裝加熱棒對煤樣包圍介質(zhì)（水）加熱來改變煤樣溫度，溫度控制采用熱電偶測溫原理，采用N－6000 智能型數(shù)顯溫度控制器控制；解吸氣體量值利用排水法通過量筒直接讀取。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和采集煤樣

實(shí)驗(yàn)用煤樣選自遼寧阜新海州露天礦。將采集煤樣篩選，選擇水平層理煤樣通過切割機(jī)加工成5 cm×5 cm×10 cm 規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)煤試樣，稱重后置于真空干燥箱內(nèi)，加熱到100～105 ℃時(shí)恒溫8 h，冷卻至室溫后取出備用。實(shí)驗(yàn)方案見表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)用氣體采用純度為99.99%的甲烷氣，其性質(zhì)近似為理想狀態(tài)氣體。為保證實(shí)驗(yàn)人員安全，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采取通風(fēng)措施，并用風(fēng)扇對解吸出甲烷進(jìn)行濃度降低處理。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將煤樣加工成5 cm×5 cm×10 cm 規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)煤試樣，并將試樣側(cè)面用膠帶密封好。

（2）煤樣稱重后置于真空干燥箱內(nèi)，加熱到100～105 ℃時(shí)恒溫8 h，再冷卻至室溫后取出稱重后，放入三軸瓦斯?jié)B透儀中，將兩側(cè)端蓋擰緊，用真空泵使其脫氣24 h。

（3）先對煤樣施加軸壓至設(shè)定值，然后施加圍壓和孔隙壓，檢查裝置氣密性，同時(shí)測定氣體滲透率。擰開高壓氣瓶的進(jìn)瓦斯氣閥，設(shè)定好瓦斯壓力值，通入99.99%濃度瓦斯氣體，采用排水量氣法，用管線將出氣口瓦斯接入帶有1 800 mL 量程的量筒中收集排出氣體，待氣體排出速度穩(wěn)定后，記錄一定時(shí)間排出氣體的體積。

（4）打開瓦斯進(jìn)、出氣閥，測出不同溫度、不同圍壓、不同軸壓、不同空隙壓力下煤層氣的滲透率。

（5）關(guān)閉出氣端閥門，將標(biāo)準(zhǔn)吸附時(shí)間定為24 h，保持瓦斯壓力不變。

（6）吸附24 h 后，先關(guān)閉瓦斯進(jìn)氣閥門，然后打開出氣閥門，同樣采用排水取氣法，記錄解吸時(shí)間和解吸氣體體積。

（7）改變溫度時(shí)，接通電源，開啟溫度控制器，設(shè)定溫度至所需值，溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)；在某一溫度下做解吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須當(dāng)溫度達(dá)到所需值后保持一定時(shí)間（0.5 h）。

5 結(jié) 論

本文研究了不同溫度對煤層瓦斯?jié)B透及吸附解吸規(guī)律的影響，初步得出了一些規(guī)律和有價(jià)值的結(jié)論，具體內(nèi)容如下：

（1）在同一溫度、相同圍壓和軸壓條件下，煤樣滲透率隨孔隙壓力增加而增加；在同一溫度、相同孔隙壓力條件下，煤樣隨圍壓和軸壓的增加，甲烷滲透率減少；在相同圍壓、軸壓、孔隙壓的條件下，甲烷隨溫度的升高而降低。

（2）在同一溫度、相同圍壓和軸壓條件下，煤樣隨孔隙壓力增加，甲烷解吸量增加；在同一溫度、相同孔隙壓力條件下，煤樣隨圍壓和軸壓的增加，甲烷解吸量減少；等溫解吸時(shí)在同一孔隙壓力、相同圍壓和軸壓條件下，煤樣隨溫度增加，甲烷解吸量減少。升溫解吸時(shí)，解吸量比低溫度解吸量增加，孔隙壓力越大，解吸量增量越明顯。

（3）固體受熱膨脹和氣體吸熱膨脹是影響氣體解吸量的主要因素，固體受熱膨脹不利于瓦斯解吸，氣體吸熱膨脹有利于瓦斯解吸；當(dāng)固體受熱膨脹占主導(dǎo)因素時(shí)，煤樣中孔隙裂隙擠壓閉合，氣體輸送通道被堵塞，解吸量明顯降低；當(dāng)氣體吸熱膨脹占主導(dǎo)因素時(shí)，氣體密度減小，活性增強(qiáng)，解吸量增加。