李建樓，嚴(yán)家平

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州，234000；3.安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽淮南，232001

煤體溫度對鉆孔瓦斯放散特征的影響

李建樓1,2，嚴(yán)家平3

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州，234000；3.安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽淮南，232001

為了研究圍巖中不同溫度條件下煤層瓦斯抽采時的初始放散特征，使用了自行研制的煤體瓦斯吸附-解吸試驗(yàn)裝置，建立了煤體鉆孔瓦斯放散物理模型，分別在27.5℃和28℃條件下采用N2進(jìn)行煤體的吸附試驗(yàn)和鉆孔瓦斯放散試驗(yàn)，并在27.5℃條件下對比了CO2和N2放散特征，實(shí)驗(yàn)過程對瓦斯壓力、總應(yīng)力和鉆孔瓦斯放散速度進(jìn)行了監(jiān)測。試驗(yàn)結(jié)果表明，瓦斯壓力相同條件下,煤體有效應(yīng)力隨溫度升高而增大，鉆孔瓦斯的放散初始速度與煤體的有效應(yīng)力呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；結(jié)果還表明，本試驗(yàn)中煤樣對CO2的吸附量約為N2吸附量的5倍，且CO2的放散速度明顯大于N2。

溫度；有效應(yīng)力；煤體；瓦斯；放散

煤層瓦斯是影響煤礦安全生產(chǎn)的有害氣體，同時又是一種潔凈能源[1]。隨著煤層開采深度的增加，煤礦瓦斯地質(zhì)災(zāi)害威脅隨之增大，有必要加大鉆孔瓦斯抽采力度，提高鉆孔瓦斯的放散速度。鉆孔瓦斯放散問題的實(shí)質(zhì)是固-氣耦合問題，內(nèi)因是煤孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征和煤基質(zhì)表面的吸附勢，外因是溫度和壓力等。改變煤體的溫度或壓力，可以改變煤與瓦斯的耦合狀態(tài)，從而改變鉆孔瓦斯的放散特征。

專家研究表明，煤體的滲透率與煤體的有效應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[2-5]。由于煤對瓦斯具有吸附膨脹效應(yīng)[6-8]，增加了吸附膨脹應(yīng)力，因而滲透率與瓦斯壓力也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[9-10]。然而，鉆孔瓦斯的放散特征與煤體溫度之間關(guān)系到底如何，還有待深入研究。

本文從改變煤體溫度的高低出發(fā)，研究剛性圍巖中煤體鉆孔瓦斯的放散特征，研究成果有望為瓦斯災(zāi)害防治和瓦斯抽采利用提供理論和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)樣品

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用自行研制的煤體瓦斯吸附-解吸試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬煤體瓦斯抽采時的放散過程。該試驗(yàn)系統(tǒng)主體包括裝樣系統(tǒng)、壓密系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)、集氣系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)[11]。

1.2 煤樣品和氣體樣品

煤樣取自淮南礦區(qū)潘三井田13號煤層-728 m深度，煤種為氣煤，視密度為1.33 g/cm3。煤體外生裂隙發(fā)育，用手可捏成碎塊，為構(gòu)造煤[12-13]。

CH4、N2和CO2屬于不同類型瓦斯成分。煤對瓦斯的物理吸附-解吸是可逆過程[14-15]，考慮到試驗(yàn)的安全性，本次試驗(yàn)采用了N2和CO2氣體進(jìn)行煤體瓦斯放散特征試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方法

把破碎的煤樣裝入鋼制壓力容器，并按照順序埋入兩只總壓力傳感器，編號分別為1號和2號，然后安裝容器端蓋。啟動液壓泵，對煤樣進(jìn)行緩慢加壓到26Mpa后關(guān)閉液壓腔體進(jìn)液閥，保證煤樣容器體積不變，模擬剛性圍巖中的煤層狀態(tài)。7天后，煤樣內(nèi)總壓力傳感器測量值不再下降。在煤樣壓力容器筒壁測量孔處打鉆(鉆孔深度100 mm)，沿容器軸向等間距安裝6只氣壓傳感器測量管和6只溫度傳感器并密封。利用高壓氣瓶向煤樣壓力容器內(nèi)注入N2，氣體入口壓力為0.3 Mpa，保持壓力3天后，煤樣容器內(nèi)煤體瓦斯達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，關(guān)閉裝煤樣容器的進(jìn)氣閥門，打開煤樣容器的排氣閥門，讓氣體經(jīng)過出口管線流經(jīng)氣體流量計。記錄氣體放散速度、有效應(yīng)力隨時間的變化曲線。

改變溫度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程。

裝樣容器中裝入煤樣之后的總壓力傳感器和氣壓傳感器布置如圖1。

圖1 傳感器布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 不同溫度條件下煤體瓦斯放散特征

本試驗(yàn)采用N2作為試驗(yàn)氣體，煤體內(nèi)氣體吸附平衡壓力穩(wěn)定在0.3 MPa，煤體溫度分別在27.5℃和28℃條件下進(jìn)行煤體瓦斯的吸附與放散試驗(yàn)。

煤體溫度分別在27.5℃和28℃條件下，瓦斯放散過程中煤體有效應(yīng)力隨時間的變化如圖2。

圖2 煤體溫度27.5℃和28℃條件下N2放散過程中有效應(yīng)力隨時間變化

從圖2中的擬合方程可以看出，溫度高的煤體不僅有效應(yīng)力高，而且在瓦斯放散過程中應(yīng)力降低較慢。

瓦斯放散速度隨時間變化曲線如圖3。從圖3中可以看出，煤體溫度28℃條件下N2的放散速度明顯小于27.5℃條件下的放散速度。分析認(rèn)為，在相同的煤體及相同瓦斯壓力條件下，煤體溫度的升高會造成吸附動態(tài)平衡時瓦斯含量降低和煤體有效應(yīng)力增大的雙重效應(yīng)。當(dāng)吸附平衡溫度由27.5℃轉(zhuǎn)化為28℃時，煤體瓦斯吸收熱量，一部分吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)，為了保持煤體內(nèi)氣壓的穩(wěn)定，必然有部分瓦斯沿供氣管線和穩(wěn)壓閥流出煤體，煤體瓦斯含量降低。經(jīng)測定，兩種溫度條件下對應(yīng)的瓦斯含量分別為51.5 L和41.9 L；同時，煤體吸熱后煤基質(zhì)分子熱運(yùn)動加強(qiáng)，分子間距離增加，在宏觀上則表現(xiàn)為具有膨脹趨勢，由于煤體受圍限，從而煤體有效應(yīng)力增加，本實(shí)驗(yàn)由3.35 MPa增大到4.23 Mpa，煤體內(nèi)裂隙變窄，滲透率降低。因此，在煤體溫度較高的雙重效應(yīng)作用下，瓦斯放散速度明顯降低。

圖3 煤體溫度27.5℃和28℃條件下N2的放散速度隨時間變化

圖4 煤體溫度27.5℃、吸附氣壓0.3 MPa 條件下CO2和N2放散曲線

從圖3還可以看出，在煤體溫度一定的情況下，N2氣從煤體內(nèi)放散的初始階段，放散速度隨時間延長都按照對數(shù)規(guī)律降低。分析認(rèn)為，氣體放散初始階段，放散量的貢獻(xiàn)主要來自于煤體內(nèi)游離態(tài)的瓦斯，少量來自于吸附態(tài)的瓦斯，造成瓦斯放散量迅速降低；氣體放散過程中，放散量的貢獻(xiàn)逐漸轉(zhuǎn)換為以吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化而來的瓦斯為主，但由于放散的速度遠(yuǎn)小于滲透的速度，造成后期瓦斯放散量較小，放散曲線逐漸平緩。

3.2 不同成分瓦斯氣體的放散特征

試驗(yàn)在煤體溫度27.5℃、氣體吸附平衡壓力0.3 MPa條件下，CO2和N2的吸附量分別是256 L和51.5 L，煤對CO2的吸附能力是對N2吸附能力的4～6倍。兩種氣體的放散速度隨時間變化曲線如圖4。

從圖4可以看出，剛性圍巖、煤體溫度27.5℃、吸附氣壓0.3 MPa條件下，CO2和N2的放散速度隨時間分別按照對數(shù)規(guī)律降低。而且CO2的放散速度明顯高于N2的放散速度。分析認(rèn)為，由于兩種氣體理化性質(zhì)的不同，造成了同等溫度和壓力條件下煤對CO2的吸附量大于煤對N2的吸附量，因此CO2的放散速度高于N2的放散速度。

對圖4中的擬合方程兩邊求導(dǎo)可看出，CO2放散加速度值大于N2放散加速度值，說明CO2放散速度衰減比N2快，原因是CO2在分子體積、分子極性、粘滯性等方面比N2高，導(dǎo)致CO2分子在煤的小孔和微孔中的運(yùn)移速度小于N2分子，減弱了對放散速度的貢獻(xiàn)。

4 結(jié) 論

根據(jù)煤體瓦斯的吸附和放散試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)剛性圍巖、等瓦斯壓力條件下，煤體溫度越高，煤體的有效應(yīng)力越高，裂隙通道被壓縮，則鉆孔瓦斯放散初始速度越小。

(2)剛性圍巖、等溫、等瓦斯壓力條件下，CO2的吸附量遠(yuǎn)大于N2，CO2放散速度也明顯高于N2的放散速度，且隨時間延長而按照對數(shù)規(guī)律降低。

[1]張子敏．瓦斯地質(zhì)學(xué)[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009：12-333

[2]傅雪海，秦勇，張萬紅．高煤級煤基質(zhì)力學(xué)效應(yīng)與煤儲層滲透率耦合關(guān)系分析[J]．高校地質(zhì)學(xué)報，2003，9(3)：373-377

[3]孟召平，侯泉林．煤儲層應(yīng)力敏感性及影響因素的試驗(yàn)分析[J]．煤炭學(xué)報，2012，37(3)：430-437

[4]唐巨鵬，潘一山，李成全，等．有效應(yīng)力對煤層氣解吸滲流影響試驗(yàn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(8)：1563-1568

[5]鮮學(xué)福，辜敏，杜云貴．變形場、煤化度和外加電場對甲烷在煤層中滲流的影響[J]．西安石油大學(xué)學(xué)報，2007，22 (2)：89-91

[6]Zofia Majewska，Jerzy Zietek．Acoustic emission and volumetric strain induced in coal by the displacement sorption of methane and carbone dioxide[J]．Acta Geophysica，2008，56(2)：372-390

[7]李建樓，嚴(yán)家平，王來斌，等．煤體瓦斯吸附與放散過程中的應(yīng)力分析[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(7)：42-45

[8]吳世躍，趙文．含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(10)：1674-1678

[9]尹光志，李小雙，趙洪寶，等．瓦斯壓力對突出煤瓦斯?jié)B流影響試驗(yàn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(4)：697-702

[10]袁梅，李波波，許江，等．不同瓦斯壓力條件下含瓦斯煤的滲透特性試驗(yàn)研究[J]．煤礦安全，2011，42(3)：1-4

[11]LI Jian-lou,YAN Jia-ping,XIE Yan,et al．Dynamic action simulation system and preliminary experiments of coal seams and gas[J]．Mining Science and Technology，2009，19(4)：473-478

[12]琚宜文，姜波，侯泉林，等．構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)-成因新分類及其地質(zhì)意義[J]．煤炭學(xué)報，2004，29(5)：513-517

[13]趙志根，汪善梅，楊陸武．定量評價煤的破壞程度的嘗試[J]．焦作工學(xué)院學(xué)報，1999，18(1)：37-39

[14]于洪觀．煤對CH4、CO2、N2及其二元混合氣體吸附特征、預(yù)測和CO2驅(qū)替CH4的研究[D]．淄博：山東科技大學(xué)研究生院，2005：6-65

[15]崔永君．煤對CH4、N2、CO2及多組分氣體吸附的研究[D]．西安：煤炭科學(xué)研究總院西安分院，2003：7-53

(責(zé)任編輯：汪材印)

The Effect of Temperature on Coal gas Emission from the Borehole

LI Jian-lou1,2，YAN Jia-ping3

1.School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University,Suzhou Anhui，234000 2.Anhui Engineering & Technical Research Center for Coal Exploration,Suzhou Anhui，234000 3.School of Geodesy and Geomatics, Anhui University of Science and Technology,Huainan,232001,China

In order to study the characteristics of initial coal gas emission during the process of coal gas extraction under conditions of different temperature of coal body clamped by strata, a self developed adsorption & desorption test device was used to establish a physics model. N2was adopted to simulate coal gas adsorption and emission behaviour under 27.5℃ and 28℃ respectively. CO2and N2were compared in the test. Gas pressure, total stress and gas emission velocity from borehole were monitored in the experiment. Experimental results show that effective stress increases when temperature is up and there is significant negative correlation between initial emission velocity of gas and effective stress of coal body. The results also show that the quantity of CO2adsorpted is about 5 times of that of N2in this experiment. In addition, emission velocity of CO2is obviously higher than that of N2.

temperature;effective stress;coal body;gas;emission

2014-10-15

宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心開放項目“煤體孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯富集的相關(guān)性研究”(2014YKF02)。

李建樓(1973-)，安徽宿州人，博士，副教授，主要研究方向：煤田地質(zhì)和瓦斯地質(zhì)。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.12.027

TD712

A

1673-2006(2014)12-0092-03