水淹情況下塊煤瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

王 然

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

中國的煤礦開采活動(dòng)從20世紀(jì)初開始蓬勃發(fā)展，長久的煤礦生產(chǎn)在我國形成了很多的采動(dòng)影響穩(wěn)定區(qū)(簡稱采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，俗稱廢棄采空區(qū))。由于生產(chǎn)條件制約，仍有大量的煤炭殘留于井下，其中殘留、聚集著大量煤層氣[1-2]。若任由采空區(qū)煤層氣資源逸散至大氣中，不僅造成了資源浪費(fèi)還會(huì)污染環(huán)境，影響井下生產(chǎn)安全[3]，因而需要對(duì)采空區(qū)煤層氣資源進(jìn)行利用。為了有效降低資源利用成本，需對(duì)采空區(qū)煤層氣資源進(jìn)行評(píng)估[4]。煤礦采空區(qū)瓦斯來源包括鄰近卸壓煤層瓦斯、采場煤柱殘余瓦斯及采空區(qū)內(nèi)部落煤殘余瓦斯等。其中，落煤殘余瓦斯解吸量是采空區(qū)可抽采瓦斯資源的重要組成部分，其估算的準(zhǔn)確性直接影響著采空區(qū)瓦斯資源量評(píng)估結(jié)果的可靠性[5]。因此，采空區(qū)遺落塊煤瓦斯解吸規(guī)律的研究對(duì)采空區(qū)資源評(píng)估具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉煤及塊煤的瓦斯解吸規(guī)律進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。曾社教等[6-7]研究了不同粒徑煤粉在不同解吸溫度下的瓦斯解吸規(guī)律；王軼波等[8]針對(duì)超低溫情況下煤樣的解吸規(guī)律進(jìn)行了相應(yīng)研究，超低溫情況下煤樣解吸速率明顯降低；陳向軍等[9]針對(duì)粒徑1～3 mm的煤粉進(jìn)行了含水情況下瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著含水量的逐漸增大，煤的瓦斯解吸速度逐漸降低；楊其鑾等[10-11]研究表明，煤屑解吸與粒徑關(guān)系存在一定界限，當(dāng)煤樣粒度小于極限粒度，瓦斯解吸強(qiáng)度的衰減系數(shù)隨粒度減小而增大；姜永東等[12]研究了在不同聲場情況下煤樣的解吸規(guī)律，在聲場作用下，瓦斯解吸速率加快；聶百勝等[13]通過在煤樣解吸時(shí)加入電磁場影響因素，發(fā)現(xiàn)電磁場會(huì)促進(jìn)煤樣瓦斯解吸；王然[14]研究了不同粒徑塊煤在不同溫度及負(fù)壓情況下瓦斯解吸規(guī)律。

通過對(duì)已有研究分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)方法針對(duì)采空區(qū)遺落塊煤在水淹情況下解吸存在著以下一些不足：①現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究針對(duì)塊煤解吸規(guī)律研究較少，多是小粒徑煤粉，而針對(duì)塊煤在不同體積水淹情況下的瓦斯解吸規(guī)律研究則更少，不能反映采空區(qū)遺落煤瓦斯解吸真實(shí)情況；②現(xiàn)有的解吸實(shí)驗(yàn)裝置多是煤樣罐裝入煤粉進(jìn)行解吸，針對(duì)大塊度煤樣含水解吸存在著向煤樣罐注水不便、煤樣罐內(nèi)吸附平衡壓力及水淹體積無法精準(zhǔn)控制等問題，不能滿足現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)需求；③現(xiàn)有的瓦斯解吸經(jīng)驗(yàn)公式，并不能正確反映采空區(qū)情況下遺落塊煤解吸量的計(jì)算，影響了采空區(qū)資源評(píng)估的準(zhǔn)確性。

綜上所述，需要在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)采空區(qū)遺落煤潮濕環(huán)境解吸情況，試制更為適合的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，并推導(dǎo)出更為精準(zhǔn)的塊煤瓦斯解吸速率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

1 實(shí)驗(yàn)裝置的試制

試制實(shí)驗(yàn)裝置主要目的是精準(zhǔn)控制粉煤或塊煤的吸附平衡壓力的同時(shí)，能夠精準(zhǔn)地控制塊煤水淹體積，因此在現(xiàn)有的煤樣罐基礎(chǔ)上，在罐內(nèi)增加了可升降的托盤裝置。將干燥煤樣放置于托盤上，密閉煤樣罐后將罐體抽至負(fù)壓狀態(tài)后，此時(shí)打開注水閥門，在壓力差作用下，通過注水量筒注入所需水量，此時(shí)煤樣不接觸水。注水完畢后，通過充氣口充入瓦斯，使煤樣達(dá)到設(shè)定的吸附平衡狀態(tài)，再降低煤樣托盤使塊煤浸泡于水中，浸泡體積依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求控制。通過上述操作，達(dá)到精準(zhǔn)控制塊煤浸泡體積及吸附平衡壓力的實(shí)驗(yàn)的目的。塊煤水淹瓦斯解吸裝置如圖1所示。

圖1 塊煤水淹瓦斯解吸裝置Fig.1 Water flooding gas desorption device of lump coal

2 煤樣的試制及實(shí)驗(yàn)設(shè)定

2.1 煤樣物理參數(shù)及實(shí)驗(yàn)煤樣試制

實(shí)驗(yàn)煤樣的物理特性：真密度為1.4 t/m3，孔隙率為4.01%，堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.96，瓦斯放散初速度為9。試驗(yàn)煤樣為原生煤樣切割為邊長約4 cm的正方體，試制煤樣如圖2所示。

圖2 煤樣示意Fig.2 Schematic diagram of coal sample

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)定

完成了約60組煤樣的測(cè)定，以其中3組為例，模擬了吸附平衡壓力分別為0.4、0.6、0.8 MPa，煤樣分別水淹1/3、2/3、未水淹條件下的解吸情況，水淹情況煤樣浸泡時(shí)間為48 h，1號(hào)煤、2號(hào)煤及3號(hào)煤數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣尺寸數(shù)據(jù)Tab.1 Dimensional data of test coal samples

試驗(yàn)開始前需將煤樣進(jìn)行烘干脫氣處理，在70 ℃條件下烘干12 h，以確保煤樣中水分完全蒸發(fā)，保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，3個(gè)煤樣9組試驗(yàn)方案見表2。

表2 煤樣解吸試驗(yàn)方案Tab.2 Coal sample desorption test scheme

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 煤樣解吸數(shù)據(jù)分析

以3組煤樣解吸數(shù)據(jù)為例，3種吸附平衡壓力下不同體積浸泡煤樣解吸速率如圖3所示，解吸速率已換算為每克煤樣解吸速率，當(dāng)解吸速率低于0.001 L/min時(shí)停止計(jì)數(shù)。從圖3中可以看出，經(jīng)過水淹之后，初始解吸速率明顯下降，0.4 MPa吸附平衡壓力下，無水淹煤體初始解吸速率比浸泡1/3煤體高34%，比浸泡2/3煤體高56%，2種體積浸泡情況下煤樣解吸速率差距為22%；0.6 MPa吸附平衡壓力下，無水淹煤體初始解吸速率比浸泡1/3煤體高32%，比浸泡2/3煤體高62%，2種體積浸泡情況下煤樣解吸速率差距為30%；0.8 MPa吸附平衡壓力下，無水淹煤體初始解吸速率比浸泡1/3煤體高53%，比浸泡2/3煤體高70%，2種體積浸泡情況下煤樣解吸速率差距為17%。無水淹和一定體積浸泡下煤樣瓦斯解吸速率差距明顯，說明不同體積水淹對(duì)大粒徑煤體解吸存在顯著影響，但3種情況下解吸速率的衰減都較快，2 min后煤樣解吸速率趨于平緩直至計(jì)數(shù)停止。

圖3 煤樣在不同水淹體積下瓦斯解吸速率曲線Fig.3 Gas desorption rate curves of coal samples at different flooded volumes

實(shí)驗(yàn)煤樣累計(jì)瓦斯解吸量見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)煤樣累計(jì)瓦斯解吸量Tab.3 Cumulative gas desorption amount of experimental coal samples

從表3可以看出，1號(hào)煤樣在0.4 MPa吸附平衡壓力下，在未水淹情況下，累計(jì)瓦斯解吸量比1/3水淹情況高了51.2%，比2/3水淹情況高了78.6%；2號(hào)煤樣在0.6 MPa吸附平衡壓力下，在未水淹情況下，累計(jì)瓦斯解吸量比1/3水淹情況高了57.3%，比2/3水淹情況高了82.5%；3號(hào)煤樣在0.8 MPa吸附平衡壓力下，在未水淹情況下，累計(jì)瓦斯解吸量比1/3水淹情況高了63.7%，比2/3水淹情況高了89.2%。

綜上所述，當(dāng)吸附平衡壓力增大時(shí)，未水淹煤樣解吸量與水淹煤樣解吸量差距進(jìn)一步增大，而2種體積水淹情況下，3種吸附平衡壓力下煤樣瓦斯累計(jì)瓦斯解吸量差距分別為27.4%、25.2%、25.5%，較為接近。因此，提高吸附平衡壓力，水淹和未水淹塊煤瓦斯解吸量差距會(huì)逐漸增大，而不同體積水淹情況下瓦斯解吸量的差距變化相對(duì)較小。

3.2 解吸速率經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)

多年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)不同情況下煤體的瓦斯解吸進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)出了不同解吸條件下煤的瓦斯解吸量隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式，如博特公式，文特公式、王佑安公式及孫重旭公式等[15-18]，但將已有的經(jīng)驗(yàn)公式代入塊煤水淹解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)擬合度較低。因此，需要推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)條件下煤樣瓦斯解吸經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)條件下不同浸泡體積下塊煤瓦斯解吸經(jīng)驗(yàn)公式，在0.6 MPa的吸附平衡壓力下設(shè)解吸時(shí)間為t，設(shè)定水淹體積對(duì)解吸速率影響系數(shù)為R，水淹體積系數(shù)為p，而不同吸附平衡壓力下塊煤解吸速率差異可通過以往研究進(jìn)行計(jì)算，則不同水淹體積單位煤體瓦斯解吸速率V公式為：

V=(1.38-0.6t+0.061t2)2R

(1)

通過分析不同浸泡體積下塊煤瓦斯解吸速率的差異，對(duì)差異數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以推導(dǎo)出水淹體積對(duì)解吸速率影響系數(shù)為R的計(jì)算公式為：

R=1.05-0.06p+0.001p2-7.6p2.5+0.048p0.5×lnp

(2)

3.3 經(jīng)驗(yàn)公式的驗(yàn)證

選取3組新煤樣1號(hào)、2號(hào)及3號(hào)，分別浸泡15%、45%及75%體積進(jìn)入水中進(jìn)行解吸，并先行通過經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，對(duì)比計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表4)。由表4可以看出，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度達(dá)到89.6%，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)條件下能夠很好地反映不同水淹體積下塊煤瓦斯解吸規(guī)律。

表4 經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.4 Data table of empirical formula verification

4 結(jié)論

(1)為驗(yàn)證塊煤在不同水淹情況下瓦斯解吸規(guī)律，試制了針對(duì)不同吸附平衡壓力及不同水淹體積下塊煤瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置能夠精準(zhǔn)控制吸附平衡壓力及水淹體積和時(shí)間，符合實(shí)驗(yàn)要求。

(2)對(duì)煤樣進(jìn)行了加工，同時(shí)進(jìn)行了多組解吸實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，不同體積水淹對(duì)大粒徑煤體解吸存在顯著影響，隨著水淹體積的增大，解吸速率逐漸降低，同時(shí)提高吸附平衡壓力，水淹和未水淹塊煤瓦斯解吸量差距會(huì)逐漸增大，而不同體積水淹情況下瓦斯解吸量的差距變化相對(duì)較小。并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)了不同水淹體積單位煤體瓦斯解吸經(jīng)驗(yàn)公式和水淹體積對(duì)解吸速率影響系數(shù)R。

(3)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度達(dá)到89.6%，證明了經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)條件下能夠很好地反映不同水淹體積下塊煤瓦斯解吸規(guī)律。