張國華,　壽紀(jì)鵬

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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水驅(qū)氣中驅(qū)動(dòng)液侵入對(duì)瓦斯解吸的影響

張國華,壽紀(jì)鵬

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

針對(duì)水驅(qū)氣的實(shí)施時(shí)間和驅(qū)動(dòng)液的選擇問題,利用外液侵入條件下含瓦斯煤的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置,開展了純水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%JFC滲透劑溶液侵入過程中和侵入后對(duì)瓦斯解吸影響實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:在煤層高壓注液過程中對(duì)瓦斯的解吸和運(yùn)移具有促進(jìn)作用,且促進(jìn)作用的表現(xiàn)程度與液體的性質(zhì)有關(guān),而在注液之后則對(duì)瓦斯解吸與釋放具有延緩與阻礙作用。為了充分利用上述兩種作用,在水驅(qū)氣的實(shí)施時(shí)間上宜選在抽采末期,而在驅(qū)動(dòng)液的選擇上則宜在純水中添加一定量的滲透劑,變“水驅(qū)氣”為“液驅(qū)氣”。在抽采鉆孔利用上,注液孔與抽采孔宜分開使用。該研究可以為水驅(qū)氣的利用提供參考。

瓦斯抽采; 水驅(qū)氣; 實(shí)施時(shí)間; 驅(qū)動(dòng)液

0　引　言

煤礦井下回采工作面瓦斯抽采與工作面正?；夭芍g相互制約問題一直存在。欲達(dá)到應(yīng)有的抽采效果,必須有足夠的抽采時(shí)間來保證,否則就會(huì)因抽采時(shí)間不足而導(dǎo)致在回采過程中工作面仍然存在瓦斯超限;反之,若過分追求抽采效果則勢(shì)必會(huì)影響工作面正?；夭?導(dǎo)致生產(chǎn)能力難以正常發(fā)揮。歸根結(jié)底,該問題主要是由于瓦斯的抽采效率和抽采率比較低而造成的[1]。

為了提高瓦斯的抽采效率和抽采率,學(xué)者們做了大量研究工作:一是通過深孔松動(dòng)爆破、水力壓裂、水力割縫等技術(shù)措施,增加儲(chǔ)層內(nèi)部的裂隙通道,從而提高儲(chǔ)層的滲透率[2-7];二是優(yōu)化抽采工藝和布孔參數(shù)[8];三是采用氣驅(qū)氣或水驅(qū)氣等措施,促進(jìn)瓦斯脫附并加快瓦斯在孔道中的運(yùn)移[9-10];四是采用外加電磁場(chǎng)來促進(jìn)瓦斯解吸[11]。前兩者在應(yīng)用上較多,但其效果因地而異。關(guān)于氣驅(qū)氣,在應(yīng)用上主要集中在地面鉆井煤層氣開采領(lǐng)域,在井下回采工作面瓦斯抽采中應(yīng)用極少。對(duì)于后者,尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

水驅(qū)氣是近年來提出的一種提高瓦斯抽采效率的方法。該方法不僅能夠促進(jìn)煤體內(nèi)瓦斯的運(yùn)移,同時(shí)還能夠從源頭上起到降低產(chǎn)塵的作用。然而,在實(shí)施過程中,往往由于水的后置侵入而導(dǎo)致瓦斯抽采效果不好,甚至出現(xiàn)抽不出來的現(xiàn)象。

據(jù)此,筆者在不考慮水對(duì)瓦斯動(dòng)力驅(qū)動(dòng)影響的條件下,開展了純水和JFC滲透劑溶液侵入過程、侵入之后對(duì)含瓦斯煤體瓦斯解吸影響的實(shí)驗(yàn)研究,力求探尋出相應(yīng)的規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)所用煤樣取自七臺(tái)河桃山煤礦85#高瓦斯煤層,實(shí)測(cè)煤層溫度為17 ℃,瓦斯壓力為2.2 MPa。通過實(shí)驗(yàn)室分析,煤質(zhì)為1/3焦煤,水分1.12%、灰分5.49%、揮發(fā)分30.51%、固定碳為62.88%。實(shí)驗(yàn)過程中的煤樣用量為2 kg,粒徑為2～3 cm,外液則分別為純水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%的JFC滲透劑溶液。結(jié)合工作面未采煤體在瓦斯抽采過程中所處的環(huán)境壓力連續(xù)變化的特點(diǎn),實(shí)驗(yàn)過程中的瓦斯吸附平衡壓力選設(shè)了2.0、1.5、1.0 MPa三個(gè)壓力水平。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)在外液侵入條件下含瓦斯煤的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行,裝置如圖1所示。

圖1　外液侵入條件下瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置

Fig. 1Gas desorption experimental device under conditions of external liquid invasion

實(shí)驗(yàn)過程如下:

(1)將外液、煤樣裝入內(nèi)置外液聯(lián)動(dòng)裝置中的相應(yīng)容器內(nèi),并將整體放入樣品缸內(nèi),按圖1連接整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。參照GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》中高壓容量法的實(shí)驗(yàn)過程[12],進(jìn)行系統(tǒng)氣密性檢測(cè)。

(2)通過真空泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行真空脫氣,之后注入氦氣并求測(cè)樣品缸內(nèi)煤樣的實(shí)體體積和自由空間的體積。

(3)重新真空脫氣后注入甲烷,并使樣品缸內(nèi)瓦斯吸附達(dá)到平衡,平衡后的壓力記為p0。

(4)外液侵入過程中瓦斯解吸量測(cè)定。操作實(shí)驗(yàn)裝置使內(nèi)置外液聯(lián)動(dòng)裝置中的外液淋灑到煤樣上,然后開始通過樣品缸上的壓力表分別記錄不同時(shí)間點(diǎn)的壓力值p1i。若p1i始終等于p0,表明外液侵入過程中無瓦斯的解吸。否則,按式(1)計(jì)算在不同時(shí)間點(diǎn)的瓦斯累積解吸量:

(1)

式中:Δm1i——外液侵入過程中單位質(zhì)量煤的瓦斯累積解吸量,cm3/g;

Vm——甲烷氣體的摩爾體積,取22.4×103cm3/mol;

m——煤樣的質(zhì)量,g;

V——樣品缸內(nèi)自由空間的體積,cm3;

R——?dú)怏w常數(shù),R=8.735[13];

T——實(shí)驗(yàn)溫度,K;

Z1i、Z0——p1i、p0壓力時(shí)所對(duì)應(yīng)的甲烷氣體壓縮因子。

每次實(shí)驗(yàn),從外液侵入開始,每隔10 min(開始時(shí)每隔5 min)記錄一次壓力值,整個(gè)記錄時(shí)間持續(xù)6 h。

(5)外液侵入之后在環(huán)境壓力降低情況下的瓦斯解吸量測(cè)定。在以上測(cè)定的基礎(chǔ)上,再經(jīng)過6 h,打開控制閥,使樣品缸內(nèi)的瓦斯壓力降到p0-0=p0-0.5 MPa,關(guān)閉控制閥,之后開始記錄不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)的壓力值p2i,并按式(2)計(jì)算煤樣在不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)的瓦斯解吸量:

(2)

式中:Δm2i——外液侵入之后環(huán)境壓力降低條件下單位質(zhì)量煤的瓦斯累積解吸量,cm3/g;

Z2i、Z0-0——p2i、p0-0壓力時(shí)所對(duì)應(yīng)的甲烷氣體壓縮因子。

每次實(shí)驗(yàn),從環(huán)境壓力降低到p0-0開始,前2 h每隔10 min記錄一次壓力值,之后每隔20 min記錄一次壓力值,整個(gè)記錄時(shí)間持續(xù)12 h。

2　結(jié)果與分析

通過實(shí)驗(yàn),在考慮溶于水的瓦斯變化影響之后,獲得了外液侵入過程中和外液侵入后環(huán)境壓力降低條件下的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別如表1和表2所示。表中tw為外液侵入時(shí)間，tJ為降壓后時(shí)間，M為瓦斯解吸量，px為吸附平衡壓力，ph為環(huán)境壓力。需要說明的是,除純水在侵入過程中沒有獲得明顯的相關(guān)數(shù)據(jù)外,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%的JFC滲透劑溶液在不同吸附平衡壓力水平侵入時(shí)均獲得了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可獲得不同瓦斯吸附平衡壓力水平條件下,外液侵入過程中的瓦斯解吸量變化曲線,見圖2。不同瓦斯吸附平衡壓力和環(huán)境壓力條件下,不同外液侵入之后的瓦斯解吸量變化對(duì)比曲線見圖3。同一外液侵入之后,在不同瓦斯吸附平衡壓力水平和環(huán)境壓力條件下的瓦斯解吸量變化對(duì)比曲線見圖4。

通過圖2可知,對(duì)于含瓦斯煤體而言,在外液侵入過程中存在瓦斯解吸現(xiàn)象,表明外液的后置侵入對(duì)瓦斯解吸具有促進(jìn)作用。外液侵入過程中對(duì)瓦斯解吸促進(jìn)作用的表現(xiàn)程度與外液的性質(zhì)有關(guān),具體表現(xiàn)為純水不明顯,而滲透劑溶液則明顯。由圖3、4分析可知,當(dāng)處于吸附平衡狀態(tài)的含瓦斯煤體的環(huán)境壓力降低時(shí),均會(huì)有瓦斯解吸,但其解吸量與有無外液侵入以及外液的性質(zhì)有關(guān);相比較而言,外液侵入之后的含瓦斯煤體的瓦斯解吸量均比無外液侵入條件下的含瓦斯煤體的瓦斯解吸量要小,表明外液侵入之后對(duì)瓦斯的解吸和釋放具有明顯的延緩和阻礙作用;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%的滲透劑溶液侵入含瓦斯煤體之后,其對(duì)瓦斯解吸與釋放的延緩和阻礙作用明顯要強(qiáng)于純水。

圖2　外液侵入過程中的瓦斯解吸量變化曲線

Fig. 2Gas desorption quantity change curves during outer solution invasion

圖3　不同外液侵入后的瓦斯解吸量變化對(duì)比曲線Fig. 3　Gas desorption quantity change contrast curves after outer solution invasion

圖4　不同瓦斯吸附平衡壓力和環(huán)境壓力下的瓦斯解吸量變化對(duì)比曲線

Fig. 4Gas desorption quantity change contrast curves of different gas adsorption balance pressure and environmental pressure

3　工程指導(dǎo)意義

水驅(qū)氣主要是利用高壓水注入含瓦斯煤體過程中的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作用來促進(jìn)瓦斯運(yùn)移,以此來提高瓦斯的抽采效率和抽采率。通過實(shí)驗(yàn)可知,在注液的過程中,除了高壓液體對(duì)瓦斯的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)之外,還附加有外液對(duì)吸附瓦斯的解吸促進(jìn)作用,而這種作用與外液的性質(zhì)有關(guān)。因此,在利用水驅(qū)氣提高瓦斯抽采效率時(shí),可以考慮在水中添加滲透劑來作為驅(qū)動(dòng)液,借此可以進(jìn)一步提高瓦斯的抽采效果。另外,通過實(shí)驗(yàn)還可以看到,在外液侵入含瓦斯煤體之后,其對(duì)瓦斯的解吸與釋放具有明顯的延緩和阻礙作用,即水鎖作用[14-15],這對(duì)提高瓦斯的抽采效率和抽采率雖然不利,但在工作面瓦斯超限防治中卻可以加以利用[16]。

總之,若借助水驅(qū)氣來提高瓦斯的抽采效果,可以變“水驅(qū)氣”為“液驅(qū)氣”,充分利用滲透劑溶液對(duì)瓦斯解吸的促進(jìn)作用。同時(shí),液驅(qū)氣措施不宜在抽采時(shí)過早采用,否則會(huì)因其水鎖作用而影響瓦斯繼續(xù)抽采的效果。在抽采末期予以實(shí)施,不僅可以提高外液注入過程中的驅(qū)氣效果,而且還可借助注液后對(duì)瓦斯解吸與釋放的阻礙作用來防止工作面落煤過程中的瓦斯超限。另外,在鉆孔的利用上,可考慮將一部分抽采鉆孔作為注液孔實(shí)施高壓注液,利用滲透劑溶液對(duì)瓦斯解吸的促進(jìn)作用和高壓作用下的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作用促進(jìn)瓦斯解吸與運(yùn)移,而另一部分抽采鉆孔則繼續(xù)實(shí)施抽采,以便起到導(dǎo)流的作用,以此來提高抽采末期的瓦斯抽采效果。

4　結(jié)束語

水驅(qū)氣過程中,煤層注入高壓液體將對(duì)瓦斯的解吸與運(yùn)移產(chǎn)生兩種作用,一是注入過程中對(duì)瓦斯的解吸和運(yùn)移的促進(jìn)作用,這種促進(jìn)作用的表現(xiàn)程度與液體的性質(zhì)有關(guān);二是注入之后對(duì)瓦斯的解吸與釋放具有延緩與阻礙作用。這兩種作用可以從提高抽采末期的瓦斯抽采效果和防止工作面落煤過程中瓦斯超限兩個(gè)方面加以綜合利用。

筆者認(rèn)為,無論是提高瓦斯抽采效果還是防止工作面落煤過程中瓦斯超限,水驅(qū)氣在實(shí)施時(shí)間上均宜選在抽采后期,同時(shí)為了提高注入過程中對(duì)瓦斯解吸的促進(jìn)作用,以及注入后對(duì)瓦斯解吸與釋放的延緩和阻礙作用,宜在純水中添加一定量的滲透劑,變“水驅(qū)氣”為“液驅(qū)氣”。

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(編輯徐巖)

Experiment of drive liquid invasion impact on gas desorption about water drive gas

ZHANGGuohua,SHOUJipeng

(College of Safety Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at implementation time of water drive gas and the selection of drive liquid, this paper describes the experimental study of the impact on gas desorption by the invasion of pure water and the concentration of 0.025% penetrant agent solution, using gas desorption experiment device of gas-bearing coal under the condition of external solution invasion. The results show that the high pressure liquid performs the function of promoting gas desorption and migration during invasion to the performance degree as determined by the nature of liquid which could delay and block gas desorption and release after invasion. The efforts to make fuller use of the two kinds of function necessitate the application of the implementation time of water drive gas to gas extraction’s later stage and addition of certain amount of penetrant to pure water to change “water drive gas” into “l(fā)iquid drive gas”, coupled with separately using the drilling of injection liquid and the drilling of gas extraction during the use of extraction drilling. The study promises as reference for using water drive gas.

gas extraction; water drive gas; implementation time; drive liquid

1671-0118(2012)03-0263-06

2012-05-04

張國華(1971-)，男，黑龍江省訥河人，教授，博士，研究方向：瓦斯災(zāi)害防治、采動(dòng)圍巖災(zāi)變與控制，E-mail：zgh710828131@163.com。

TD712.6

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