岳基偉，王兆豐,2，樊亞慶，陳金生,2，李皓偉

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000； 2.煤礦災害預防與搶險救災教育部工程研究中心，河南 焦作 454000)

0　引言

針對煤層低滲透條件，國內(nèi)外學者開展了一系列水力化措施，如水力沖孔[1]、水力壓裂[2]、水力割縫[3]、水力擠出[4]、水力掏槽[5]，其一方面增加了煤層透氣性，提高了瓦斯抽采率；另一方面增加了煤體的水分，水分對煤中瓦斯產(chǎn)生驅(qū)替、置換、抑制作用，影響煤中瓦斯解吸。趙東[6]、李樹剛[7]、肖知國[8]、陳向軍[9]對煤層注水抑制瓦斯解吸效應進行了一些定性和定量研究，但其注水方式是加壓注水綜合作用的過程。王兆豐[10]、陳金生[11]等克服高壓注水方式的缺陷，采用等壓加水裝置，單獨研究水分對含瓦斯煤的滲吸效應，遺憾的是水分進入煤體后煤樣罐內(nèi)的瓦斯壓力升高，導致置換出的瓦斯一部分被重新吸附，重新吸附的瓦斯會使微孔隙內(nèi)瓦斯壓力增高，阻礙水分在煤體中的運移，其不能準確模擬水分對煤層瓦斯的滲吸效應。研究含瓦斯煤滲吸效應可為明晰水力化措施防突機理提供理論指導。

目前主要通過安全閥來保證系統(tǒng)處于等壓環(huán)境，安全閥一般安裝在封閉系統(tǒng)的設備或管路中，可依據(jù)系統(tǒng)的壓力變化自動的開啟或者關(guān)閉，保護系統(tǒng)的安全[12]。目前泄壓裝置可以分為重錘杠桿式、彈簧式[13]，重錘杠桿式安全閥笨重、開啟壓力大且不易關(guān)閉等缺點[14]，彈簧式安全閥彈簧的阻尼過大會造成泄壓過小，彈簧的阻尼過小會造成泄壓過大[15]。

鑒于此，作者擬采用等壓泄壓裝置，對含瓦斯煤在不同吸附平衡壓力、不同含水率時的滲吸效應進行測試分析，以期為測試含瓦斯煤滲吸效應提供一種新的裝備。

1　等壓泄壓及滲吸實驗

1.1　等壓泄壓裝置

等壓泄圧裝置是通過內(nèi)置膠皮軟管的張開、閉合來實現(xiàn)穩(wěn)壓作用，由于膠皮軟管的壁厚較薄，膠皮軟管能夠?qū)崿F(xiàn)快速的張開、閉合，對壓力的靈敏度高，其作用原理是首先向等壓裝置中加入一定量的水，直至水能夠淹

沒膠皮軟管，然后充入一定量的高壓氣體P0，利用水的不可壓縮性，高壓氣體P0作用于水，水將膠皮軟管壓緊。外來氣體P1通過等壓裝置時，當P1>P0，膠皮軟管張開，外來氣體P1通過膠皮軟管排出，直至P1≤P0時，膠皮軟管閉合，外來氣體P1不能通過，等壓泄壓裝置如圖1所示。

圖1　等壓泄壓裝置Fig.1　Isobaric pressure relief device

1.2　滲吸實驗裝置

滲吸實驗裝置如圖2所示，其主要包括以下6個單元：真空脫氣單元、恒溫單元、壓力監(jiān)控單元、充氣吸附平衡單元、等壓泄壓單元、解吸單元。

1. 高壓甲烷氣瓶；2. 參考罐；3. 真空泵；4. 真空計；5，15. 數(shù)據(jù)采集器；6，7，13. 壓力傳感器；8. 可旋轉(zhuǎn)針閥；9. 煤樣罐；10. 型煤； 11. 尖端鐵塊；12. 儲水玻璃瓶；14. 恒溫水浴；16. 膠皮軟管；17. 等壓泄壓裝置；18. 解吸儀；a～i. 閥門；j～l. 三通。圖2　滲吸實驗裝置Fig.2　The imbibition experimental device

1.3　滲吸實驗步驟

1)將采集的新鮮煤樣粉碎，篩選出粒徑為0.25～0.5 mm、0.2～0.25 mm和小于0.2 mm的煤樣，按照2∶1∶1的比例添均勻混合，添加20%的蒸餾水，充分攪拌，加入模具中；采用伺服壓力機進行壓制，壓力為200 kN，穩(wěn)壓30 min，型煤的尺寸為φ50 mm×80 mm，中心孔洞尺寸為φ22 mm×80 mm，型煤中心預留孔洞，為了放入儲水玻璃瓶。

2)將型煤放入GRX-9053A型熱空氣消毒箱中干燥，在105℃下干燥，每隔0.5 h進行稱重，直至質(zhì)量不變，視為干燥完成；將儲水玻璃瓶加入水，加入水的量根據(jù)實驗設置的含水率以及型煤質(zhì)量決定(即型煤干燥后的質(zhì)量乘以實驗設置的含水率)，加入水后如果玻璃瓶還有剩余的空間，用液體石蠟進行填充，待石蠟凝固后，用A-B膠對固體石蠟上表面以及儲水玻璃瓶蓋進行密封；往型煤中心孔洞中依次放入帶尖端的鐵塊、密封好的儲水玻璃瓶。

3)對系統(tǒng)進行抽真空，抽至20 Pa以下時，關(guān)閉相應閥門c，打開閥門a，由高壓甲烷氣瓶1對參考罐2進行充氣，待參考罐壓力穩(wěn)定后(由壓力傳感器6監(jiān)測可得)，關(guān)閉閥門a。打開閥門b，e，g向煤樣罐9充氣，使煤樣達到吸附平衡壓力，關(guān)閉閥門b，e，g，吸附平衡時間不少于12 h。

4)向等壓泄壓裝置17中加入水直至淹沒裝置內(nèi)的膠皮軟管16，通過打開高壓甲烷氣瓶1對參考罐2進行充氣，待參考罐壓力穩(wěn)定后(由壓力傳感器6監(jiān)測可得)，打開閥門b，d，i向等壓泄壓裝置17充氣，使等壓泄壓裝置17的壓力穩(wěn)定到煤樣吸附平衡壓力。

5)煤樣吸附平衡后，利用煤樣罐9上部可旋轉(zhuǎn)針閥8將內(nèi)置的儲水玻璃瓶12擠壓，通過下部鐵塊尖端11將儲水玻璃瓶打破，儲水玻璃瓶12中水分等壓加入煤樣10中。

6)水分進入含瓦斯煤體的同時，打開煤樣罐9與等壓泄壓裝置17連接處g，f閥門，當煤樣罐9內(nèi)的壓力超過吸附平衡壓力時，等壓泄壓裝置17打開，置換出的瓦斯逸散到煤樣罐外；低于吸附平衡壓力時，等壓泄壓裝置17關(guān)閉，通過等壓泄壓裝置17的打開、關(guān)閉，保證煤樣罐內(nèi)9的壓力是一個相對穩(wěn)定的值。通過與等壓泄壓裝置17相連接的解吸儀18對排出的瓦斯進行收集，每隔一定時間記錄解吸量，當2個小時內(nèi)的解吸量小于0.007 mL/g時，視為實驗結(jié)束。

2　等壓泄壓裝置的可行性測試

等壓泄壓裝置的可行性測試是指在一定時間內(nèi)、在一定條件下保證煤樣罐壓力恒定的能力。按照上述滲吸實驗步驟，測定等壓泄壓裝置在含水率為2%，4%，6%，8%及10%，瓦斯壓力為1，1.5，2，2.5，3 MPa條件下的裝置內(nèi)部的穩(wěn)定壓力；根據(jù)等壓泄壓裝置測試結(jié)果，計算等壓泄壓裝置的可行性。等壓泄壓裝置的可行性R表示穩(wěn)定壓力P1與初始壓力P0的比值，%，P0吸附平衡壓力，MPa；P1滲吸開始后煤樣罐的穩(wěn)定壓力，MPa，可行性測試結(jié)果如圖3所示。

圖3　等壓泄壓裝置穩(wěn)定后壓力及可行性測試結(jié)果Fig.3　The stable pressure and feasibility test result of isobaric pressure relief device

由圖3可知，對于初始壓力為1，1.5，2，2.5 MPa，無論含水率為2%，4%，6%，8%及10%的測試，其穩(wěn)定后壓力分別為0.98，1.48，1.98，2.48 MPa；對于初始壓力為3 MPa，含水率分別為2%，4%，6%，8%及10%的測試，穩(wěn)定后壓力分別為2.98，2.98，2.98，2.97，2.97 MPa；因此，由圖3可知等壓泄壓裝置的可行性R在98%～99.3%范圍內(nèi)波動，等壓泄壓裝置可行性較高，其能夠滿足實驗要求。

3　等壓和非等壓泄壓環(huán)境下滲吸效應測試結(jié)果與分析

等壓環(huán)境即圖2中所描述，非等壓環(huán)境即外加水分置換的瓦斯不能及時排出(不包含圖2中的等壓泄壓裝置)。不同含水率、不同吸附平衡壓力下等壓與非等壓環(huán)境下瓦斯最大置換量，如圖4、圖5所示。

圖4　不同含水率下等壓與非等壓環(huán)境最大置換量的對比Fig.4　Comparison of maximum displacement between isobaric and non isobaric environments at different moisture content

由圖4可知，相同吸附平衡壓力下，等壓環(huán)境下的最大置換量比非等壓環(huán)境下的最大置換量大，非等壓環(huán)境下置換出的一部分瓦斯會因煤樣罐內(nèi)的壓力的升高而重新吸附，其會使微孔內(nèi)壓力增高，微孔內(nèi)瓦斯壓力的增高阻礙水分在孔隙中的運移，影響置換效果，造成測試數(shù)據(jù)偏小。

隨著含水率的增加，最大置換量的差值幅度有逐漸減小的趨勢，因為煤對瓦斯的吸附能力隨著含水率的增加逐漸降低，煤樣含水率越大，非等壓環(huán)境下因封煤樣罐內(nèi)壓力升高引起重新吸附的瓦斯量越少。

圖5　不同吸附平衡壓力下等壓與非等壓環(huán)境最大置換量的對比Fig.5　Comparison of maximum displacement between isobaric and non isobaric environments at different adsorption equilibrium pressures

由圖5可知，相同含水率下，等壓環(huán)境下的最大置換量比非等壓環(huán)境下的最大置換量大，這也是非等壓條件下煤樣罐內(nèi)壓力升高所產(chǎn)生的影響。相同含水率下隨著吸附平衡壓力的增大，最大置換量的差值逐漸減小，吸附平衡壓力越大，瓦斯分子在煤體表面占據(jù)的吸附位就越多，排列的更加稠密，吸附能力越大，非等壓環(huán)境下置換出的瓦斯重新吸附的難度增大，重新吸附的量也會隨之減少。

由最大置換量的差值可知，等壓環(huán)境下的最大置換量比非等壓環(huán)境下的最大置換量大，研究外加水分對煤中瓦斯置換效應，需在等壓環(huán)境下進行，其能夠更準確的評價置換效果，得出的結(jié)果更具有工程指導意義。

4　結(jié)論

1)等壓泄壓裝置的可行性R在98%～99.3%之間，其靈敏度高，能夠用于測試含瓦斯煤滲吸效應。

2)采用等壓泄壓裝置測試含瓦斯煤滲吸效應，其最大置換量大于非等壓環(huán)境下的最大置換量。相同吸附平衡壓力下，隨著含水率的增加，最大置換量的差值有減小的趨勢。相同含水率下，隨著吸附平衡壓力的增加，最大置換量的差值亦有減小的趨勢。

3)采用等壓泄壓裝置測試含瓦斯煤滲吸效應，排除了因煤樣罐瓦斯內(nèi)壓力升高出現(xiàn)的反吸附的現(xiàn)象，其為研究含瓦斯煤滲吸效應提供可靠的工具，使得到的研究結(jié)果更具有工程意義。

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