李剛強(qiáng)，陳學(xué)習(xí)

(華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層注水是一種有效的瓦斯防突手段，已在煤礦現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用，注水防突原理主要是通過(guò)影響煤層瓦斯解吸特性，減緩?fù)咚贯尫潘俣群歪尫帕浚瑥亩乐姑号c瓦斯突出事故的發(fā)生。許多專家學(xué)者研究了注水對(duì)煤瓦斯吸附解吸的影響，普遍認(rèn)為水可以起到抑制瓦斯解吸的作用[1-9]。其中，周珺等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)壓裂液可以侵入煤基質(zhì)和微割理，對(duì)瓦斯在煤層中的解吸、運(yùn)移起到一定的阻礙作用。林柏泉等[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注水，發(fā)現(xiàn)微觀水分子對(duì)煤體瓦斯解吸可以起到抑制作用進(jìn)而減少工作面的瓦斯涌出量。趙東等[12]利用塊狀原煤進(jìn)行自然解吸和不同壓力下的高壓注水解吸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瓦斯解吸率會(huì)隨注水壓力的增大而減小并最終趨于穩(wěn)定。肖知國(guó)等[13]通過(guò)對(duì)注水對(duì)等溫解吸特性、甲烷解吸速度以及殘存瓦斯含量的影響的研究，認(rèn)為注水對(duì)吸附甲烷的解吸具有明顯的抑制效應(yīng)。張國(guó)華等[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)外液侵入煤體后會(huì)產(chǎn)生水鎖效應(yīng)，一方面會(huì)造成瓦斯解吸量和釋放量的減少，另一方面也能夠減緩煤體瓦斯的解吸和釋放速度。牟俊惠等[15]通過(guò)分析不同含水率條件下，多種變質(zhì)程度煤的瓦斯放散初速度，發(fā)現(xiàn)水分可以有效地減緩?fù)咚狗派⒊跛俣?。還有一些學(xué)者通過(guò)其他手段研究了水分對(duì)煤體吸附和解吸瓦斯的影響。如聶百勝等[16]通過(guò)分子熱力學(xué)和表面物理化學(xué)方法研究了化水對(duì)煤吸附作用的影響，降文萍等[17]采用量子化學(xué)方法建模研究了煤、水和瓦斯的相互作用。

本文以無(wú)煙煤為對(duì)象，主要研究其在不同注水壓力條件下的瓦斯解吸量和速率變化規(guī)律，通過(guò)擬合和誤差分析，找出最適合描述該實(shí)驗(yàn)條件下瓦斯解吸量和解吸速率曲線的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于分析注水壓力對(duì)瓦斯吸附解吸的影響，以及煤層注水防止煤與瓦斯突出具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用高壓注水煤樣瓦斯恒溫解吸實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其中，恒溫水浴精度為±1℃；吸附過(guò)程壓力檢測(cè)采用高精度壓力傳感器，精度為0.01 MPa；高壓注水設(shè)備采用SB-10型手動(dòng)試壓泵，加壓范圍為0～10 MPa；采用排水集氣法測(cè)量解吸瓦斯量，選用量程為1.5 L，刻度為5 mL的兩根量筒并聯(lián)組成，可估讀至1 mL。實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示。

1-試壓泵；2，8，13,15-精密壓力表；3，9,10,11,12-截止閥；4-煤樣罐；5-恒溫水??；6-解吸測(cè)量裝置；7-真空泵,14,16-減壓閥；17-高壓甲烷氣瓶；18-高壓氮?dú)馄繄D1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選取江西高安礦區(qū)無(wú)煙煤、山西呂梁礦區(qū)焦煤和河北開(kāi)灤礦區(qū)長(zhǎng)焰煤作為實(shí)驗(yàn)用煤(工業(yè)分析見(jiàn)表1)。在井下取大塊無(wú)煙煤，現(xiàn)場(chǎng)立即采用蠟封方式包裹封存。為模擬真實(shí)煤層條件，在實(shí)驗(yàn)室將現(xiàn)場(chǎng)選取的大塊無(wú)煙煤制作成為圓柱形煤樣，尺寸為?50 mm×100 mm，盡量不破壞煤體原有的孔隙和裂隙。采用真空干燥箱對(duì)煤樣進(jìn)行干燥處理后放置到煤樣灌中，采用恒溫水浴確保煤樣灌內(nèi)部溫度在實(shí)驗(yàn)期間始終保持在30℃恒定不變，同時(shí)檢查煤樣灌的氣密性，并標(biāo)定記錄灌內(nèi)自由空間體積。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣工業(yè)分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要分為四個(gè)步驟：第一步真空脫氣，打開(kāi)截止閥10和11，用真空泵抽取煤樣罐內(nèi)空氣，直至灌內(nèi)壓力下降至-0.1 MPa，脫氣時(shí)長(zhǎng)3 h；第二步充氣吸附，打開(kāi)截止閥10和12，向煤樣罐內(nèi)充入一定壓力的高壓瓦斯氣體，記錄灌內(nèi)壓力變化直至壓力恒定，即視為達(dá)到吸附平衡，吸附時(shí)長(zhǎng)24 h；第三步高壓注水，打開(kāi)截止閥3，采用試壓泵向煤樣罐內(nèi)部注水，直至罐體上端出水口有水溢出，隨即關(guān)閉出水口繼續(xù)注水至指定壓力，記錄注水過(guò)程中的壓力變化；第四步瓦斯解吸，打開(kāi)截止閥9，使用集氣裝置進(jìn)行常壓解吸，直至解吸速率低于10 mL/h，即視為達(dá)到解吸平衡。

2 不同壓力水的煤樣瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)

2.1 相同注水壓力不同吸附平衡壓力條件對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將無(wú)煙煤煤樣分別在0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa等3個(gè)吸附平衡壓力下進(jìn)行吸附，直至吸附平衡。隨后，測(cè)試記錄煤樣在5 MPa注水壓力下的瓦斯解吸總量和解吸速度，如圖2所示。

圖2 不同吸附平衡壓力瓦斯解吸總量和解吸速度規(guī)律

從圖2可以看出，在3種吸附平衡壓力下，煤樣瓦斯解吸總量隨時(shí)間先單調(diào)遞增后趨于穩(wěn)定，隨吸附平衡壓力增加而增加。煤樣瓦斯解吸速度隨時(shí)間先快速降低后趨于穩(wěn)定，受吸附平衡壓力影響不大。吸附平衡壓力1.0 MPa、1.5 MPa相對(duì)于0.5 MPa，瓦斯解吸量分別增加39.44%和64.15%，瓦斯解吸速度分別增快20.2%和58.06%，說(shuō)明在相同注水壓力和解吸時(shí)間條件下，吸附平衡壓力越大，瓦斯解吸總量越大，瓦斯解吸速度越快。

可以認(rèn)為，在煤樣注水壓力相同的情況下，瓦斯解吸總量和解吸速度同吸附平衡壓力正相關(guān)，達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定。解吸速度表現(xiàn)先快速減慢后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，受吸附平衡壓力影響不大。

2.2 相同吸附平衡壓力不同注水壓力條件對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將無(wú)煙煤煤樣在1.0 MPa壓力下進(jìn)行瓦斯吸附至平衡狀態(tài)，隨后分別在9.0 MPa、5.0 MPa、1.5 MPa和自然壓力等4種注水壓力下進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)，瓦斯解吸總量和解吸速度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同注水壓力下瓦斯解吸總量和解吸速度規(guī)律

從圖3可以看出，在相同吸附平衡壓力條件下，瓦斯解吸速度和解吸總量均與注水壓力呈負(fù)相關(guān)，即瓦斯解吸速度和解吸總量隨注水壓力的增大而減慢和減少。解吸速度表現(xiàn)出先減慢后趨于一個(gè)穩(wěn)定值的規(guī)律。自然解吸的干燥煤樣比注水的煤樣瓦斯解吸速度更快，解吸總量更大。

2.3 注純水和注添加表面活性劑溶液對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將無(wú)煙煤煤樣在1.0 MPa壓力下進(jìn)行瓦斯吸附至平衡狀態(tài)，隨后分別注入純水和添加質(zhì)量比為0.8% OP-10和0.2% CaCI2的復(fù)配表面活性劑溶液，注入溶液性質(zhì)見(jiàn)表2。注入壓力為5 MPa條件下的瓦斯解吸速度和解吸總量變化規(guī)律如圖4所示。

表2 注入溶液性質(zhì)

圖4 注純水與添加表面活性劑溶液瓦斯解吸總量和解吸速度規(guī)律對(duì)比

從圖4可以看出，在同一吸附平衡壓力和注水壓力下，注純水比注入復(fù)配的表面活性劑溶液瓦斯解吸速度更快，解吸總量更多。復(fù)配的表面活性劑溶液與煤的接觸角更小，更容易進(jìn)入到煤樣的深層孔隙和裂隙，相對(duì)于注純水對(duì)瓦斯釋放通道的封堵作用更明顯，抑制瓦斯解吸的作用更為顯著。

2.4 不同變質(zhì)程度煤相同注水條件對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將無(wú)煙煤、焦煤和長(zhǎng)焰煤三種煤樣在1.0 MPa壓力下進(jìn)行瓦斯吸附至平衡狀態(tài)，隨后在5.0 MPa注水壓力下進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)，瓦斯解吸總量和解吸速度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5可以看出，在相同吸附平衡壓力和注水壓力條件下，瓦斯解吸速度和解吸總量均與煤的變質(zhì)程度呈正相關(guān)，即煤的變質(zhì)程度越高，瓦斯解吸速度越快，解吸總量越多，瓦斯解吸能力越強(qiáng)。

圖5 不同變質(zhì)程度煤相同注水條件瓦斯解吸總量和解吸速度規(guī)律

3 不同壓力水作用下煤樣瓦斯解吸速率及解吸量擬合

將上述實(shí)驗(yàn)中吸附平衡壓力1.0 MPa、注水壓力5 MPa、注純水條件下得到的累計(jì)解吸量數(shù)據(jù)用三種具有代表性的解吸經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合分析，結(jié)果見(jiàn)表3：

表3 不同注水壓力下累計(jì)瓦斯解吸量擬合結(jié)果

由表3可知，不同解吸解吸經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)加壓注水條件下煤樣瓦斯解吸量的擬合效果不同，但相差不大：烏斯基諾夫式在瓦斯解吸整個(gè)過(guò)程中的擬合效果最好，王佑安次之，文特式的擬合效果最差。因此，用烏斯基諾夫式能較好的描述煤樣瓦斯在加壓注水條件下的解吸特性。

為了進(jìn)一步考察注水壓力對(duì)瓦斯解吸特性的影響，利用烏斯基諾夫式的解吸速度擬合公式對(duì)不同注水壓力下瓦斯解吸速度和時(shí)間參數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表4。

由圖2和表3可以得出，瓦斯解吸速度隨時(shí)間的增加而減小，當(dāng)不斷提高注水壓力，含瓦斯煤樣的初始瓦斯解吸速度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，壓力水降低了瓦斯放散初速度，對(duì)瓦斯的解吸產(chǎn)生了明顯的抑制作用，衰減系數(shù)也在減小，這說(shuō)明，注水壓力對(duì)瓦斯解吸的抑制影響僅在解吸初期作用明顯，隨著時(shí)間的推移，解吸速度下降緩慢。水在不同的孔裂隙中的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力不同，在較小的孔隙中主要是毛細(xì)力作用，而進(jìn)入到微孔結(jié)構(gòu)中分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位，外界壓力水能夠在壓差的作用下，克服界面張力、毛管力進(jìn)入煤體小孔和微孔中，注水壓力越大，進(jìn)入的孔隙尺度就越深，水分就能夠使得煤體的滲透率大幅度降低，在煤樣瓦斯解吸過(guò)程中的阻礙和抑制作用也就越強(qiáng)，但當(dāng)進(jìn)入孔隙中的水分達(dá)到飽和狀態(tài)，對(duì)瓦斯的抑制解吸的作用影響甚微，最終趨于穩(wěn)定。

表4 不同注水壓力下瓦斯解吸速率擬合結(jié)果

4 不同壓力水作用下瓦斯解吸量和解吸速率擬合誤差分析

通過(guò)上節(jié)擬合分析結(jié)果，可以得知對(duì)于不同注水壓力條件下瓦斯解吸量和解吸速率的擬合效果烏斯基諾夫式效果最佳。利用烏斯基諾夫式分別計(jì)算不同時(shí)間段、不同注水壓力下的瓦斯解吸量和解吸速率，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，驗(yàn)證描述該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。分析結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 不同注水壓力不同時(shí)間段累計(jì)瓦斯解吸量誤差分析

表6 不同注水壓力不同時(shí)間段瓦斯解吸速率誤差分析

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以看出，烏斯基諾夫式對(duì)于不同注水壓力條件下，不同時(shí)間段內(nèi)累計(jì)瓦斯量的擬合誤差均較小，誤差最大為2.81%，非常適合描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果；但對(duì)于不同時(shí)間段內(nèi)瓦斯解吸速率的擬合誤差來(lái)說(shuō)，效果不是太好，誤差大概在2%～21%之間，波動(dòng)較大，尤其是擬合時(shí)間段的中后期，結(jié)果均距離實(shí)際較遠(yuǎn)。我們又采用文特式和王佑安式進(jìn)行了驗(yàn)證，效果均好于烏斯基諾夫式。因此可以運(yùn)用烏斯基諾夫式來(lái)描述不同注水壓力條件下累計(jì)瓦斯解吸量曲線，而用文特式和王佑安式來(lái)描述解吸速率曲線是最佳的選擇。

5 結(jié)論

(1) 相同時(shí)間內(nèi)，煤樣瓦斯解吸總量和解吸速度隨吸附平衡壓力增大而增多和變快，呈正相關(guān)關(guān)系。隨著注水壓力提高，煤樣瓦斯解吸總量變小，解吸速度變慢，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；注純水煤樣的瓦斯解吸量比注添加表面活性劑溶液大，解吸速度更快。注水壓力越大，水分能進(jìn)入到的煤體孔隙尺度越小，對(duì)瓦斯解吸抑制作用越強(qiáng)。添加表面活性劑可降低液體表面張力，促進(jìn)水分對(duì)煤體濕潤(rùn)作用，加強(qiáng)對(duì)瓦斯解吸的抑制作用。掌握吸附平衡壓力、注水壓力、注水介質(zhì)、變質(zhì)程度煤對(duì)瓦斯解吸量和解吸速率的影響規(guī)律，對(duì)煤層注水防突具有一定的指導(dǎo)意義。

(2) 使用三種具有代表性的解吸公式對(duì)累計(jì)瓦斯解吸量和解吸速率進(jìn)行擬合分析，并對(duì)比擬合公式的計(jì)算值與實(shí)際值的誤差，得出烏斯季諾夫式能夠更好地描述注水條件下的瓦斯解吸量，文特式和王佑安式能夠更好地描述注水條件下的瓦斯解吸速率。此三種公式可用于估算煤層注水后的瓦斯解吸量和解吸速率，分析瓦斯解吸規(guī)律，繼而指導(dǎo)瓦斯突出預(yù)測(cè)。