不同壓力水作用下煤瓦斯解吸規(guī)律研究

李剛強，陳學習

(華北科技學院 礦山安全學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層注水是一種有效的瓦斯防突手段，已在煤礦現(xiàn)場得到廣泛應用，注水防突原理主要是通過影響煤層瓦斯解吸特性，減緩瓦斯釋放速度和釋放量，從而防止煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。許多專家學者研究了注水對煤瓦斯吸附解吸的影響，普遍認為水可以起到抑制瓦斯解吸的作用[1-9]。其中，周珺等[10]通過實驗測試，發(fā)現(xiàn)壓裂液可以侵入煤基質和微割理，對瓦斯在煤層中的解吸、運移起到一定的阻礙作用。林柏泉等[11]通過現(xiàn)場注水，發(fā)現(xiàn)微觀水分子對煤體瓦斯解吸可以起到抑制作用進而減少工作面的瓦斯涌出量。趙東等[12]利用塊狀原煤進行自然解吸和不同壓力下的高壓注水解吸實驗，發(fā)現(xiàn)瓦斯解吸率會隨注水壓力的增大而減小并最終趨于穩(wěn)定。肖知國等[13]通過對注水對等溫解吸特性、甲烷解吸速度以及殘存瓦斯含量的影響的研究，認為注水對吸附甲烷的解吸具有明顯的抑制效應。張國華等[14]通過實驗證實外液侵入煤體后會產(chǎn)生水鎖效應，一方面會造成瓦斯解吸量和釋放量的減少，另一方面也能夠減緩煤體瓦斯的解吸和釋放速度。牟俊惠等[15]通過分析不同含水率條件下，多種變質程度煤的瓦斯放散初速度，發(fā)現(xiàn)水分可以有效地減緩瓦斯放散初速度。還有一些學者通過其他手段研究了水分對煤體吸附和解吸瓦斯的影響。如聶百勝等[16]通過分子熱力學和表面物理化學方法研究了化水對煤吸附作用的影響，降文萍等[17]采用量子化學方法建模研究了煤、水和瓦斯的相互作用。

本文以無煙煤為對象，主要研究其在不同注水壓力條件下的瓦斯解吸量和速率變化規(guī)律，通過擬合和誤差分析，找出最適合描述該實驗條件下瓦斯解吸量和解吸速率曲線的經(jīng)驗公式，對于分析注水壓力對瓦斯吸附解吸的影響，以及煤層注水防止煤與瓦斯突出具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

采用高壓注水煤樣瓦斯恒溫解吸實驗臺，其中，恒溫水浴精度為±1℃；吸附過程壓力檢測采用高精度壓力傳感器，精度為0.01 MPa；高壓注水設備采用SB-10型手動試壓泵，加壓范圍為0～10 MPa；采用排水集氣法測量解吸瓦斯量，選用量程為1.5 L，刻度為5 mL的兩根量筒并聯(lián)組成，可估讀至1 mL。實驗裝置原理圖如圖1所示。

1-試壓泵；2，8，13,15-精密壓力表；3，9,10,11,12-截止閥；4-煤樣罐；5-恒溫水?。?-解吸測量裝置；7-真空泵,14,16-減壓閥；17-高壓甲烷氣瓶；18-高壓氮氣瓶圖1 實驗裝置原理圖

1.2 實驗方法

選取江西高安礦區(qū)無煙煤、山西呂梁礦區(qū)焦煤和河北開灤礦區(qū)長焰煤作為實驗用煤(工業(yè)分析見表1)。在井下取大塊無煙煤，現(xiàn)場立即采用蠟封方式包裹封存。為模擬真實煤層條件，在實驗室將現(xiàn)場選取的大塊無煙煤制作成為圓柱形煤樣，尺寸為?50 mm×100 mm，盡量不破壞煤體原有的孔隙和裂隙。采用真空干燥箱對煤樣進行干燥處理后放置到煤樣灌中，采用恒溫水浴確保煤樣灌內部溫度在實驗期間始終保持在30℃恒定不變，同時檢查煤樣灌的氣密性，并標定記錄灌內自由空間體積。

表1 實驗煤樣工業(yè)分析

實驗過程主要分為四個步驟：第一步真空脫氣，打開截止閥10和11，用真空泵抽取煤樣罐內空氣，直至灌內壓力下降至-0.1 MPa，脫氣時長3 h；第二步充氣吸附，打開截止閥10和12，向煤樣罐內充入一定壓力的高壓瓦斯氣體，記錄灌內壓力變化直至壓力恒定，即視為達到吸附平衡，吸附時長24 h；第三步高壓注水，打開截止閥3，采用試壓泵向煤樣罐內部注水，直至罐體上端出水口有水溢出，隨即關閉出水口繼續(xù)注水至指定壓力，記錄注水過程中的壓力變化；第四步瓦斯解吸，打開截止閥9，使用集氣裝置進行常壓解吸，直至解吸速率低于10 mL/h，即視為達到解吸平衡。

2 不同壓力水的煤樣瓦斯解吸實驗

2.1 相同注水壓力不同吸附平衡壓力條件對比實驗

將無煙煤煤樣分別在0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa等3個吸附平衡壓力下進行吸附，直至吸附平衡。隨后，測試記錄煤樣在5 MPa注水壓力下的瓦斯解吸總量和解吸速度，如圖2所示。

圖2 不同吸附平衡壓力瓦斯解吸總量和解吸速度規(guī)律

從圖2可以看出，在3種吸附平衡壓力下，煤樣瓦斯解吸總量隨時間先單調遞增后趨于穩(wěn)定，隨吸附平衡壓力增加而增加。煤樣瓦斯解吸速度隨時間先快速降低后趨于穩(wěn)定，受吸附平衡壓力影響不大。吸附平衡壓力1.0 MPa、1.5 MPa相對于0.5 MPa，瓦斯解吸量分別增加39.44%和64.15%，瓦斯解吸速度分別增快20.2%和58.06%，說明在相同注水壓力和解吸時間條件下，吸附平衡壓力越大，瓦斯解吸總量越大，瓦斯解吸速度越快。

可以認為，在煤樣注水壓力相同的情況下，瓦斯解吸總量和解吸速度同吸附平衡壓力正相關，達到一定值后趨于穩(wěn)定。解吸速度表現(xiàn)先快速減慢后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，受吸附平衡壓力影響不大。

2.2 相同吸附平衡壓力不同注水壓力條件對比實驗

將無煙煤煤樣在1.0 MPa壓力下進行瓦斯吸附至平衡狀態(tài)，隨后分別在9.0 MPa、5.0 MPa、1.5 MPa和自然壓力等4種注水壓力下進行解吸實驗，瓦斯解吸總量和解吸速度隨時間變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同注水壓力下瓦斯解吸總量和解吸速度規(guī)律

從圖3可以看出，在相同吸附平衡壓力條件下，瓦斯解吸速度和解吸總量均與注水壓力呈負相關，即瓦斯解吸速度和解吸總量隨注水壓力的增大而減慢和減少。解吸速度表現(xiàn)出先減慢后趨于一個穩(wěn)定值的規(guī)律。自然解吸的干燥煤樣比注水的煤樣瓦斯解吸速度更快，解吸總量更大。

2.3 注純水和注添加表面活性劑溶液對比實驗

將無煙煤煤樣在1.0 MPa壓力下進行瓦斯吸附至平衡狀態(tài)，隨后分別注入純水和添加質量比為0.8% OP-10和0.2% CaCI2的復配表面活性劑溶液，注入溶液性質見表2。注入壓力為5 MPa條件下的瓦斯解吸速度和解吸總量變化規(guī)律如圖4所示。

表2 注入溶液性質

圖4 注純水與添加表面活性劑溶液瓦斯解吸總量和解吸速度規(guī)律對比

從圖4可以看出，在同一吸附平衡壓力和注水壓力下，注純水比注入復配的表面活性劑溶液瓦斯解吸速度更快，解吸總量更多。復配的表面活性劑溶液與煤的接觸角更小，更容易進入到煤樣的深層孔隙和裂隙，相對于注純水對瓦斯釋放通道的封堵作用更明顯，抑制瓦斯解吸的作用更為顯著。

2.4 不同變質程度煤相同注水條件對比實驗

將無煙煤、焦煤和長焰煤三種煤樣在1.0 MPa壓力下進行瓦斯吸附至平衡狀態(tài)，隨后在5.0 MPa注水壓力下進行解吸實驗，瓦斯解吸總量和解吸速度隨時間變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5可以看出，在相同吸附平衡壓力和注水壓力條件下，瓦斯解吸速度和解吸總量均與煤的變質程度呈正相關，即煤的變質程度越高，瓦斯解吸速度越快，解吸總量越多，瓦斯解吸能力越強。

圖5 不同變質程度煤相同注水條件瓦斯解吸總量和解吸速度規(guī)律

3 不同壓力水作用下煤樣瓦斯解吸速率及解吸量擬合

將上述實驗中吸附平衡壓力1.0 MPa、注水壓力5 MPa、注純水條件下得到的累計解吸量數(shù)據(jù)用三種具有代表性的解吸經(jīng)驗公式進行擬合分析，結果見表3：

表3 不同注水壓力下累計瓦斯解吸量擬合結果

由表3可知，不同解吸解吸經(jīng)驗公式對加壓注水條件下煤樣瓦斯解吸量的擬合效果不同，但相差不大：烏斯基諾夫式在瓦斯解吸整個過程中的擬合效果最好，王佑安次之，文特式的擬合效果最差。因此，用烏斯基諾夫式能較好的描述煤樣瓦斯在加壓注水條件下的解吸特性。

為了進一步考察注水壓力對瓦斯解吸特性的影響，利用烏斯基諾夫式的解吸速度擬合公式對不同注水壓力下瓦斯解吸速度和時間參數(shù)進行擬合，結果見表4。

由圖2和表3可以得出，瓦斯解吸速度隨時間的增加而減小，當不斷提高注水壓力，含瓦斯煤樣的初始瓦斯解吸速度呈現(xiàn)下降的趨勢，壓力水降低了瓦斯放散初速度，對瓦斯的解吸產(chǎn)生了明顯的抑制作用，衰減系數(shù)也在減小，這說明，注水壓力對瓦斯解吸的抑制影響僅在解吸初期作用明顯，隨著時間的推移，解吸速度下降緩慢。水在不同的孔裂隙中的運動驅動力不同，在較小的孔隙中主要是毛細力作用，而進入到微孔結構中分子的擴散運動占據(jù)主導地位，外界壓力水能夠在壓差的作用下，克服界面張力、毛管力進入煤體小孔和微孔中，注水壓力越大，進入的孔隙尺度就越深，水分就能夠使得煤體的滲透率大幅度降低，在煤樣瓦斯解吸過程中的阻礙和抑制作用也就越強，但當進入孔隙中的水分達到飽和狀態(tài)，對瓦斯的抑制解吸的作用影響甚微，最終趨于穩(wěn)定。

表4 不同注水壓力下瓦斯解吸速率擬合結果

4 不同壓力水作用下瓦斯解吸量和解吸速率擬合誤差分析

通過上節(jié)擬合分析結果，可以得知對于不同注水壓力條件下瓦斯解吸量和解吸速率的擬合效果烏斯基諾夫式效果最佳。利用烏斯基諾夫式分別計算不同時間段、不同注水壓力下的瓦斯解吸量和解吸速率，通過對比實驗所得數(shù)據(jù)進行誤差分析，驗證描述該實驗結果的準確性和合理性。分析結果見表5和表6。

表5 不同注水壓力不同時間段累計瓦斯解吸量誤差分析

表6 不同注水壓力不同時間段瓦斯解吸速率誤差分析

從上述實驗結果我們可以看出，烏斯基諾夫式對于不同注水壓力條件下，不同時間段內累計瓦斯量的擬合誤差均較小，誤差最大為2.81%，非常適合描述實驗結果；但對于不同時間段內瓦斯解吸速率的擬合誤差來說，效果不是太好，誤差大概在2%～21%之間，波動較大，尤其是擬合時間段的中后期，結果均距離實際較遠。我們又采用文特式和王佑安式進行了驗證，效果均好于烏斯基諾夫式。因此可以運用烏斯基諾夫式來描述不同注水壓力條件下累計瓦斯解吸量曲線，而用文特式和王佑安式來描述解吸速率曲線是最佳的選擇。

5 結論

(1) 相同時間內，煤樣瓦斯解吸總量和解吸速度隨吸附平衡壓力增大而增多和變快，呈正相關關系。隨著注水壓力提高，煤樣瓦斯解吸總量變小，解吸速度變慢，呈負相關關系；注純水煤樣的瓦斯解吸量比注添加表面活性劑溶液大，解吸速度更快。注水壓力越大，水分能進入到的煤體孔隙尺度越小，對瓦斯解吸抑制作用越強。添加表面活性劑可降低液體表面張力，促進水分對煤體濕潤作用，加強對瓦斯解吸的抑制作用。掌握吸附平衡壓力、注水壓力、注水介質、變質程度煤對瓦斯解吸量和解吸速率的影響規(guī)律，對煤層注水防突具有一定的指導意義。

(2) 使用三種具有代表性的解吸公式對累計瓦斯解吸量和解吸速率進行擬合分析，并對比擬合公式的計算值與實際值的誤差，得出烏斯季諾夫式能夠更好地描述注水條件下的瓦斯解吸量，文特式和王佑安式能夠更好地描述注水條件下的瓦斯解吸速率。此三種公式可用于估算煤層注水后的瓦斯解吸量和解吸速率，分析瓦斯解吸規(guī)律，繼而指導瓦斯突出預測。