覆壓及水分對含瓦斯煤體滲吸特性的影響研究*

孫永鑫，王兆豐,尉 瑞，岳基偉，陳海棟

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000;2.山西中煤華晉集團有限公司 王家?guī)X煤礦，山西 運城 043300)

0 引言

煤層注水是煤礦井下最有效的工作面防塵措施。通過向煤體注入壓力水，使水分充分濕潤煤體，能有效降低粉塵的生成量。隨著對煤層注水的深入研究，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)煤層注水能促進瓦斯解吸，降低煤層瓦斯含量[1]。煤層注水對瓦斯解吸特性的影響主要表現(xiàn)為壓力水對瓦斯的驅(qū)替作用和滲吸過程中水對瓦斯的置換作用[2-6]，其中，驅(qū)替只存在于注水階段，而滲吸在停止注水后仍會對瓦斯的解吸造成影響[7-8]。因此，對含瓦斯煤體滲吸特性的研究可為明確注水消突機理提供理論指導(dǎo)。

滲吸是指在毛細管力作用下，濕潤相流體進入多孔介質(zhì)并排出非濕潤相的過程。陳向軍等[9]通過煤體注水的實驗，發(fā)現(xiàn)外加水分能夠置換吸附的瓦斯，且外加水分越大，水分對吸附瓦斯的置換量和置換率越大；王兆豐等[10]通過等壓吸水試驗研究了含瓦斯煤體的滲吸效應(yīng)，結(jié)果表明，煤樣罐中的瓦斯壓力在煤體吸水后會開始增大；瓦斯置換量和滲吸率會隨著含水率的增加而增大，且存在1個可使?jié)B吸效應(yīng)最強的極限含水率；陳金生[11]開展了不同變質(zhì)程度含瓦斯煤體滲吸效應(yīng)實驗研究，分析了水分、吸附平衡壓力和變質(zhì)程度等因素對滲吸過程中瓦斯解吸的影響；陳海棟等[12]利用煤層高壓注水模擬實驗裝置，分析了外加水分對軟硬煤瓦斯解吸特征的影響；趙東等[13]通過不同條件下煤體注水實驗，發(fā)現(xiàn)煤體的孔隙分布、瓦斯壓力、注水壓力等都會影響煤體內(nèi)部瓦斯解吸；傅貴等[14]通過滲吸實驗，發(fā)現(xiàn)影響煤體吸收純水速度的主要因素是煤體的平均毛細管力和過渡孔與半大孔的孔隙的總體積。

以上研究均表明，煤層注水會影響瓦斯的解吸特征，現(xiàn)有的研究重點分析了外加水量、注水壓力和煤體的變質(zhì)程度對煤體滲吸特性的影響。在實際工程應(yīng)用中，煤層注水前煤體吸附著大量的瓦斯，在注水后，由于水分的影響促進了瓦斯的解吸，且隨著礦井開采深度的不斷增加，煤層受到的上覆壓力也在不斷增加，而目前關(guān)于覆壓對煤體滲吸特性的影響研究較少?；诖?，本文通過外加水分等壓滲吸實驗裝置，對吸附平衡后的重塑煤體開展不同覆壓、不同水分含量條件下的滲吸特性實驗研究。

1 實驗方法及過程

1.1 煤樣的制備及基本參數(shù)測試

實驗煤樣選用焦作古漢山礦二1煤。該礦為煤與瓦斯突出礦井，最大瓦斯含量18.88 m3/t，最大瓦斯壓力為1.75 MPa，結(jié)合該礦實際條件，選用吸附平衡壓力1.5 MPa?，F(xiàn)場采集新鮮煤樣裝入密封袋，在實驗室將采集的新鮮煤樣粉碎和篩選，篩選出粒徑為0.25 mm以下和0.25～0.5 mm的煤樣；將篩選出來的煤樣放置于105 ℃的干燥箱中干燥12 h，完成后冷卻至室溫；將粒徑0.25 mm以下和0.25～0.5 mm的煤粉按照質(zhì)量比1∶2混合，加入適量蒸餾水，在攪拌均勻后用壓力機在90 MPa下對煤樣進行分層壓制，完成后放入干燥箱中烘干備用。同時，根據(jù)GB/T 212—2008對煤樣的基本物性參數(shù)進行了測定，測試結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of coal sample %

1.2 實驗設(shè)備及原理

實驗所用的設(shè)備為自主設(shè)計研發(fā)的含瓦斯煤體等壓滲吸實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由覆壓加載模塊、真空脫氣模塊、吸附/等壓解吸模塊、等壓加水模塊及電阻率測試模塊組成，如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

該實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)不同覆壓及水分含量條件下對煤樣的吸附、等壓解吸以及對煤體電阻率的測定功能。其中，煤體不同水分含量的實現(xiàn)是指利用平流泵、吸水杯、閥門5及閥門6的控制向煤體中加入不同質(zhì)量的水分，且這些水分在自重作用下將全部進入煤體；等壓解吸是指通過壓力探頭P3和電磁閥V1的控制來實現(xiàn)煤體在設(shè)定的恒定壓力下的解吸；電阻率測定功能的原理是將電極片通過分層壓制煤樣的方法安裝在煤體不同高度處，根據(jù)干燥煤體和濕潤煤體電阻率的不同，來反映煤體中外加水分的滲吸距離。

其中，為方便計算電阻率，假定煤體中的電阻測段為1長度為8 mm，直徑為電極線直徑的圓柱體，其電阻率通過公式(1)計算而得：

(1)

式中:ρ為材料電阻率，Ωm；R為材料電阻，Ω；S為材料橫截面積，m2；l為材料長度，m。

1.3 實驗步驟

選擇吸附平衡壓力為1.5 MPa，覆壓大小為6，9，12，15 MPa，外加水分含量為6%，9%，12%，15%來開展含瓦斯煤的等壓滲吸實驗，具體實驗過程：

1)施加覆壓。打開電腦上的實驗操作系統(tǒng)，開啟覆壓泵，給煤樣罐中的重塑煤體施加覆壓條件。

2)對煤樣抽真空。打開真空泵閥門，開啟真空泵對煤樣罐抽真空，當(dāng)罐內(nèi)壓力低于30 Pa后關(guān)閉真空泵閥門和真空泵。

3)瓦斯吸附平衡。打開閥門2，向煤樣罐中充入濃度為99.999%的甲烷，使煤樣吸附平衡，吸附平衡時間不低于12 h，結(jié)束后關(guān)閉閥門2。

4)向吸水杯中加水。打開手動閥3和閥門4，在平流泵上設(shè)置流速10 mL/min，根據(jù)煤樣質(zhì)量和外加水分含量可計算出平流泵向吸水杯中注入的水分總量，并在平流泵上進行設(shè)置，啟動平流泵。注水完成后關(guān)閉閥門3和閥門4。

5)對煤樣進行注水。打開閥門5，使吸水杯和煤樣罐的壓力一致。打開閥門6，此時水在自重作用下由吸水杯進入煤樣罐，并逐漸全部進入煤體。

6)開始實驗并記錄實驗數(shù)據(jù)。在閥門6打開后迅速設(shè)置解吸壓力并打開自動閥門，此時水分置換的瓦斯將被氣體計量儀記錄并保存。同時，水分進入煤體到達電極片測點位置后將被電阻率測試裝置檢測到煤體電阻突變并記錄時間。

7)結(jié)束實驗。當(dāng)氣體計量儀示數(shù)長時間不再變化時視為滲吸結(jié)束，保存數(shù)據(jù)并關(guān)閉系統(tǒng)所有打開的閥門。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 覆壓對含瓦斯煤體滲吸特性的影響

2.1.1 覆壓對含瓦斯煤體滲吸距離和速度的影響

在滲吸過程，煤樣不同測點處電阻先后發(fā)生突變，根據(jù)各測點與滲吸初始界面的距離和各測點突變的時間，采用origin對其擬合，即可得到不同條件下含瓦斯煤樣滲吸距離隨時間的變化趨勢，如圖2所示。

圖2 不同覆壓條件下滲吸距離與時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between imbibition distance and time under different overburden pressures

由于實驗數(shù)據(jù)繁多，以外加水分含量為12%不同覆壓條件下煤樣的滲吸特性為例，分析覆壓對煤體滲吸特性的影響。

由圖2(c)可知，在外加水分含量為12%、覆壓為6，9，12，15 MPa條件下，水分自上而下滲吸距離為30 mm時，所用的滲吸時間分別為152，141，130，119 min，覆壓6 MPa與9，12，15 MPa煤樣的滲吸時間差分別為11，22，33 min；水分滲吸距離為150 mm時，所用滲吸時間分別為1 258,1 197,1 118，1 060 min，覆壓6 MPa與9,12，15 MPa煤樣的滲吸時間差分別為61,140，198 min。由此可知，在相同外加水分條件下，水分達到相同滲吸的距離所用時間隨著覆壓的增大而減小，即滲吸速度隨著覆壓的增大而增大；通過滲吸距離隨時間的變化曲線可知，隨著滲吸時間的延長，水分在煤樣中的滲吸速度逐漸變小。

分析上述現(xiàn)象的原因主要是由于毛細管中液體上升(下降)的高度會隨著其直徑的減小而增大，而覆壓的增大會導(dǎo)致煤樣孔隙率的下降，即覆壓的增大會導(dǎo)致煤樣中毛細管直徑的減小。因此，滲吸過程中，不同覆壓下，滲吸速度會隨著覆壓的增大而增大。隨著滲吸時間的增加，同一覆壓下煤體的滲吸速度逐漸下降，這主要是由于煤體中的水分會隨著滲吸距離的延長而逐漸減少所造成的。

2.1.2 滲吸過程中覆壓對煤體瓦斯解吸的影響

由上述分析可知，不同覆壓條件下受載含瓦斯煤體的滲吸速度有所不同。同時，水分的進入可以置換出煤體的瓦斯，通過實驗設(shè)備中的等壓解吸系統(tǒng)，可對水分置換出的瓦斯量進行計量，從而得到不同覆壓條件下瓦斯置換量隨時間的變化曲線。當(dāng)外加水分含量為12%時，不同覆壓條件下瓦斯置換量隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 覆壓對滲吸過程中瓦斯置換量的影響Fig.3 Influence of overburden pressure on gas replacement amount during imbibition process

由圖3可知，煤樣在外加水分含量為12%條件下，覆壓從6 MPa增加至9 MPa時，實驗結(jié)束時最大瓦斯置換量從4.1 cm3/g增加至4.32 cm3/g，增幅為5.4%；當(dāng)覆壓從9 MPa增加至12 MPa時，最大瓦斯置換量從4.32 cm3/g增加至4.68 cm3/g，增幅為8.3%；當(dāng)覆壓從12 MPa增加至15 MPa時，最大瓦斯置換量從4.68 cm3/g增加至5.2 cm3/g，增幅為10%。覆壓15 MPa比覆壓6 MPa條件下的最大瓦斯置換量增加了27%。

顯然，在外加水分不變條件下，瓦斯置換量隨著覆壓的增大而增大。且水分在滲吸過程中置換出來的瓦斯量隨著時間的變化分為3個階段：快速增加階段，水分的進入置換出大量瓦斯，不同覆壓條件下瓦斯置換量差別不大；緩慢增加階段，瓦斯置換量隨覆壓的增加而增加，且這種趨勢越來越明顯；維持穩(wěn)定階段，此時，隨著時間的增加，瓦斯置換量逐漸保持穩(wěn)定。

通過上述分析可知，在井下對煤體實施煤層注水等水力化措施后，由于滲吸作用，水分會在煤體中繼續(xù)運移并置換煤體中的瓦斯，降低煤層瓦斯含量。在一定覆壓范圍內(nèi)，水分對瓦斯的置換量隨著覆壓的增加而增加，在應(yīng)用煤層注水等水力化措施時，要充分考慮到煤層埋深及采動對煤體覆壓的影響，從而合理地調(diào)整煤層注水參數(shù)。

2.2 水分對含瓦斯煤體滲吸特性的影響

由于實驗數(shù)據(jù)較多，以覆壓為12 MPa，外加水分質(zhì)量分別為煤樣質(zhì)量的6%，9%，12%，15%的條件下的含瓦斯煤樣滲吸實驗數(shù)據(jù)為例進行分析。

2.2.1 水分對含瓦斯煤體滲吸距離和速度的影響

在覆壓12 MPa，不同外加水分含量條件下，含瓦斯煤樣的滲吸距離隨時間的變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同外加水分條件下滲吸距離與時間的關(guān)系Fig.4 Relationship between imbibition distance and time under

從圖4可看出，覆壓12 MPa，外加水分為煤樣質(zhì)量6%的條件下，外加水分滲吸距離為30，70，110，150 mm時，所對應(yīng)的滲吸時間分別是155,374,649,1 466 min；外加水分為煤樣質(zhì)量15%的條件下，當(dāng)外加水分滲吸距離為30，70，110，150 mm時，所對應(yīng)的滲吸時間分別為114，283，550，1 071 min。由此可知，在相同覆壓，不同外加水分條件下，水分自上而下到達同一滲吸的距離時所用的時間，隨著外加水分的增大而減小，即滲吸速度隨著外加水分的增大而增大；隨著滲吸時間的繼續(xù)增加，水分在煤樣中的滲吸速度逐漸變慢。

分析上述現(xiàn)象的原因可知，在自上而下滲吸中，水分在煤體中的滲吸動力主要為重力和毛細管力。在同一覆壓條件下，滲吸速度隨著外加水分的增大而增大，這主要是由于重力的不同而產(chǎn)生的。水分從煤樣頂部向下運移過程中，一部分外加水分被煤體以吸附態(tài)或游離態(tài)所束縛而無法繼續(xù)向下移動。因此，當(dāng)水分運移至煤體同一位置時，外加水分較多時未被煤體束縛的水分也較多，重力對其向下運動的促進作用也更加明顯。隨著滲吸時間和距離的延長，未被煤體束縛的自由水分逐漸減少，滲吸作用逐漸衰減，滲吸速度逐漸變慢。

2.2.2 滲吸過程中水分對煤體瓦斯解吸的影響

在覆壓12 MPa、不同外加水分條件下，滲吸過程中的瓦斯置換量隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 外加水分對滲吸過程中瓦斯替換量的影響Fig.5 Influence of additional moisture content on gas replacement amount during imbibition process

從圖5可看出，外加水分為煤樣質(zhì)量的6%時，隨著時間的增加，瓦斯置換量從0 cm3/g逐漸增加至3.73 cm3/g左右；外加水分為9%，12%，15%條件下的瓦斯置換量隨時間也分別從0逐漸增加至4.32，4.68，5.25 cm3/g。外加水分15%條件下的瓦斯置換量比外加水分為6%時增加了40%左右。因此，在相同覆壓條件下，瓦斯置換量隨著外加水分的增大而增大。由前文分析可知，外加水分的增加，導(dǎo)致當(dāng)滲吸時間相同時，水分滲吸距離的增大，從而水分可置換出更多煤體中的瓦斯。同時，水分子的增多，會占據(jù)煤樣中更多的空間與吸附位，由此置換出更多的瓦斯。

通過上述分析可知，在煤層注水時，適當(dāng)?shù)卦黾幼⑺磕軌蛟黾铀衷诿后w中的滲吸速度，擴大水分對煤體的潤濕范圍，從而置換出更多的瓦斯。

3 結(jié)論

1)在相同外加水分、不同覆壓條件下，水分在煤體中到達相同滲吸距離所用時間隨覆壓的增大而減小，即滲吸速度隨覆壓的增大而增大；隨滲吸時間的延長，水分在煤樣中的滲吸速度逐漸減小。

2)在相同覆壓，不同外加水分條件下，水分在煤體中的滲吸速度隨外加水分的增大而增大；隨滲吸時間的延長，水分在煤樣中的滲吸速度逐漸減小。

3)滲吸過程中水分置換出來的瓦斯量隨時間變化分為3個階段，在第1 個階段覆壓和外加水分的變化對瓦斯置換量影響不大，之后2個階段瓦斯置換量隨著外加水分和覆壓的增大而增大，并逐漸達到1個極限值。