孫永鑫，王兆豐，2，3，代菊花，岳基偉

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險(xiǎn)救災(zāi)教育部工程研究中心，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003）

在煤炭開采過程中，煤層注水常用于防治煤塵災(zāi)害和局部瓦斯消突，但注水效果受到多種因素的影響。傅貴等[1]采用煤樣底部滲吸實(shí)驗(yàn)，研究了煤對水分吸收速度，結(jié)果表明平均毛細(xì)管力是影響滲吸速度的主要因素，過渡孔和半大孔是煤的主要滲吸通道；秦文貴等[2]通過注水試驗(yàn)，考察了煤孔隙對注水增量的影響，得出了水在煤孔隙中滲透和保存的最小孔隙尺度；李皓偉等[3]研究了多種表面活性劑對煤體的濕潤效果，并得出了表面活性劑的最適濃度；呂品[4]通過注水實(shí)驗(yàn)研究了覆壓對煤體滲透率的影響，結(jié)果表明覆壓的增大會使煤樣孔隙變小，從而導(dǎo)致滲透率的減??；康天合等[5]研究了煤的變質(zhì)程度、賦存條件和結(jié)構(gòu)特征對煤體導(dǎo)水系數(shù)的影響；樊亞慶等[6-7]通過自主搭建的等壓滲吸實(shí)驗(yàn)平臺，研究了瓦斯置換量和含水率的關(guān)系。

飽和導(dǎo)水系數(shù)是反映介質(zhì)滲透特性的重要參數(shù)。在水土環(huán)境研究領(lǐng)域，飽和滲透系數(shù)表示單位水勢梯度下、單位時(shí)間內(nèi)通過水飽和土壤單位面積的水量，是設(shè)計(jì)灌溉工程的重要參數(shù)之一。孔隙介質(zhì)的基本特性是影響飽和滲透系數(shù)的主要因素。陳明亮[8]對土壤飽和滲透系數(shù)的空間變異性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明土壤飽和滲透系數(shù)主要與大孔隙度有關(guān)，二者之間的關(guān)系可用冪函數(shù)和直線函數(shù)表示；孟晨[9]、敖家坤等[10]分析了大孔隙對飽和滲透系數(shù)的影響，結(jié)果表明不同土樣中大孔隙的分布呈現(xiàn)出不均一性，存在大孔隙的原狀土樣，其飽和滲透系數(shù)的變異遠(yuǎn)大于孔隙分布較為均一的處理土樣；李燕等[11]利用不同干密度壓實(shí)黃土，通過其孔隙結(jié)構(gòu)分布預(yù)測滲透曲線，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；李華等[12]測定了不同干密度壓實(shí)土樣的滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)在低吸力階段，不同土樣的滲吸系數(shù)差異較大，而在高吸力階段差異較小。

煤作為一種多孔介質(zhì)，其內(nèi)部存在著豐富的裂隙孔隙，這些裂隙孔隙的存在對于水分的運(yùn)移有著重要的影響。但是，對于煤體的飽和滲透系數(shù)及其影響因素還鮮有研究。基于此，擬采用不同壓制負(fù)荷下得到的重塑煤樣，采用自主設(shè)計(jì)的常水頭滲透實(shí)驗(yàn)裝置，對不含瓦斯重塑煤樣的滲透特性進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 煤樣的制備

以焦作古漢山礦高變質(zhì)無煙煤為研究對象，該礦井屬于煤與瓦斯突出礦井。由于實(shí)驗(yàn)煤樣為構(gòu)造煤，煤質(zhì)較軟，難以取心，而型煤孔隙結(jié)構(gòu)與原煤差別較小，且在研究水分運(yùn)移規(guī)律時(shí)多用型煤常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[13-14]，故利用電液伺服萬能機(jī)將所取煤樣壓制成型煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，對煤樣的壓制載荷分別設(shè)置為50、70、90、110 MPa，具體制備過程如下：

1）在工作面采取新鮮煤樣后立即裝入密封袋密封，實(shí)驗(yàn)室將煤樣粉碎，收集粒徑0.25 mm 以下和0.25～0.5 mm 的煤粉。

2）將這2 種粒徑的煤粉進(jìn)行干燥，干燥箱溫度為105 ℃，干燥時(shí)長12 h。

3）當(dāng)煤樣干燥完成后冷卻至室溫，按質(zhì)量比1∶2稱取一定質(zhì)量的上述煤粉，并用10%的蒸餾水進(jìn)行混合。

4）將加水后的煤樣攪拌均勻后加入煤樣罐，采用伺服萬能機(jī)和模具進(jìn)行壓制，并穩(wěn)壓2 h，將其制成尺寸為?100 mm×160 mm 的型煤煤樣。

5）將壓制好的型煤放入溫度為105 ℃的干燥箱中干燥48 h，以充分去除煤樣中的水分。干燥完成后冷卻至室溫備用。

1.2 不同壓制負(fù)荷型煤孔隙結(jié)構(gòu)測試

采用液氮低溫吸附法對不同壓制負(fù)荷下形成的重塑煤樣進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)測試。實(shí)驗(yàn)采用的測試儀器為ASAP2020 型全自動(dòng)孔隙率與比表面積分析儀，其基本原理為：氮?dú)庀鄬毫0/p 能夠影響氮?dú)庠诿后w表面的吸附量，其中p0為飽和蒸氣壓；p 為氣體平衡壓力。當(dāng)p0/p 在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，氮?dú)獗晃街撩簶硬煌笮〉目紫吨胁⑥D(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。根據(jù)不同壓力下的氮?dú)馕?脫附量，即可計(jì)算出孔體積、孔徑、孔分布和比表面積。實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下：

1）按照上述重塑煤樣制作方法，在50、70、90、110 MPa 載荷下壓制煤樣，壓制成型的煤樣呈圓柱體，直徑和高度均為16 mm。

2）稱量上述煤樣的質(zhì)量，精確到0.000 1 g。稱量結(jié)束后將煤樣放入樣品管中。

3）將樣品管中的煤樣加熱脫氣12 h，脫氣結(jié)束后進(jìn)行低溫液氮吸附/解吸實(shí)驗(yàn)。

1.3 飽和滲透系數(shù)測試

在煤樣制作完成之后，將煤樣罐接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行煤體的飽和滲透系數(shù)測定試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

實(shí)驗(yàn)裝置采用的是常水頭法，即水流在一定水頭差下通過試驗(yàn)煤樣，根據(jù)飽和煤樣的滲透流量Q和時(shí)間t 來計(jì)算煤樣的飽和滲透系數(shù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括常水頭加水單元、煤樣罐和出水計(jì)量單元。常水頭加水單元是由供水量筒、加水杯和計(jì)量天平組成，供水量筒可保持穩(wěn)定的水頭，計(jì)量天平可對注入煤體的水量進(jìn)行計(jì)量；出水計(jì)量裝置可對煤樣滲出水量進(jìn)行計(jì)量。

根據(jù)前人研究成果[15]，水分在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)符合Darcy 定律。在煤樣吸水飽和之后，煤樣的飽和滲透系數(shù)K 可由下式得出：

式中：K 為實(shí)驗(yàn)煤樣的滲透系數(shù)，cm/s；Q 為重塑煤樣的滲透流量，cm3；L 為水滲透通過重塑煤樣的長度，cm；H 為水頭損失，cm；A 為實(shí)驗(yàn)煤樣過水截面面積，cm2；t 為滲透流量Q 通過煤樣所對應(yīng)的時(shí)間，s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同壓制負(fù)荷重塑煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)

按照上述實(shí)驗(yàn)步驟對不同壓制負(fù)荷制成的重塑煤體的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)，低溫液氮吸附/脫附等溫線如圖2。

圖2 低溫液氮吸附/脫附等溫線Fig.2 Adsorption / desorption isotherms of low temperature liquid nitrogen

由圖2 可知，不同負(fù)荷壓制的重塑煤體吸附曲線趨勢一致，形態(tài)符合Ⅱ型等溫線。各重塑煤樣在相對壓力較低時(shí)，吸附曲線均有緩慢上升，隨著相對壓力繼續(xù)增加，吸附量急劇增加，這說明了重塑煤樣中較大的孔為開放型孔隙，在相對壓力較高時(shí)，氮?dú)庠诳紫栋l(fā)生了毛細(xì)冷凝現(xiàn)象，導(dǎo)致吸附曲線急劇上升。不同負(fù)荷壓制的重塑煤樣的脫附曲線均存在遲滯效應(yīng)，根據(jù)IUPAC 吸附滯后環(huán)的分類，發(fā)現(xiàn)在相對壓力為0.5 處的脫附曲線滿足H2 型遲滯環(huán)特征，即樣品中存在墨水瓶型的孔隙。同時(shí)，按照霍多特孔隙分類方法對不同負(fù)荷下壓制的重塑煤樣孔隙體積進(jìn)行分析，不同類型孔隙的體積占比見表1。

表1 不同類型孔隙的體積占比Table 1 Volume ratio of different types of pores

根據(jù)表1 可知，不同壓制負(fù)荷制成的重塑煤樣中，過渡孔所占孔隙總體積最大，在57%以上；微孔次之，占孔隙總體積28%以上；中孔所占比例最小，占孔隙總體積14%以下。隨著壓制負(fù)荷的增大，煤樣的孔隙率逐漸減小，中孔和過渡孔體積占比也隨之減少，這說明在較大的載荷下煤樣更加密實(shí)。

2.2 不同壓制負(fù)荷重塑煤樣的飽和含水率

利用常水頭滲透實(shí)驗(yàn)裝置對不同壓制負(fù)荷下形成的重塑煤樣進(jìn)行飽和滲吸系數(shù)的測試，重塑煤樣含水率隨時(shí)間變化關(guān)系如圖3。

圖3 重塑煤樣含水率隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 Relationship between moisture content ofremolded coal sample and time

由圖3 可以看出，在吸水過程中，不同壓制負(fù)荷下形成的重塑煤樣的質(zhì)量含水率均隨著時(shí)間表現(xiàn)為先快速增加，后緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，在50、70、90、110 MPa 壓制負(fù)荷下形成的重塑煤樣，其飽和含水率分別為24.5%、21%、19.1%和17.3%，即重塑煤樣的飽和含水率隨壓制載荷的增大而逐漸減小，兩者之間符合形如y=a×xb的函數(shù)關(guān)系，重塑煤樣飽和含水率隨壓制載荷變化關(guān)系如圖4。

圖4 重塑煤樣飽和含水率隨壓制載荷變化關(guān)系Fig.4 Relationship between saturated moisture content of remolded coal sample and pressing load

分析可知，當(dāng)煤樣壓制負(fù)荷較小時(shí)，煤樣的孔隙率較大，從而可以儲存更多的水分。煤體飽和含水率反映了煤樣的持水容量，在煤層注水時(shí)，應(yīng)充分考慮煤樣的孔隙特性，合理地設(shè)計(jì)注水時(shí)間和注水量，以便于能夠達(dá)到更好的降塵和局部消突效果。

2.3 不同壓制負(fù)荷重塑煤樣飽和滲透系數(shù)

當(dāng)重塑煤樣的質(zhì)量含水率不再隨時(shí)間發(fā)生明顯變化時(shí)，即可視為煤樣吸水飽和。由于煤樣罐下方出水口水滴滴落的不連續(xù)性，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取一段時(shí)間內(nèi)的多組滲透流量和滲透時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）對不同壓制負(fù)荷條件下制成的重塑煤樣的飽和滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，不同壓制負(fù)荷重塑煤樣的飽和滲透系數(shù)如圖5。

由圖5 可知，當(dāng)重塑煤樣壓制負(fù)荷為50 MPa時(shí)，煤樣的飽和滲透系數(shù)在8×10-5cm/s 左右；當(dāng)重塑煤樣壓制負(fù)荷為70 MPa 時(shí)，煤樣的飽和滲透系數(shù)在3×10-5cm/s 左右；當(dāng)重塑煤樣壓制負(fù)荷為90 MPa 時(shí)，煤樣的飽和滲透系數(shù)在1.5×10-6cm/s 左右；當(dāng)煤樣壓制負(fù)荷為110 MPa 時(shí)，煤樣的飽和滲透系數(shù)在6×10-7cm/s 左右，與50 MPa 壓制的重塑煤樣的飽和滲透系數(shù)相差了2 個(gè)數(shù)量級。顯然，壓制負(fù)荷的增大限制了煤樣的滲透特性，這主要是由于較小負(fù)荷壓制的重塑煤樣中，總空隙體積較大，且過渡孔和中孔所占總孔隙體積比例也較大，這些孔隙構(gòu)成了水在煤體中的主要流動(dòng)通道。壓制載荷的增大使得煤樣中的孔隙往更小的方向發(fā)展，減少了過渡孔、中孔以及大孔等煤中水分的主要滲流孔。故壓制負(fù)荷小的煤樣更容易靜壓水的運(yùn)移，水分的運(yùn)移速度也更快。

圖5 不同壓制負(fù)荷重塑煤樣的飽和滲透系數(shù)Fig.5 Saturated permeability coefficient of remolded coal under different compaction loads

3 結(jié) 論

1）隨著壓制負(fù)荷的增大，重塑煤樣的過渡孔及中孔體積所占比例逐漸減小，微孔體積略微增大，煤樣的孔隙率逐漸減小，煤樣更加密實(shí)。

2）重塑煤樣的飽和含水率隨壓制載荷的增大而減小，兩者之間符合單調(diào)遞減函數(shù)關(guān)系，說明了壓制負(fù)荷小、孔隙率大的煤中容易儲存較多的水分。

3）壓制負(fù)荷的增大使得微孔以上孔隙的體積占比逐漸減小，減少了煤的主要滲流通道，故表現(xiàn)為隨著壓制負(fù)荷的增大，煤的飽和滲透系數(shù)逐漸減小。