不同压力水作用下煤瓦斯解吸规律研究

李刚强，陈学习

(华北科技学院 矿山安全学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤层注水是一种有效的瓦斯防突手段，已在煤矿现场得到广泛应用，注水防突原理主要是通过影响煤层瓦斯解吸特性，减缓瓦斯释放速度和释放量，从而防止煤与瓦斯突出事故的发生。许多专家学者研究了注水对煤瓦斯吸附解吸的影响，普遍认为水可以起到抑制瓦斯解吸的作用[1-9]。其中，周珺等[10]通过实验测试，发现压裂液可以侵入煤基质和微割理，对瓦斯在煤层中的解吸、运移起到一定的阻碍作用。林柏泉等[11]通过现场注水，发现微观水分子对煤体瓦斯解吸可以起到抑制作用进而减少工作面的瓦斯涌出量。赵东等[12]利用块状原煤进行自然解吸和不同压力下的高压注水解吸实验，发现瓦斯解吸率会随注水压力的增大而减小并最终趋于稳定。肖知国等[13]通过对注水对等温解吸特性、甲烷解吸速度以及残存瓦斯含量的影响的研究，认为注水对吸附甲烷的解吸具有明显的抑制效应。张国华等[14]通过实验证实外液侵入煤体后会产生水锁效应，一方面会造成瓦斯解吸量和释放量的减少，另一方面也能够减缓煤体瓦斯的解吸和释放速度。牟俊惠等[15]通过分析不同含水率条件下，多种变质程度煤的瓦斯放散初速度，发现水分可以有效地减缓瓦斯放散初速度。还有一些学者通过其他手段研究了水分对煤体吸附和解吸瓦斯的影响。如聂百胜等[16]通过分子热力学和表面物理化学方法研究了化水对煤吸附作用的影响，降文萍等[17]采用量子化学方法建模研究了煤、水和瓦斯的相互作用。

本文以无烟煤为对象，主要研究其在不同注水压力条件下的瓦斯解吸量和速率变化规律，通过拟合和误差分析，找出最适合描述该实验条件下瓦斯解吸量和解吸速率曲线的经验公式，对于分析注水压力对瓦斯吸附解吸的影响，以及煤层注水防止煤与瓦斯突出具有重要的理论和现实意义。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

采用高压注水煤样瓦斯恒温解吸实验台，其中，恒温水浴精度为±1℃；吸附过程压力检测采用高精度压力传感器，精度为0.01 MPa；高压注水设备采用SB-10型手动试压泵，加压范围为0～10 MPa；采用排水集气法测量解吸瓦斯量，选用量程为1.5 L，刻度为5 mL的两根量筒并联组成，可估读至1 mL。实验装置原理图如图1所示。

1-试压泵；2，8，13,15-精密压力表；3，9,10,11,12-截止阀；4-煤样罐；5-恒温水浴；6-解吸测量装置；7-真空泵,14,16-减压阀；17-高压甲烷气瓶；18-高压氮气瓶图1 实验装置原理图

1.2 实验方法

选取江西高安矿区无烟煤、山西吕梁矿区焦煤和河北开滦矿区长焰煤作为实验用煤(工业分析见表1)。在井下取大块无烟煤，现场立即采用蜡封方式包裹封存。为模拟真实煤层条件，在实验室将现场选取的大块无烟煤制作成为圆柱形煤样，尺寸为∅50 mm×100 mm，尽量不破坏煤体原有的孔隙和裂隙。采用真空干燥箱对煤样进行干燥处理后放置到煤样灌中，采用恒温水浴确保煤样灌内部温度在实验期间始终保持在30℃恒定不变，同时检查煤样灌的气密性，并标定记录灌内自由空间体积。

表1 实验煤样工业分析

实验过程主要分为四个步骤：第一步真空脱气，打开截止阀10和11，用真空泵抽取煤样罐内空气，直至灌内压力下降至-0.1 MPa，脱气时长3 h；第二步充气吸附，打开截止阀10和12，向煤样罐内充入一定压力的高压瓦斯气体，记录灌内压力变化直至压力恒定，即视为达到吸附平衡，吸附时长24 h；第三步高压注水，打开截止阀3，采用试压泵向煤样罐内部注水，直至罐体上端出水口有水溢出，随即关闭出水口继续注水至指定压力，记录注水过程中的压力变化；第四步瓦斯解吸，打开截止阀9，使用集气装置进行常压解吸，直至解吸速率低于10 mL/h，即视为达到解吸平衡。

2 不同压力水的煤样瓦斯解吸实验

2.1 相同注水压力不同吸附平衡压力条件对比实验

将无烟煤煤样分别在0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa等3个吸附平衡压力下进行吸附，直至吸附平衡。随后，测试记录煤样在5 MPa注水压力下的瓦斯解吸总量和解吸速度，如图2所示。

图2 不同吸附平衡压力瓦斯解吸总量和解吸速度规律

从图2可以看出，在3种吸附平衡压力下，煤样瓦斯解吸总量随时间先单调递增后趋于稳定，随吸附平衡压力增加而增加。煤样瓦斯解吸速度随时间先快速降低后趋于稳定，受吸附平衡压力影响不大。吸附平衡压力1.0 MPa、1.5 MPa相对于0.5 MPa，瓦斯解吸量分别增加39.44%和64.15%，瓦斯解吸速度分别增快20.2%和58.06%，说明在相同注水压力和解吸时间条件下，吸附平衡压力越大，瓦斯解吸总量越大，瓦斯解吸速度越快。

可以认为，在煤样注水压力相同的情况下，瓦斯解吸总量和解吸速度同吸附平衡压力正相关，达到一定值后趋于稳定。解吸速度表现先快速减慢后趋于稳定的规律，受吸附平衡压力影响不大。

2.2 相同吸附平衡压力不同注水压力条件对比实验

将无烟煤煤样在1.0 MPa压力下进行瓦斯吸附至平衡状态，随后分别在9.0 MPa、5.0 MPa、1.5 MPa和自然压力等4种注水压力下进行解吸实验，瓦斯解吸总量和解吸速度随时间变化规律如图3所示。

图3 不同注水压力下瓦斯解吸总量和解吸速度规律

从图3可以看出，在相同吸附平衡压力条件下，瓦斯解吸速度和解吸总量均与注水压力呈负相关，即瓦斯解吸速度和解吸总量随注水压力的增大而减慢和减少。解吸速度表现出先减慢后趋于一个稳定值的规律。自然解吸的干燥煤样比注水的煤样瓦斯解吸速度更快，解吸总量更大。

2.3 注纯水和注添加表面活性剂溶液对比实验

将无烟煤煤样在1.0 MPa压力下进行瓦斯吸附至平衡状态，随后分别注入纯水和添加质量比为0.8% OP-10和0.2% CaCI2的复配表面活性剂溶液，注入溶液性质见表2。注入压力为5 MPa条件下的瓦斯解吸速度和解吸总量变化规律如图4所示。

表2 注入溶液性质

图4 注纯水与添加表面活性剂溶液瓦斯解吸总量和解吸速度规律对比

从图4可以看出，在同一吸附平衡压力和注水压力下，注纯水比注入复配的表面活性剂溶液瓦斯解吸速度更快，解吸总量更多。复配的表面活性剂溶液与煤的接触角更小，更容易进入到煤样的深层孔隙和裂隙，相对于注纯水对瓦斯释放通道的封堵作用更明显，抑制瓦斯解吸的作用更为显著。

2.4 不同变质程度煤相同注水条件对比实验

将无烟煤、焦煤和长焰煤三种煤样在1.0 MPa压力下进行瓦斯吸附至平衡状态，随后在5.0 MPa注水压力下进行解吸实验，瓦斯解吸总量和解吸速度随时间变化规律如图5所示。

从图5可以看出，在相同吸附平衡压力和注水压力条件下，瓦斯解吸速度和解吸总量均与煤的变质程度呈正相关，即煤的变质程度越高，瓦斯解吸速度越快，解吸总量越多，瓦斯解吸能力越强。

图5 不同变质程度煤相同注水条件瓦斯解吸总量和解吸速度规律

3 不同压力水作用下煤样瓦斯解吸速率及解吸量拟合

将上述实验中吸附平衡压力1.0 MPa、注水压力5 MPa、注纯水条件下得到的累计解吸量数据用三种具有代表性的解吸经验公式进行拟合分析，结果见表3：

表3 不同注水压力下累计瓦斯解吸量拟合结果

由表3可知，不同解吸解吸经验公式对加压注水条件下煤样瓦斯解吸量的拟合效果不同，但相差不大：乌斯基诺夫式在瓦斯解吸整个过程中的拟合效果最好，王佑安次之，文特式的拟合效果最差。因此，用乌斯基诺夫式能较好的描述煤样瓦斯在加压注水条件下的解吸特性。

为了进一步考察注水压力对瓦斯解吸特性的影响，利用乌斯基诺夫式的解吸速度拟合公式对不同注水压力下瓦斯解吸速度和时间参数进行拟合，结果见表4。

由图2和表3可以得出，瓦斯解吸速度随时间的增加而减小，当不断提高注水压力，含瓦斯煤样的初始瓦斯解吸速度呈现下降的趋势，压力水降低了瓦斯放散初速度，对瓦斯的解吸产生了明显的抑制作用，衰减系数也在减小，这说明，注水压力对瓦斯解吸的抑制影响仅在解吸初期作用明显，随着时间的推移，解吸速度下降缓慢。水在不同的孔裂隙中的运动驱动力不同，在较小的孔隙中主要是毛细力作用，而进入到微孔结构中分子的扩散运动占据主导地位，外界压力水能够在压差的作用下，克服界面张力、毛管力进入煤体小孔和微孔中，注水压力越大，进入的孔隙尺度就越深，水分就能够使得煤体的渗透率大幅度降低，在煤样瓦斯解吸过程中的阻碍和抑制作用也就越强，但当进入孔隙中的水分达到饱和状态，对瓦斯的抑制解吸的作用影响甚微，最终趋于稳定。

表4 不同注水压力下瓦斯解吸速率拟合结果

4 不同压力水作用下瓦斯解吸量和解吸速率拟合误差分析

通过上节拟合分析结果，可以得知对于不同注水压力条件下瓦斯解吸量和解吸速率的拟合效果乌斯基诺夫式效果最佳。利用乌斯基诺夫式分别计算不同时间段、不同注水压力下的瓦斯解吸量和解吸速率，通过对比实验所得数据进行误差分析，验证描述该实验结果的准确性和合理性。分析结果见表5和表6。

表5 不同注水压力不同时间段累计瓦斯解吸量误差分析

表6 不同注水压力不同时间段瓦斯解吸速率误差分析

从上述实验结果我们可以看出，乌斯基诺夫式对于不同注水压力条件下，不同时间段内累计瓦斯量的拟合误差均较小，误差最大为2.81%，非常适合描述实验结果；但对于不同时间段内瓦斯解吸速率的拟合误差来说，效果不是太好，误差大概在2%～21%之间，波动较大，尤其是拟合时间段的中后期，结果均距离实际较远。我们又采用文特式和王佑安式进行了验证，效果均好于乌斯基诺夫式。因此可以运用乌斯基诺夫式来描述不同注水压力条件下累计瓦斯解吸量曲线，而用文特式和王佑安式来描述解吸速率曲线是最佳的选择。

5 结论

(1) 相同时间内，煤样瓦斯解吸总量和解吸速度随吸附平衡压力增大而增多和变快，呈正相关关系。随着注水压力提高，煤样瓦斯解吸总量变小，解吸速度变慢，呈负相关关系；注纯水煤样的瓦斯解吸量比注添加表面活性剂溶液大，解吸速度更快。注水压力越大，水分能进入到的煤体孔隙尺度越小，对瓦斯解吸抑制作用越强。添加表面活性剂可降低液体表面张力，促进水分对煤体湿润作用，加强对瓦斯解吸的抑制作用。掌握吸附平衡压力、注水压力、注水介质、变质程度煤对瓦斯解吸量和解吸速率的影响规律，对煤层注水防突具有一定的指导意义。

(2) 使用三种具有代表性的解吸公式对累计瓦斯解吸量和解吸速率进行拟合分析，并对比拟合公式的计算值与实际值的误差，得出乌斯季诺夫式能够更好地描述注水条件下的瓦斯解吸量，文特式和王佑安式能够更好地描述注水条件下的瓦斯解吸速率。此三种公式可用于估算煤层注水后的瓦斯解吸量和解吸速率，分析瓦斯解吸规律，继而指导瓦斯突出预测。