不同壓制負荷重塑煤體飽和滲透系數(shù)研究

孫永鑫，王兆豐，2，3，代菊花，岳基偉

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險救災(zāi)教育部工程研究中心，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003）

在煤炭開采過程中，煤層注水常用于防治煤塵災(zāi)害和局部瓦斯消突，但注水效果受到多種因素的影響。傅貴等[1]采用煤樣底部滲吸實驗，研究了煤對水分吸收速度，結(jié)果表明平均毛細管力是影響滲吸速度的主要因素，過渡孔和半大孔是煤的主要滲吸通道；秦文貴等[2]通過注水試驗，考察了煤孔隙對注水增量的影響，得出了水在煤孔隙中滲透和保存的最小孔隙尺度；李皓偉等[3]研究了多種表面活性劑對煤體的濕潤效果，并得出了表面活性劑的最適濃度；呂品[4]通過注水實驗研究了覆壓對煤體滲透率的影響，結(jié)果表明覆壓的增大會使煤樣孔隙變小，從而導(dǎo)致滲透率的減?。豢堤旌系萚5]研究了煤的變質(zhì)程度、賦存條件和結(jié)構(gòu)特征對煤體導(dǎo)水系數(shù)的影響；樊亞慶等[6-7]通過自主搭建的等壓滲吸實驗平臺，研究了瓦斯置換量和含水率的關(guān)系。

飽和導(dǎo)水系數(shù)是反映介質(zhì)滲透特性的重要參數(shù)。在水土環(huán)境研究領(lǐng)域，飽和滲透系數(shù)表示單位水勢梯度下、單位時間內(nèi)通過水飽和土壤單位面積的水量，是設(shè)計灌溉工程的重要參數(shù)之一?？紫督橘|(zhì)的基本特性是影響飽和滲透系數(shù)的主要因素。陳明亮[8]對土壤飽和滲透系數(shù)的空間變異性進行了研究，結(jié)果表明土壤飽和滲透系數(shù)主要與大孔隙度有關(guān)，二者之間的關(guān)系可用冪函數(shù)和直線函數(shù)表示；孟晨[9]、敖家坤等[10]分析了大孔隙對飽和滲透系數(shù)的影響，結(jié)果表明不同土樣中大孔隙的分布呈現(xiàn)出不均一性，存在大孔隙的原狀土樣，其飽和滲透系數(shù)的變異遠大于孔隙分布較為均一的處理土樣；李燕等[11]利用不同干密度壓實黃土，通過其孔隙結(jié)構(gòu)分布預(yù)測滲透曲線，并進行了實驗驗證；李華等[12]測定了不同干密度壓實土樣的滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)在低吸力階段，不同土樣的滲吸系數(shù)差異較大，而在高吸力階段差異較小。

煤作為一種多孔介質(zhì)，其內(nèi)部存在著豐富的裂隙孔隙，這些裂隙孔隙的存在對于水分的運移有著重要的影響。但是，對于煤體的飽和滲透系數(shù)及其影響因素還鮮有研究?；诖?，擬采用不同壓制負荷下得到的重塑煤樣，采用自主設(shè)計的常水頭滲透實驗裝置，對不含瓦斯重塑煤樣的滲透特性進行研究。

1 實驗內(nèi)容

1.1 煤樣的制備

以焦作古漢山礦高變質(zhì)無煙煤為研究對象，該礦井屬于煤與瓦斯突出礦井。由于實驗煤樣為構(gòu)造煤，煤質(zhì)較軟，難以取心，而型煤孔隙結(jié)構(gòu)與原煤差別較小，且在研究水分運移規(guī)律時多用型煤常進行實驗[13-14]，故利用電液伺服萬能機將所取煤樣壓制成型煤進行實驗。其中，對煤樣的壓制載荷分別設(shè)置為50、70、90、110 MPa，具體制備過程如下：

1）在工作面采取新鮮煤樣后立即裝入密封袋密封，實驗室將煤樣粉碎，收集粒徑0.25 mm 以下和0.25～0.5 mm 的煤粉。

2）將這2 種粒徑的煤粉進行干燥，干燥箱溫度為105 ℃，干燥時長12 h。

3）當(dāng)煤樣干燥完成后冷卻至室溫，按質(zhì)量比1∶2稱取一定質(zhì)量的上述煤粉，并用10%的蒸餾水進行混合。

4）將加水后的煤樣攪拌均勻后加入煤樣罐，采用伺服萬能機和模具進行壓制，并穩(wěn)壓2 h，將其制成尺寸為?100 mm×160 mm 的型煤煤樣。

5）將壓制好的型煤放入溫度為105 ℃的干燥箱中干燥48 h，以充分去除煤樣中的水分。干燥完成后冷卻至室溫備用。

1.2 不同壓制負荷型煤孔隙結(jié)構(gòu)測試

采用液氮低溫吸附法對不同壓制負荷下形成的重塑煤樣進行孔隙結(jié)構(gòu)測試。實驗采用的測試儀器為ASAP2020 型全自動孔隙率與比表面積分析儀，其基本原理為：氮氣相對壓力p0/p 能夠影響氮氣在煤體表面的吸附量，其中p0為飽和蒸氣壓；p 為氣體平衡壓力。當(dāng)p0/p 在一定范圍內(nèi)增大時，氮氣被吸附至煤樣不同大小的孔隙中并轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。根據(jù)不同壓力下的氮氣吸附/脫附量，即可計算出孔體積、孔徑、孔分布和比表面積。實驗具體操作步驟如下：

1）按照上述重塑煤樣制作方法，在50、70、90、110 MPa 載荷下壓制煤樣，壓制成型的煤樣呈圓柱體，直徑和高度均為16 mm。

2）稱量上述煤樣的質(zhì)量，精確到0.000 1 g。稱量結(jié)束后將煤樣放入樣品管中。

3）將樣品管中的煤樣加熱脫氣12 h，脫氣結(jié)束后進行低溫液氮吸附/解吸實驗。

1.3 飽和滲透系數(shù)測試

在煤樣制作完成之后，將煤樣罐接入實驗系統(tǒng)進行煤體的飽和滲透系數(shù)測定試驗，實驗裝置示意圖如圖1。

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

實驗裝置采用的是常水頭法，即水流在一定水頭差下通過試驗煤樣，根據(jù)飽和煤樣的滲透流量Q和時間t 來計算煤樣的飽和滲透系數(shù)。整個實驗裝置包括常水頭加水單元、煤樣罐和出水計量單元。常水頭加水單元是由供水量筒、加水杯和計量天平組成，供水量筒可保持穩(wěn)定的水頭，計量天平可對注入煤體的水量進行計量；出水計量裝置可對煤樣滲出水量進行計量。

根據(jù)前人研究成果[15]，水分在多孔介質(zhì)中的流動符合Darcy 定律。在煤樣吸水飽和之后，煤樣的飽和滲透系數(shù)K 可由下式得出：

式中：K 為實驗煤樣的滲透系數(shù)，cm/s；Q 為重塑煤樣的滲透流量，cm3；L 為水滲透通過重塑煤樣的長度，cm；H 為水頭損失，cm；A 為實驗煤樣過水截面面積，cm2；t 為滲透流量Q 通過煤樣所對應(yīng)的時間，s。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同壓制負荷重塑煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)

按照上述實驗步驟對不同壓制負荷制成的重塑煤體的孔隙結(jié)構(gòu)進行低溫液氮吸附實驗，低溫液氮吸附/脫附等溫線如圖2。

圖2 低溫液氮吸附/脫附等溫線Fig.2 Adsorption / desorption isotherms of low temperature liquid nitrogen

由圖2 可知，不同負荷壓制的重塑煤體吸附曲線趨勢一致，形態(tài)符合Ⅱ型等溫線。各重塑煤樣在相對壓力較低時，吸附曲線均有緩慢上升，隨著相對壓力繼續(xù)增加，吸附量急劇增加，這說明了重塑煤樣中較大的孔為開放型孔隙，在相對壓力較高時，氮氣在孔隙發(fā)生了毛細冷凝現(xiàn)象，導(dǎo)致吸附曲線急劇上升。不同負荷壓制的重塑煤樣的脫附曲線均存在遲滯效應(yīng)，根據(jù)IUPAC 吸附滯后環(huán)的分類，發(fā)現(xiàn)在相對壓力為0.5 處的脫附曲線滿足H2 型遲滯環(huán)特征，即樣品中存在墨水瓶型的孔隙。同時，按照霍多特孔隙分類方法對不同負荷下壓制的重塑煤樣孔隙體積進行分析，不同類型孔隙的體積占比見表1。

表1 不同類型孔隙的體積占比Table 1 Volume ratio of different types of pores

根據(jù)表1 可知，不同壓制負荷制成的重塑煤樣中，過渡孔所占孔隙總體積最大，在57%以上；微孔次之，占孔隙總體積28%以上；中孔所占比例最小，占孔隙總體積14%以下。隨著壓制負荷的增大，煤樣的孔隙率逐漸減小，中孔和過渡孔體積占比也隨之減少，這說明在較大的載荷下煤樣更加密實。

2.2 不同壓制負荷重塑煤樣的飽和含水率

利用常水頭滲透實驗裝置對不同壓制負荷下形成的重塑煤樣進行飽和滲吸系數(shù)的測試，重塑煤樣含水率隨時間變化關(guān)系如圖3。

圖3 重塑煤樣含水率隨時間變化關(guān)系Fig.3 Relationship between moisture content ofremolded coal sample and time

由圖3 可以看出，在吸水過程中，不同壓制負荷下形成的重塑煤樣的質(zhì)量含水率均隨著時間表現(xiàn)為先快速增加，后緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定。實驗結(jié)束時，在50、70、90、110 MPa 壓制負荷下形成的重塑煤樣，其飽和含水率分別為24.5%、21%、19.1%和17.3%，即重塑煤樣的飽和含水率隨壓制載荷的增大而逐漸減小，兩者之間符合形如y=a×xb的函數(shù)關(guān)系，重塑煤樣飽和含水率隨壓制載荷變化關(guān)系如圖4。

圖4 重塑煤樣飽和含水率隨壓制載荷變化關(guān)系Fig.4 Relationship between saturated moisture content of remolded coal sample and pressing load

分析可知，當(dāng)煤樣壓制負荷較小時，煤樣的孔隙率較大，從而可以儲存更多的水分。煤體飽和含水率反映了煤樣的持水容量，在煤層注水時，應(yīng)充分考慮煤樣的孔隙特性，合理地設(shè)計注水時間和注水量，以便于能夠達到更好的降塵和局部消突效果。

2.3 不同壓制負荷重塑煤樣飽和滲透系數(shù)

當(dāng)重塑煤樣的質(zhì)量含水率不再隨時間發(fā)生明顯變化時，即可視為煤樣吸水飽和。由于煤樣罐下方出水口水滴滴落的不連續(xù)性，在實驗數(shù)據(jù)中選取一段時間內(nèi)的多組滲透流量和滲透時間數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）對不同壓制負荷條件下制成的重塑煤樣的飽和滲透系數(shù)進行計算，不同壓制負荷重塑煤樣的飽和滲透系數(shù)如圖5。

由圖5 可知，當(dāng)重塑煤樣壓制負荷為50 MPa時，煤樣的飽和滲透系數(shù)在8×10-5cm/s 左右；當(dāng)重塑煤樣壓制負荷為70 MPa 時，煤樣的飽和滲透系數(shù)在3×10-5cm/s 左右；當(dāng)重塑煤樣壓制負荷為90 MPa 時，煤樣的飽和滲透系數(shù)在1.5×10-6cm/s 左右；當(dāng)煤樣壓制負荷為110 MPa 時，煤樣的飽和滲透系數(shù)在6×10-7cm/s 左右，與50 MPa 壓制的重塑煤樣的飽和滲透系數(shù)相差了2 個數(shù)量級。顯然，壓制負荷的增大限制了煤樣的滲透特性，這主要是由于較小負荷壓制的重塑煤樣中，總空隙體積較大，且過渡孔和中孔所占總孔隙體積比例也較大，這些孔隙構(gòu)成了水在煤體中的主要流動通道。壓制載荷的增大使得煤樣中的孔隙往更小的方向發(fā)展，減少了過渡孔、中孔以及大孔等煤中水分的主要滲流孔。故壓制負荷小的煤樣更容易靜壓水的運移，水分的運移速度也更快。

圖5 不同壓制負荷重塑煤樣的飽和滲透系數(shù)Fig.5 Saturated permeability coefficient of remolded coal under different compaction loads

3 結(jié) 論

1）隨著壓制負荷的增大，重塑煤樣的過渡孔及中孔體積所占比例逐漸減小，微孔體積略微增大，煤樣的孔隙率逐漸減小，煤樣更加密實。

2）重塑煤樣的飽和含水率隨壓制載荷的增大而減小，兩者之間符合單調(diào)遞減函數(shù)關(guān)系，說明了壓制負荷小、孔隙率大的煤中容易儲存較多的水分。

3）壓制負荷的增大使得微孔以上孔隙的體積占比逐漸減小，減少了煤的主要滲流通道，故表現(xiàn)為隨著壓制負荷的增大，煤的飽和滲透系數(shù)逐漸減小。