肖知國 ，郝 梅 ，唐志昊 ，劉永強

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院, 河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點試驗室培育基地,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）

0 引 言

眾所周知，地殼運動及地球引力作用在巖體內(nèi)部產(chǎn)生地應(yīng)力。地應(yīng)力由自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和溫度應(yīng)力組成，其中，自重應(yīng)力最為重要，其值與上覆巖層的厚度和容重成正比。隨著煤炭資源開采的不斷進行，我國煤礦逐步進入深部開采階段[1]。在深部開采時，地應(yīng)力隨之升高，另外，由于采掘活動影響，易形成應(yīng)力集中區(qū)。在地應(yīng)力作用下，易形成地應(yīng)力與瓦斯的耦合作用，形成地應(yīng)力主導(dǎo)型的煤與瓦斯突出事故。為了提高礦井瓦斯災(zāi)害防治的精準性，亟需深入了解地應(yīng)力作用下含瓦斯煤的解吸特性[2]。

在瓦斯解吸特性的研究方面，國內(nèi)外學者最先以干燥煤為基礎(chǔ)，通過研究，先后形成了巴雷爾式、文特式、艾黎式、博特式、烏斯基諾夫式、王佑安式和孫重旭式等計算公式，并廣泛應(yīng)用于煤層瓦斯含量測定和煤與瓦斯突出預(yù)測[3]?；贔ick 擴散定律，楊其鑾等[4]導(dǎo)出了經(jīng)典擴散模型的精確解及簡化式，聶百勝等[5]導(dǎo)出了經(jīng)典擴散模型的三角函數(shù)表達式。在經(jīng)典單孔隙擴散模型的基礎(chǔ)上，RUCKENSTEIN等[6]提出雙孔隙擴散模型，CLARKSON[7]和SHI 等[8]提出了改進的雙孔隙模型。在水分侵入后瓦斯解吸特性的研究方面，也取得比較豐碩的研究成果。張國華[9]、趙東等[10]、陳向軍[11]、聶百勝[12]、肖知國[13]和陳學習等[14]采用不同的試驗方法測試了水分侵入對瓦斯的抑制解吸效應(yīng)。PAN 等[15]得出基質(zhì)含水率對氣體的擴散速率有顯著的影響。WU等[16]研究了水阻對甲烷解吸擴散的抑制作用。魏建平等[17]研究表明隨著含水率增加，含瓦斯煤的滲透率逐漸減小，整體呈負指數(shù)關(guān)系。劉永茜等[18]發(fā)現(xiàn)隨有效應(yīng)力增加，煤層氣滲流速度呈非線性遞減，隨含水率增加，煤層氣滲流速度變化的應(yīng)力敏感點逐步降低。蔣長寶等[19]發(fā)現(xiàn)隨著煤樣原始含水率的增加，煤樣的甲烷有效滲透率減小，發(fā)生煤與瓦斯突出的危險性減小。孟雅等[20]研究了覆壓下煤的孔滲性，結(jié)果表明煤樣孔隙率和滲透率隨著有效應(yīng)力的增加按負指數(shù)函數(shù)規(guī)律降低。一些學者還進行了應(yīng)力對瓦斯解吸特性影響的試驗研究，何滿潮等[21]研究了單軸應(yīng)力-溫度作用下煤中瓦斯的解吸特征，結(jié)果表明，煤樣在施加圍壓閉合裂隙過程中，由于儲氣空間減少可使分布于裂隙中大量游離氣體迅速排出煤體。唐巨鵬等[22]考慮三維應(yīng)力作用，發(fā)現(xiàn)同樣荷載條件下，加載時解吸量大于卸載時解吸量。

由于煤、瓦斯和水三相作用問題的復(fù)雜性，覆壓-注水作用下含瓦斯煤解吸特性的研究還有很多基礎(chǔ)工作要做，這對于弄清真實采礦環(huán)境下煤層注水等水力化防突措施對瓦斯解吸的影響有十分重要的現(xiàn)實意義。筆者通過向試驗煤樣施加覆壓，同時注入水分，研究覆壓-注水作用下含瓦斯煤的解吸特性。

1 試 驗

1.1 煤樣制備及測試

試驗煤樣采自焦作礦區(qū)古漢山煤礦二l 煤層，以下簡稱為GHS，為煤與瓦斯突出煤層。該煤層煤巖類型以光亮型-半光亮型煤為主，塊狀煤呈亞金屬光澤，干燥無灰基揮發(fā)分4.93%～9.37%，含碳量為91.7%～93.56%，煤質(zhì)為無煙煤。

在采掘工作面采集新鮮暴露的塊狀原煤，密封后送入試驗室，原煤樣在試驗室破碎、篩分，選取粒度3～6 mm 的顆粒煤作為試驗煤樣，充分干燥后放入干燥器備用。采用掃描電鏡法測試了煤樣的孔隙形態(tài)，采用直接法測試了煤樣與純水的接觸角，如圖1所示。另外，按照GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析方法》和GB/T 217-2008《煤的真相對密度測定方法》的要求進行工業(yè)分析和孔隙率測試，見表1。

表1 煤樣特征參數(shù)測試結(jié)果Table 1 Test results of coal sample characteristic parameters

圖1 煤樣掃描電鏡與接觸角測試Fig.1 Scanning electron microscope and contact angle

1.2 試驗方法

1.2.1試驗裝置設(shè)計

試驗需要建立一個覆壓作用下含瓦斯煤吸附-解吸特性的模擬測試裝置，試驗裝置設(shè)計難點主要為吸附罐的設(shè)計，如何使其既能保持密封，又能向試驗煤樣傳遞覆壓。同時，由于覆壓約10 MPa，密封是一個較大的技術(shù)問題。圖2 為覆壓作用下含瓦斯煤吸附-解吸模擬裝置及吸附罐實物經(jīng)過反復(fù)論證，決定采用如下方案：試驗煤樣裝在一個圓柱形鋼制罐體中，上罐蓋與罐體之間采用法蘭盤進行連接，并在其中設(shè)計一個油壓活塞，通過油壓活塞向試驗煤樣施加垂直壓力，通過罐體壁面向煤樣施加側(cè)向應(yīng)力；為了便于操作，下罐蓋也采用法蘭盤進行連接，并在其上設(shè)置進氣管、排氣管及注水管，如圖2a 所示。另外，為了保證氣密性，上下法蘭盤與罐體之間均采用O 型密封圈進行密封。

圖2 吸附罐實物及試驗裝置原理Fig.2 Schematic diagram of experimental device

在試驗室建立了深部開采條件下壓力水對煤體瓦斯解吸特性影響的模擬測試裝置，如圖2b 所示，試驗裝置主要由等溫吸附-解吸系統(tǒng)、地應(yīng)力施加系統(tǒng)和高壓注水系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)組成。裝置通過向試驗煤樣施加覆壓，模擬煤層受壓條件，采用平流泵向預(yù)先吸附瓦斯的試驗煤樣注入高壓水，吸附罐可放置在恒溫水浴中保持恒溫。

裝置中吸附-解吸系統(tǒng)各部件之間通過細鋼管連接，試驗前進行了嚴格的氣密性檢查，并標定了吸附罐、充氣罐及相關(guān)管線的自由體積。主要部件性能及精度如下：壓力表精度為0.25 級，解吸儀最小刻度為2 mL，真空計測壓范圍0.1×105～1.0×105Pa，真空泵極限壓力≤2×10-2Pa，恒溫水浴控溫精度±0.05 ℃。注水泵流量0.01～5 mL/min，工作壓力0～42.0 MPa，精度±0.5%。油壓活塞工作壓力1～63 MPa，工作行程70 mm。

1.2.2 試驗步驟

1）選取制備好的3～6 mm 粒度煤樣適量，攪拌均勻，在105 ℃下連續(xù)干燥10 h 以上，均分為12 份，放入干燥器內(nèi)冷卻備用。

2）煤樣稱重后裝入吸附罐，向罐內(nèi)充入高壓氦氣后，放入水中進行氣密性檢查。

3）設(shè)定水浴溫度為60 ℃，打開閥門C 和閥門D，對煤樣抽真空至氣壓低于10 Pa 時，關(guān)閉閥門C 和D。

4）重新設(shè)定水浴溫度為試驗溫度30 ℃，打開甲烷瓶閥門和閥門A，向充氣罐中充入高壓甲烷至所需壓力后關(guān)閉閥門A；打開閥門B、D，向煤樣罐充入高壓甲烷氣體，邊充氣邊觀察壓力表7，當其壓力降至預(yù)定的壓力后，立即關(guān)閉閥門B 和D；煤樣在恒溫環(huán)境下吸附甲烷至壓力表6 的讀數(shù)不再變化。

5）打開閥門F，采用油壓活塞向煤樣施加覆壓，當壓力表4 達到設(shè)定的覆壓時，關(guān)閉閥門F，同時記錄瓦斯壓力變化。

6）打開注水泵，設(shè)定注水壓力和流量，根據(jù)煤樣質(zhì)量及設(shè)定水分，注入預(yù)定水量。之后，煤樣罐在恒溫水浴中平衡至壓力表6 的讀數(shù)不再變化。

7）快速打開煤樣吸附罐的放氣閥門，使壓力表6瞬間歸零，放出的氣體收集在儲氣袋中。之后，進行120 min 的解吸試驗，每隔一定時間讀取瓦斯解吸儀讀數(shù)，按照數(shù)據(jù)處理方法計算出每分鐘瓦斯解吸量、解吸速度和殘存瓦斯含量。

8)更換試驗煤樣，依次進行覆壓為5、10、15 MPa，水分為0、2%、4%、6%條件下的解吸試驗。

1.2.3試驗數(shù)據(jù)處理

1）充氣量計算。為了使試驗數(shù)據(jù)具有可比性，充氣量需要換算至標準狀況下的體積，計算公式如下：

為了使試驗結(jié)果具有可比性，每次試驗的充氣量相等。即每次充氣罐初始壓力均調(diào)整為4.0 MPa，當壓力降至3.0 MPa 時，停止充氣。經(jīng)計算，充氣量約為5 236.59 mL。

2）解吸量。從吸附罐解吸的氣體需按照式(2)換算為標準體積。

4）甲烷解吸速度。文獻[3]研究表明，當煤樣粒度較小時，煤中瓦斯解吸主要為擴散過程，瓦斯解吸量隨時間的變化可用文特式進行很好擬合，見式（4）：

式中：V1為初始瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；kt為瓦斯解吸速度衰減系數(shù)。

2 試驗結(jié)果及結(jié)果分析

2.1 對累計瓦斯解吸量的影響

測試數(shù)據(jù)換算為標準體積后，繪制出相同覆壓下水分對累計瓦斯解吸量的影響曲線，如圖3 所示。在相同覆壓下，干燥煤樣的解吸曲線均處于最上方，隨著水分增加，曲線均下移。說明水分介入后堵塞了瓦斯解吸的通道，抑制了瓦斯解吸。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，繪制出相同水分下覆壓對累計瓦斯解吸量的影響曲線，如圖4 所示。干燥煤樣的累計瓦斯解吸量隨覆壓的增大而增大，說明覆壓作用對瓦斯解吸起到促進作用；水分為2.0%時，不同覆壓作用下的累計瓦斯解吸量的曲線較為集中，并且和干燥煤樣相同，15 MPa 下解吸量最大；水分為4.0%和6.0%時，均是5 MPa 覆壓作用下的累計解吸量最大，10 MPa 和15 MPa 的曲線差別不大。

圖4 相同水分下覆壓對累計瓦斯解吸量的影響Fig.4 Effect of overburden on cumulative gas desorption volume under the same moisture content

以上測試結(jié)果說明，對于干燥煤樣，覆壓作用整體上是促進煤體瓦斯解吸的，這和煤與瓦斯突出事故中地應(yīng)力促進解吸的作用是類似的；隨著水分的介入，覆壓作用逐漸從促進瓦斯解吸過渡為抑制瓦斯解吸，覆壓大的煤樣累計瓦斯解吸量反而變小，分析原因，這是由于覆壓增大使煤樣中孔裂隙縮小，毛細管力增大，從而產(chǎn)生更強的抑制解吸作用，這對于認識煤層注水防治煤與瓦斯突出的機理具有一定意義。

2.2 對解吸速度的影響

根據(jù)測試結(jié)果，繪制出相同覆壓下水分對瓦斯解吸速度的影響曲線，如圖5。各種試驗條件下，瓦斯解吸速度曲線均隨著時間快速衰減；不同覆壓作用下，瓦斯解吸速度曲線均隨著水分的增大而下移。

圖5 相同覆壓下水分對瓦斯解吸速度的影響Fig.5 Effect of moisture content on gas desorption rate under the same overburden

采用文特式對圖5 中的試驗數(shù)據(jù)進行了擬合，結(jié)果見表2。覆壓作用下，煤樣瓦斯解吸速度均可以用文特式Vt=V1t-kt進行很好擬合，擬合系數(shù)R2均大于96%，說明采用文特式對試驗數(shù)據(jù)進行擬合是合適的。

表2 不同覆壓和水分作用下瓦斯解吸速度擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of gas desorption rate under different overburden and moisture content

依據(jù)表2 中的擬合數(shù)據(jù)，做出相同覆壓作用下V1和kt值隨水分的變化曲線，如圖6 所示。對于V1，在相同覆壓下，其值均隨著水分的增大而減??；覆壓增大曲線整體上移，說明覆壓作用促進瓦斯解吸，使V1增大，但水分注入后會降低V1，覆壓和水分對V1的作用效果相反，當水分增加時，可以抵消覆壓對V1的影響。對于kt值，在相同覆壓作用下，其值隨水分增大而減小的趨勢較為明顯；相同水分下，整體上隨覆壓增大而增大。

圖6 相同覆壓下V1, kt 與水分的關(guān)系Fig.6 Relationship between V1, kt and moisture content under the same overburden

依據(jù)表2 中的擬合數(shù)據(jù)，做出相同水分下覆壓對V1和kt值的影響曲線，如圖7 所示。

圖7 相同水分下V1, kt 與覆壓的關(guān)系Fig.7 Relationship between V1, kt and overburden under the same moisture content

對于干燥煤樣，V1隨覆壓增大而增大；隨著水分介入，各水分下，均表現(xiàn)出V1在覆壓10 MPa 時略有下降，在15 MPa 時又略有增加。說明對于干燥煤樣來說，覆壓促進解吸，增大了V1；但水分介入后抑制了瓦斯解吸，與覆壓作用相反，減小了V1，隨著覆壓增大，覆壓作用重新占據(jù)優(yōu)勢，使V1增大。

對于干燥煤樣，kt值隨著覆壓增大而減小，水分介入后，kt值變化趨勢較為復(fù)雜。說明對于干燥煤樣，覆壓作用使煤樣壓實，減小了kt值；水分介入后，水鎖效應(yīng)可以降低了kt值，但由于覆壓作用的動力效應(yīng)可以使煤粒發(fā)生相對位移，破壞水鎖效應(yīng)，使kt增加，從而隨著覆壓增大kt的變化趨勢較為復(fù)雜。

2.3 對V1 的影響系數(shù)

為了研究方便，引入影響系數(shù)β來衡量覆壓作用下水分對瓦斯解吸速度特征參數(shù)V1的影響程度，影響系數(shù)β定義為水分作用下V1減小程度：

式中：v1為某一覆壓下干燥煤樣的初始瓦斯解吸速度，mL/( g·min)；v′1為某一覆壓下含水煤樣的初始瓦斯解吸速度，mL/(g·min)。

經(jīng)計算，做出試驗煤樣在不同覆壓下影響系數(shù)β隨水分的變化曲線，如圖8 所示。β均隨水分增大而增大；在相同水分下，覆壓5 MPa 時β最小，覆壓10 MPa 和15 MPa 時β均增大。

圖8 影響系數(shù)β 與水分的關(guān)系Fig.8 Influence coefficient β with moisture content

2.4 對殘存瓦斯含量的影響

為了分析覆壓作用下水分對瓦斯的封堵效果，經(jīng)計算，得到各試驗條件下解吸120 min 后煤樣的殘存的瓦斯含量。如圖9 所示。殘存瓦斯含量隨水分的增大而增大；在相同水分下，煤樣殘存瓦斯含量隨覆壓增大而增大。

圖9 覆壓下殘存瓦斯含量與水分的關(guān)系Fig.9 Relationship between residual gas content and moisture content under overburden

3 覆壓-注水影響瓦斯解吸機理分析

通過以上試驗研究，可以得到，覆壓作用下，干燥煤樣的累計瓦斯解吸量和V1均增大；隨著水分的介入，覆壓大的煤樣累計瓦斯解吸量和V1反而變??；覆壓增大后，整體上水分對瓦斯解吸的影響增大；煤樣殘存瓦斯含量隨覆壓和水分增大而增大。分析覆壓-注水作用下含瓦斯煤的解吸機制包括：

1）覆壓作用的活塞效應(yīng)促進干燥煤樣瓦斯解吸。試驗中為了使煤樣吸附瓦斯更加均勻，采用顆粒煤作為試驗煤樣，但是顆粒煤樣和原始煤層相比還是存在較大區(qū)別，煤顆粒之間的膠結(jié)性不強，顆粒之間的間隙較大，滲透性對顆粒煤瓦斯解吸的影響較弱，初始階段瓦斯解吸主要受到受到覆壓的活塞效應(yīng)影響。

當煤樣受到覆壓作用時，煤樣中的顆粒間隙、基質(zhì)孔隙等均受壓縮小，孔隙率降低，覆壓越大，煤體的孔裂隙縮小程度越大，導(dǎo)致孔裂隙間的游離氣體被壓縮并迅速排出，這是累積瓦斯解吸量和V1增大的主要原因之一；另一方面，孔隙裂隙尺寸縮小后，吸附瓦斯分子間作用力增大，促使吸附瓦斯向游離瓦斯轉(zhuǎn)變，從而提高了解吸量。覆壓作用促進瓦斯解吸，這和文獻[2]的試驗結(jié)果是相同的

2）注入水分的抑制效應(yīng)降低了煤體瓦斯解吸速度。隨著水分的注入，煤對水的吸附作用力、水在煤孔隙的黏滯阻力及氣液界面的毛細管力均會對煤體瓦斯的解吸起到抑制效應(yīng)，使累計瓦斯解吸量、V1和kt降低。

3）覆壓-水分的耦合作用影響瓦斯解吸過程。水分介入后，隨著覆壓的施加，煤中孔隙被壓實，進而煤樣被壓碎壓實，煤中孔隙裂隙變小，毛細管阻力變大，因此，覆壓達到一定值后，累計瓦斯解吸量和V1變小，覆壓作用從促進瓦斯解吸過渡為抑制瓦斯解吸。隨著覆壓繼續(xù)增加，V1和kt增加，覆壓作用的動力效應(yīng)可以使煤粒發(fā)生位移，破壞水鎖效應(yīng)，使瓦斯解吸速度增加，從而隨著覆壓增大kt增大?？傮w上，覆壓和水分對瓦斯解吸的作用效果相反，當水分增加時，可以抵消覆壓對瓦斯解吸的影響。

4 結(jié) 論

1）在相同覆壓作用下，累計解吸量隨水分增大而減小；在不同覆壓作用下，干燥煤樣的累計解吸量隨覆壓的增大而增大，隨著水分的介入，覆壓大的煤樣累計瓦斯解吸量反而變小，覆壓作用從促進瓦斯解吸過渡為抑制瓦斯解吸。

2）在相同覆壓下，V1隨著水分的增大而減小，kt隨水分增大而減小的趨勢較為明顯。在相同水分下，對于干燥煤樣，V1隨覆壓增大而增大；水分介入后，各水分下，V1均在覆壓10 MPa 時略有下降，在覆壓15 MPa 時又略有增加。說明對于干燥煤樣覆壓促進解吸，增大了V1，水分介入后抑制了瓦斯解吸，減小了V1，隨著覆壓增大，覆壓作用重新占據(jù)優(yōu)勢，使V1增大。對于干燥煤樣，kt隨著覆壓增大而減小，水分介入后，kt變化趨勢較為復(fù)雜。

3）水分對V1的影響程度隨水分的增大而增大，覆壓增大后，整體上水分對瓦斯解吸的影響增大。

4）煤樣殘存瓦斯含量隨水分的增大而增大，隨覆壓增大而增大。