水分自然侵入促进含瓦斯煤解吸效应实验研究

 陈金生，王兆丰，樊亚庆

（1．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000；

 2．煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南焦作454000）

摘要：为定量研究水分自然侵入对含瓦斯煤解吸促进影响效果，利用自制的“高压吸附一水分自然侵入一数据自动采集”实验系统，对不同水分含量自然侵入含瓦斯煤后的瓦斯压力变化进行了连续监测。结果表明：水分侵入后依靠竞争吸附能置换出吸附瓦斯，从而促进含瓦斯煤瓦斯解吸，其促进效果与煤样含水率相关；当煤样含水率由2 %增至12 %时，瓦斯置换量由2.18 ml/g增至4.48 ml/g，瓦斯置换率由11. 48%增至23. 83%，煤样吸水饱和前，含水率Mad与瓦斯置换量Q和置换率77之间满足Q=1. 695Mad/（1+0.3Mad）和叼=8.85Mad/(1 +0. 29Mad)关系模型，煤样吸水饱和时，水分对瓦斯解吸的促进效果达到极限值；工程应用中可利用水分对瓦斯解吸的促进影响效应进一步提高瓦斯抽采率。

关键词：水分；含瓦斯煤；促进效应；瓦斯置换量；瓦斯置换率

0  引言

 近年来，随着煤矿生产规模的扩大和开采水平的不断延伸，煤与瓦斯突出的强度和频度均呈增大趋势。为有效提高瓦斯抽采效果，缩短瓦斯抽采合理预抽期，国内外普遍采用水力压裂、水力割缝、水里冲孔等强化增透措施。水力化措施实施后，含瓦斯煤的瓦斯解吸规律如何变化受到了国内外学者的普遍关注，并通过井下现场实测注水前后瓦斯涌出量变化和在实验室搭建与煤层注水工序一致的实验平台开展了大量的研究工作。现场研究普遍认为，在注水实施过程中及注水结束后的一小段时间内，工作面煤壁涌出的瓦斯量比注水前有所提高，但工作面落煤阶段瓦斯涌出与未注水相比却有大幅度降低。实验室研究方面，牟俊慧等认为注入水封堵了煤中部分孔隙通道，从而延缓了瓦斯放散速度。赵东等针对块状原煤开展了同注水压力对含瓦斯煤瓦斯解吸影响的实验研究，结果表明瓦斯解吸量随着注水压力的增大而减小，并结合临界孔隙尺度分析了高压注水抑制瓦斯解吸的机理。王兆丰、肖知国、陈向军等针对颗粒煤开展了高压注水影响瓦斯解吸规律的相关实验研究，结果表明注水实施过程中存在“水置气”效应，但在煤层卸压瓦斯解吸阶段，水分的存在又会对瓦斯解吸起到明显的抑制作用。

 总结前人的相关研究，发现在不同的注水时期含瓦斯煤的解吸规律亦不尽相同，总体表现为：水力化措施实施过程中由于高压水致裂煤体提高煤层渗透率，同时在压力水的驱动和置换作用下有利于瓦斯的解吸、渗流和运移；注水结束后水分会封堵瓦斯解吸的通道，又会对瓦斯解吸起到抑制和阻碍作用。

 遗憾的是，前人的研究主要针对水分抑制瓦斯解吸规律方面，而对水力化措施实施过程中水分促进瓦斯解吸的研究开展较少，有待于进一步深入研究。鉴于此，笔者采用先对煤样进行吸附平衡，然后再实现水分自然侵入的实验装置，开展不同水分含量自然侵入过程中对含瓦斯煤瓦斯解吸促进影响效应实验研究，研究结果对认清水分单因素影响下含瓦斯煤的解吸规律以及工程应用中提高瓦斯抽采率具有重要的理论价值和现实意义。

1  实验装置与方法

1.1  实验煤样

实验煤样采自焦作矿区九里山煤矿15采区15071回风巷，属突出煤层，煤种为高变质程度无烟煤。在实验过程中，为使实验煤样更接近于实体煤，同时减少密闭空间死体积，将采集到的新鲜煤样加工制作成型煤后进行实验，煤样工业分析如表1所示。

1.2实验装置

 实验采用自主研制的高压吸附一水分自然侵入一数据自动采集实验系统。该系统主要由真空脱气单元、高压充气单元、水分自然侵入单元、恒温单元和数据自动采集单元五部分组成，实验系统原理如图1所示。该系统能够实现水分在煤样吸附平衡后自然侵入含瓦斯煤，确保在水分侵入过程中无外加驱动力，不改变原含瓦斯煤所处的环境压力；通过高精度压力传感器和计算机设备能够实现对密闭煤样罐内水分浸润铺展过程中的瓦斯压力变化进行全程监控和自动记录，压力传感器精度为0. 012 MPa。

1.3  实验方法与步骤

 1)型煤制作：将采到的新鲜煤样粉碎至0. 25 mm以下、0. 25。0.5 mm两种粒度，按照2:1的比例混合均匀后加入一定量的水，在80 kN的压力下压制1小时制成@50 mm×80 mm尺寸的型煤。

 2)型煤干燥：将制作好的型煤放置于红外干燥箱内，在105℃条件下干燥12 h，然后取出置于干燥器中冷却待用。

3)系统气密性检查及煤样罐死体积标定：将一定量的蒸馏水及干燥后的煤样装罐后，按照图1进行系统连接。向系统内注入氦气至3.5 MPa，按照煤的高压等温吸附试验方法( GB/T19560 - 2008)中的实验步骤进行系统气密性检查和装煤后空间死体积标定。

 4)煤样吸附平衡：打开真空泵7，对系统进行真空脱气，当复合真空计6示数低于20 Pa时停止脱气；打开阀门a，向缓冲罐2内充入纯度为99. 99%的甲烷气体，当压力传感器4示数高于拟定吸附平衡压力1.5 MPa时停止向缓冲罐2充气；打开阀门b，待压力稳定后多次调节阀门d，使煤样达到拟定吸附平衡压力。吸附平衡时间不低于24 h，恒温箱温度设定为30 qC，记录充气前后缓冲罐内压力变化及环境温度。

 5)水分自然侵入：通过旋转内旋螺母10使内置钢瓶12向下运动并挤压水分，使储水缸13内压力达到拟定吸附平衡压力，然后打开针阀11，水分通过自重应力从储水缸底部的孔洞侵入煤样，确保水分的侵入无其他外加驱动力，不改变含瓦斯煤原有的压力平衡状态。

6)压力自动监测与记录：通过压力传感器5、数据采集器3以及计算机设备（图2），对水分侵入含瓦斯煤后煤样罐内瓦斯压力变化进行全程自动监测及记录，数据监测记录一直持续到6h内煤样罐瓦斯压力无变化时终止。

根据监测到的压力数据，利用式(1)可计算出水分侵入i小时后单位质量煤样标况下的累计瓦斯置换量Q。：

 式中：M为装入煤样罐的型煤质量，g；R为通用气体常数，8. 314J/( mol．K)；T为设定的恒温箱温度，K；P。、P；分别为水分侵入前和水分侵入i小时后时刻密闭煤样罐内的瓦斯压力，MPa；Z；、Z。分别为温度为T、压力为P．、P。条件下对应的甲烷气体压缩因子，无量纲；V为煤样罐装煤后的空间死体积，ml，由步骤3）充氦气标定得出。

利用式(2)可计算出水分侵入不同时间后的累计瓦斯置换率，其表达式为：

 式中：叼．为水分侵入i小时后单位质量煤样标况下的累计瓦斯置换率，%；Q。意义同前；Q。为单位质量干燥煤样在某一吸附平衡压力下的瓦斯吸附量，ml/g。

2  实验结果与分析

2.1  实验结果

按照前述实验方法与步骤，设定恒温箱温度为30℃，吸附平衡压力为1.5 MPa（绝对压力），系统测试了不同水量自然侵入(煤样平均含水率分别达到2%、4%、6%、8%、10%，12%)对含瓦斯煤瓦斯解吸的促进影响效果。水分自然侵入含瓦斯煤后，密闭煤样罐内瓦斯压力不断升高，说明水分能置换出处于吸附态的瓦斯，从而有效促进含瓦斯煤瓦斯解吸。根据压力增长曲线，可得到瓦斯置换量随时间的变化曲线，如图3所示。

根据实验终止时监测到的最终压力值，利用公式(1)和公式(2)可分别计算出不同水量自然侵入含瓦斯后单位质量煤样实验终态的瓦斯置换量和瓦斯置换率，结果如表2所示；将不同含水率实验终态的瓦斯置换量和瓦斯置换率采用Origin软件绘制成图，如图4所示。

2.2  结果分析

 结合图3所示的水分侵入不同时间后密闭煤样罐内瓦斯压力和瓦斯置换量变化曲线，以及图4得出的瓦斯置换量、瓦斯置换率随含水率变化曲线，可知：

 1)水分自然侵入含瓦斯煤体后，煤样罐内瓦斯压力逐渐升高，说明依靠水分对吸附瓦斯的置换效应能有效促进含瓦斯煤瓦斯解吸，其促进影响效果与煤样含水率呈现正相关关系。

  2)从水分自然侵入后煤样罐内瓦斯压力增长趋势来看，水分侵入初始阶段瓦斯压力增长迅猛，说明前期瓦斯置换量增速较快，而后逐渐衰减，并能持续相当长一段时间，直至置换效应结束。整个置换效应过程经历“快速置换一缓慢置换一终止置换”三个阶段。

  3)在同一吸附平衡压力(1.5 MPa)条件下，煤样含水率越高，水分促进瓦斯解吸效果越显著。含水率为2%、4%、6%、8%、10%、12%的瓦斯置换量分别达到2.  18、3.09、3.58、3.99、4.29、4.48 ml/g；瓦斯置换率分别达到11. 48%、16. 22%、18. 97%、20. 88%、22. 97%、23. 83 %。起初含水率的增加引起瓦斯置换量和瓦斯置换率的快速增加，而后增加煤样含水率，瓦斯置换量和置换率增速逐渐变缓。由此可见，在水分影响瓦斯置换量和置换率方面，存在着一个极限含水率，该含水率条件下的瓦斯置换量和置换率将达到最大值。进一步分析可知，水分置换吸附瓦斯过程即为煤样吸水润湿过程，水分自然侵入含瓦斯煤后，侵入水分在毛细管力作用下逐渐运移至煤体内部细微孔隙，并在此过程中与处于吸附态的瓦斯气体分子展开激烈的竞争吸附，由于煤对水的吸附能力远大于煤瓦斯的吸附能力，竞争吸附的结果必将是水分置换出处于吸附态的瓦斯，此即置换效应的发生过程。而煤对水的吸附能力是有限的，煤吸水饱和后水分将不再运移，置换效应终止。因此，当煤样含水率达到极限吸水率时，瓦斯置换量和瓦斯置换率达到最大值，此后再向煤样中增加水分，对瓦斯置换量和置换率已无影响。而在实验条件下最大含水率为12 %，实验结束后煤样罐内未发现有液态水残留，说明煤样在实验条件下尚未达到吸水饱和状态。

 4)为获得实验煤样在1.5 MPa吸附平衡压力下的极限瓦斯置换量和置换率，深入研究含水率与瓦斯置换量和瓦斯置换率之间的定量关系，对实验条件下不同含水率对应的瓦斯置换量和瓦斯置换率采用Origin软件进行了拟合分析，拟合结果如图4所示。

由拟合结果和前述分析可知，当煤样含水率达到煤的极限吸水率时，瓦斯置换量和置换率达到最大值，实验条件下的最大瓦斯置换量和置换率分别为5.65 ml/g和30. 53%。在煤样含水率达到煤的极限吸水率之前，瓦斯置换量、瓦斯置换率与煤样含水率之间较好的符合Langmuir等温吸附模型，其表达式为：

 其中，Q为瓦斯置换量，ml/g；叼为瓦斯置换率，%；Mad为煤样含水率，%。

3  研究的工程指导意义

 在工程实践中，为消除工作面的突出危险性，普遍采用瓦斯抽采措施，以降低瓦斯压力水平和瓦斯含量，从而实现工作面安全回采。而对于高瓦斯低透气性煤层，往往需采取强化增透措施，以达到增强瓦斯抽采效果、缩短瓦斯抽采合理预抽期的目的。然而在工程应用中，即便采取了强化增透措施，在瓦斯抽采后期抽采浓度和纯量往往达不到快速消突要求，造成采掘抽失衡。本实验的研究对解决上述问题提出了一种新的思路：即利用实验研究得出的水分侵入后相当长一段时间内水分对瓦斯解吸具有促进效应这一结论，在煤层瓦斯抽采后期，当瓦斯抽采效果达不到预期要求时，利用部分抽采钻孔作为注水孔，向煤体内部注入高压水，其余钻孔则继续实施瓦斯抽采。一方面借助高压水驱替瓦斯实现“水驱气”效果；另一方面水分进入煤体后将与处于吸附态的瓦斯展开激烈的竞争吸附，从而置换出处于吸附态的瓦斯，促进煤层瓦斯解吸。同时，结合实验研究得出的煤样含水率越高，水分促进瓦斯解吸效果越显著这一结论，在实施煤层注水过程中，应最大限度提高煤体的含水率，以提升“水置气”效果，从而提高瓦斯抽采率，实现回采工作面快速消突。

4  结论与建议

 1)水分自然侵入含瓦斯煤后通过竞争吸附能置换出处于吸附态的瓦斯，从而有效促进煤层吸附瓦斯解吸，其促进效果与煤样含水率相关。

 2)在同一吸附平衡压力，煤样含水率越高，水分促进瓦斯解吸效果越显著。当煤样含水率由2%增至12%时，瓦斯置换量由2.18 ml/g增至4.48 ml/g，瓦斯置换率由11. 48%增至23. 83%，起初含水率的增加能够引起瓦斯置换量和置换率的快速增加，而后增速逐渐变缓；煤样达到吸水饱和前，含水率Mad与瓦斯置换量Q和置换率叼之间满足Q=1.695Mad/（1+0.3Mad）和n=8. 85Mad/(1+0.29Mad)关系模型，煤样吸水饱和时，水分对瓦斯解吸的促进达到效果达到极限值，此后再向煤样中增加水分，对促进煤样吸附瓦斯解吸已无影响。

 3)在瓦斯抽采后期，利用部分抽采钻孔实施高压注水，其余钻孔继续实施抽采，一方面可借助压力水驱替煤层瓦斯，另一方面利用水分侵入过程中产生的促进瓦斯解吸效应可进一步有效提高瓦斯抽采率。