水淹情况下块煤瓦斯解吸规律实验研究

王 然

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

中国的煤矿开采活动从20世纪初开始蓬勃发展，长久的煤矿生产在我国形成了很多的采动影响稳定区(简称采动稳定区，俗称废弃采空区)。由于生产条件制约，仍有大量的煤炭残留于井下，其中残留、聚集着大量煤层气[1-2]。若任由采空区煤层气资源逸散至大气中，不仅造成了资源浪费还会污染环境，影响井下生产安全[3]，因而需要对采空区煤层气资源进行利用。为了有效降低资源利用成本，需对采空区煤层气资源进行评估[4]。煤矿采空区瓦斯来源包括邻近卸压煤层瓦斯、采场煤柱残余瓦斯及采空区内部落煤残余瓦斯等。其中，落煤残余瓦斯解吸量是采空区可抽采瓦斯资源的重要组成部分，其估算的准确性直接影响着采空区瓦斯资源量评估结果的可靠性[5]。因此，采空区遗落块煤瓦斯解吸规律的研究对采空区资源评估具有重要意义。

近年来，国内外学者对粉煤及块煤的瓦斯解吸规律进行了大量的试验研究。曾社教等[6-7]研究了不同粒径煤粉在不同解吸温度下的瓦斯解吸规律；王轶波等[8]针对超低温情况下煤样的解吸规律进行了相应研究，超低温情况下煤样解吸速率明显降低；陈向军等[9]针对粒径1～3 mm的煤粉进行了含水情况下瓦斯解吸实验，发现随着含水量的逐渐增大，煤的瓦斯解吸速度逐渐降低；杨其銮等[10-11]研究表明，煤屑解吸与粒径关系存在一定界限，当煤样粒度小于极限粒度，瓦斯解吸强度的衰减系数随粒度减小而增大；姜永东等[12]研究了在不同声场情况下煤样的解吸规律，在声场作用下，瓦斯解吸速率加快；聂百胜等[13]通过在煤样解吸时加入电磁场影响因素，发现电磁场会促进煤样瓦斯解吸；王然[14]研究了不同粒径块煤在不同温度及负压情况下瓦斯解吸规律。

通过对已有研究分析发现，现有的瓦斯解吸实验方法针对采空区遗落块煤在水淹情况下解吸存在着以下一些不足：①现有的实验研究针对块煤解吸规律研究较少，多是小粒径煤粉，而针对块煤在不同体积水淹情况下的瓦斯解吸规律研究则更少，不能反映采空区遗落煤瓦斯解吸真实情况；②现有的解吸实验装置多是煤样罐装入煤粉进行解吸，针对大块度煤样含水解吸存在着向煤样罐注水不便、煤样罐内吸附平衡压力及水淹体积无法精准控制等问题，不能满足现有的实验需求；③现有的瓦斯解吸经验公式，并不能正确反映采空区情况下遗落块煤解吸量的计算，影响了采空区资源评估的准确性。

综上所述，需要在现有研究的基础上，针对采空区遗落煤潮湿环境解吸情况，试制更为适合的实验装置及实验方法，并推导出更为精准的块煤瓦斯解吸速率经验模型。

1 实验装置的试制

试制实验装置主要目的是精准控制粉煤或块煤的吸附平衡压力的同时，能够精准地控制块煤水淹体积，因此在现有的煤样罐基础上，在罐内增加了可升降的托盘装置。将干燥煤样放置于托盘上，密闭煤样罐后将罐体抽至负压状态后，此时打开注水阀门，在压力差作用下，通过注水量筒注入所需水量，此时煤样不接触水。注水完毕后，通过充气口充入瓦斯，使煤样达到设定的吸附平衡状态，再降低煤样托盘使块煤浸泡于水中，浸泡体积依据实验要求控制。通过上述操作，达到精准控制块煤浸泡体积及吸附平衡压力的实验的目的。块煤水淹瓦斯解吸装置如图1所示。

图1 块煤水淹瓦斯解吸装置Fig.1 Water flooding gas desorption device of lump coal

2 煤样的试制及实验设定

2.1 煤样物理参数及实验煤样试制

实验煤样的物理特性：真密度为1.4 t/m3，孔隙率为4.01%，坚固性系数f值为0.96，瓦斯放散初速度为9。试验煤样为原生煤样切割为边长约4 cm的正方体，试制煤样如图2所示。

图2 煤样示意Fig.2 Schematic diagram of coal sample

2.2 实验设定

完成了约60组煤样的测定，以其中3组为例，模拟了吸附平衡压力分别为0.4、0.6、0.8 MPa，煤样分别水淹1/3、2/3、未水淹条件下的解吸情况，水淹情况煤样浸泡时间为48 h，1号煤、2号煤及3号煤数据见表1。

表1 实验煤样尺寸数据Tab.1 Dimensional data of test coal samples

试验开始前需将煤样进行烘干脱气处理，在70 ℃条件下烘干12 h，以确保煤样中水分完全蒸发，保证实验的准确性，3个煤样9组试验方案见表2。

表2 煤样解吸试验方案Tab.2 Coal sample desorption test scheme

3 实验数据分析

3.1 煤样解吸数据分析

以3组煤样解吸数据为例，3种吸附平衡压力下不同体积浸泡煤样解吸速率如图3所示，解吸速率已换算为每克煤样解吸速率，当解吸速率低于0.001 L/min时停止计数。从图3中可以看出，经过水淹之后，初始解吸速率明显下降，0.4 MPa吸附平衡压力下，无水淹煤体初始解吸速率比浸泡1/3煤体高34%，比浸泡2/3煤体高56%，2种体积浸泡情况下煤样解吸速率差距为22%；0.6 MPa吸附平衡压力下，无水淹煤体初始解吸速率比浸泡1/3煤体高32%，比浸泡2/3煤体高62%，2种体积浸泡情况下煤样解吸速率差距为30%；0.8 MPa吸附平衡压力下，无水淹煤体初始解吸速率比浸泡1/3煤体高53%，比浸泡2/3煤体高70%，2种体积浸泡情况下煤样解吸速率差距为17%。无水淹和一定体积浸泡下煤样瓦斯解吸速率差距明显，说明不同体积水淹对大粒径煤体解吸存在显著影响，但3种情况下解吸速率的衰减都较快，2 min后煤样解吸速率趋于平缓直至计数停止。

图3 煤样在不同水淹体积下瓦斯解吸速率曲线Fig.3 Gas desorption rate curves of coal samples at different flooded volumes

实验煤样累计瓦斯解吸量见表3。

表3 实验煤样累计瓦斯解吸量Tab.3 Cumulative gas desorption amount of experimental coal samples

从表3可以看出，1号煤样在0.4 MPa吸附平衡压力下，在未水淹情况下，累计瓦斯解吸量比1/3水淹情况高了51.2%，比2/3水淹情况高了78.6%；2号煤样在0.6 MPa吸附平衡压力下，在未水淹情况下，累计瓦斯解吸量比1/3水淹情况高了57.3%，比2/3水淹情况高了82.5%；3号煤样在0.8 MPa吸附平衡压力下，在未水淹情况下，累计瓦斯解吸量比1/3水淹情况高了63.7%，比2/3水淹情况高了89.2%。

综上所述，当吸附平衡压力增大时，未水淹煤样解吸量与水淹煤样解吸量差距进一步增大，而2种体积水淹情况下，3种吸附平衡压力下煤样瓦斯累计瓦斯解吸量差距分别为27.4%、25.2%、25.5%，较为接近。因此，提高吸附平衡压力，水淹和未水淹块煤瓦斯解吸量差距会逐渐增大，而不同体积水淹情况下瓦斯解吸量的差距变化相对较小。

3.2 解吸速率经验公式推导

多年来，国内外众多学者针对不同情况下煤体的瓦斯解吸进行了大量的实验，并总结出了不同解吸条件下煤的瓦斯解吸量随时间变化的经验公式，如博特公式，文特公式、王佑安公式及孙重旭公式等[15-18]，但将已有的经验公式代入块煤水淹解吸数据进行计算时，发现拟合度较低。因此，需要推导实验条件下煤样瓦斯解吸经验公式。根据实验数据推导实验条件下不同浸泡体积下块煤瓦斯解吸经验公式，在0.6 MPa的吸附平衡压力下设解吸时间为t，设定水淹体积对解吸速率影响系数为R，水淹体积系数为p，而不同吸附平衡压力下块煤解吸速率差异可通过以往研究进行计算，则不同水淹体积单位煤体瓦斯解吸速率V公式为：

V=(1.38-0.6t+0.061t2)2R

(1)

通过分析不同浸泡体积下块煤瓦斯解吸速率的差异，对差异数据进行拟合，可以推导出水淹体积对解吸速率影响系数为R的计算公式为：

R=1.05-0.06p+0.001p2-7.6p2.5+0.048p0.5×lnp

(2)

3.3 经验公式的验证

选取3组新煤样1号、2号及3号，分别浸泡15%、45%及75%体积进入水中进行解吸，并先行通过经验公式对解吸数据进行拟合计算，对比计算结果及实验结果(表4)。由表4可以看出，经验公式计算数据与实测数据吻合度达到89.6%，验证了经验公式的准确性，在实验条件下能够很好地反映不同水淹体积下块煤瓦斯解吸规律。

表4 经验公式验证数据Tab.4 Data table of empirical formula verification

4 结论

(1)为验证块煤在不同水淹情况下瓦斯解吸规律，试制了针对不同吸附平衡压力及不同水淹体积下块煤瓦斯解吸实验装置，该装置能够精准控制吸附平衡压力及水淹体积和时间，符合实验要求。

(2)对煤样进行了加工，同时进行了多组解吸实验。通过实验可以发现，不同体积水淹对大粒径煤体解吸存在显著影响，随着水淹体积的增大，解吸速率逐渐降低，同时提高吸附平衡压力，水淹和未水淹块煤瓦斯解吸量差距会逐渐增大，而不同体积水淹情况下瓦斯解吸量的差距变化相对较小。并通过实验数据推导了不同水淹体积单位煤体瓦斯解吸经验公式和水淹体积对解吸速率影响系数R。

(3)对经验公式进行了验证，经验公式计算数据与实测数据吻合度达到89.6%，证明了经验公式的准确性，在实验条件下能够很好地反映不同水淹体积下块煤瓦斯解吸规律。