張國華， 李文成， 萬夫兵， 王麗娟

(1.黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，哈爾濱150022;2.黑龍江科技大學安全工程學院，哈爾濱150022)

煤的工業(yè)分析成分影響水鎖形成速度的實驗研究

張國華1， 李文成2， 萬夫兵1， 王麗娟1

(1.黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，哈爾濱150022;2.黑龍江科技大學安全工程學院，哈爾濱150022)

在利用水鎖防止工作面瓦斯超限應用中，煤的工業(yè)分析成分對水鎖形成速度有著重要影響。通過實驗，以同一滲透劑溶液與不同工業(yè)分析成分的煤接觸后的接觸角動態(tài)變化為衡量指標，探討了水鎖形成速度與煤的工業(yè)分析成分之間的關系。研究表明:對于同一工業(yè)分析成分的煤，滲透劑溶液質量分數(shù)越高，水鎖形成速度越快。無論哪種工業(yè)分析成分的煤，滲透劑溶液與煤接觸后，其浸潤、鋪展過程均集中在前20～30 s內。水鎖形成速度主要受煤中固定碳和灰分的影響。固定碳質量分數(shù)越高，水鎖形成速度越慢;灰分質量分數(shù)越高，水鎖形成速度則越快。對于0～0.1%質量分數(shù)區(qū)間，在灰分相近、固定碳質量分數(shù)較高時，宜選配高質量分數(shù)的滲透劑溶液，而在固定碳質量分數(shù)相近、灰分較高時，可以考慮選配低質量分數(shù)的滲透劑溶液。

瓦斯;煤的工業(yè)分析成分;水鎖;形成速度;接觸角

0 引言

煤礦井下瓦斯爆炸、窒息等災害事故，均源于事故空間內的瓦斯超限。為防止瓦斯超限，現(xiàn)場在采用加強通風仍無法解決的條件下，均會進一步采取瓦斯抽采措施加以應對。然而，瓦斯抽采需要足夠的時間才能夠達到應有的效果，故在一定程度上會影響工作面的正常回采，以為有些礦井雖然采取了瓦斯抽采措施，但在回采過程中仍會有瓦斯事故發(fā)生的根本原因。從根本上來說，瓦斯超限源于單位時間內涌入空間的瓦斯量超過了利用通風進行外排的速度，致使瓦斯?jié)舛壬摺；夭晒ぷ髅嫱咚沟膩碓矗饕üぷ髅嫖床擅后w內的瓦斯向工作面滲流、工作面落煤的瓦斯解吸釋放、采空區(qū)內的瓦斯擴散、臨近層的瓦斯?jié)B流四部分，通常以前兩者為主。因此，降低工作面未采煤體和工作面落煤的瓦斯解吸釋放量和解吸釋放速度，成為防止工作面瓦斯超限的關鍵。

研究表明，采取瓦斯抽采后，實施水鎖可以有效降低含瓦斯煤體的瓦斯解吸釋放量和解吸釋放速度［1－5］。在工程應用中，對工作面未采煤體，可以在瓦斯抽采后期利用抽采鉆孔實施注液水鎖，對工作面落煤則采用噴灑滲透劑溶液的方式直接形成水鎖［6］。無論采用哪種方式防治瓦斯超限，都希望其水鎖形成速度最快、水鎖效果最好。根據(jù)界面化學及吸附作用原理［7－8］，液體在固體表面發(fā)生的吸附、浸潤、鋪展源于固體表面的剩余自由能即剩余勢能，而剩余勢能又與固體自身的物質組成密切相關。對煤而言則表現(xiàn)為其工業(yè)分析成分不同，相應表面的剩余勢能就不同，滲透劑溶液與其接觸后，伴隨著吸附、浸潤、鋪展而產(chǎn)生的水鎖形成速度就不一樣?；谝陨?，筆者開展了煤的工業(yè)分析成分對水鎖形成速度影響實驗研究，旨在探討水鎖形成速度與煤的工業(yè)分析成分之間的關系，從而為水鎖應用中滲透劑溶液的配備提供支撐。

1 實驗原理

水鎖一詞源于石油天然氣勘探開采領域，是指外來液滲入儲層內部孔道而產(chǎn)生毛細管阻力和流體摩擦阻力，若產(chǎn)層的能量不足以克服這一阻力，則導致滲流通道堵塞，致使預采流體相對于無滲透劑溶液侵入的固體儲層其滲透率降低，從而導致預采流體回采率降低的現(xiàn)象［9－11］。于是，利用水鎖防止工作面瓦斯超限。后置侵入的滲透劑溶液與煤體表面接觸后，在含瓦斯煤體內部孔隙所具有的毛細管自吸力作用下，于瓦斯運移孔隙通道中形成毛細管阻力，降低了含瓦斯煤體的瓦斯解吸釋放量，于是延緩了瓦斯解吸釋放速度。

液體與煤體表面接觸后將發(fā)生一系列動態(tài)變化。這種動態(tài)變化實際上是一個依次發(fā)生吸附、浸潤、鋪展并伴隨著毛細管現(xiàn)象發(fā)生的綜合過程。浸潤和鋪展速度越快，則水鎖形成速度越快。動態(tài)變化直接反映在接觸角的變化上，即接觸角變化越快，液體在煤體表面的浸潤、鋪展及水鎖形成速度越快。因此，在測得煤的工業(yè)分析成分的基礎上，測定滲透劑溶液在煤表面接觸角的變化速度，就可以分析水鎖形成速度與工業(yè)分析成分之間的定性關系。

2 煤樣選擇與滲透劑溶液的制備

2.1 煤樣及工業(yè)分析成分測定

本研究共選擇四種煤樣，分別取自黑龍江龍煤集團七臺河分公司新興礦(煤樣1)、七臺河分公司龍湖礦(煤樣2)、鶴崗分公司富力礦(煤樣3)、雞西分公司城山礦(煤樣4)。利用煤質分析儀，測得其各自的工業(yè)分析成分如表1所示。

表1 地層劃分及參數(shù)Table 1 Classification and parameters of strata%

2.2 滲透劑溶液制備

結合前期研究，本實驗選擇的滲透劑為天然脂肪醇聚氧乙烯醚。通過初測，當滲透劑溶液質量分數(shù)超過0.1%時，其與煤接觸后瞬間發(fā)生浸潤、擴展，并隨即消失，故為便于問題的研究和分析，制備質量分數(shù)分別為 0.010%、0.025%、0.050%、0.075%、0.100%五種滲透劑溶液。

2.3 實驗設備及實驗過程

實驗在室內進行，環(huán)境溫度為19℃，采用動態(tài)接觸角全程記錄測定系統(tǒng)(圖1)，全程記錄純凈水、滲透劑溶液與煤表面接觸后其接觸角隨時間的變化。以10 s為時間間隔，獲取對應時間點的接觸角。煤塊采用非切割打磨煤塊，是自然解體煤塊，為了盡可能避免表面粗糙度對滲透劑溶液浸潤和鋪展的影響，選用塊體光滑面即自然層理面作為實驗面(圖2)。

圖1 接觸角測定系統(tǒng)Fig.1 Contact angle measuring system

圖2 實驗用煤塊Fig.2 Experimental coal

3 實驗結果與分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)

通過實驗，獲得水、同一濃度的滲透劑溶液與四種不同煤樣接觸時t的接觸角θ變化情況，如表2～5所示。

表2 滲透劑溶液與煤樣1的接觸角Table 2 Contact angle of penetrant solutions and coal 1

表3 滲透劑溶液與煤樣2的接觸角Table 3 Contact angle of penetrant solutions and coal 2

表4 滲透劑溶液與煤樣3的接觸角Table 4 Contact angle of penetrant solutions and coal 3

表5 滲透劑溶液與煤樣4的接觸角Table 5 Contact angle of penetrant solutions and coal 4

3.2 實驗分析

由表2～5中的實驗數(shù)據(jù)，可分別獲得水、不同濃度滲透劑溶液與同一煤樣接觸時其接觸角的變化對比曲線，具體如圖3所示。

圖3 不同濃度滲透劑溶液與同一煤樣接觸后的接觸角變化曲線Fig.3 Contact angle variation curve of different concentration penetrant solutions and same coal

結合表1、表2～5中的實驗數(shù)據(jù)以及圖3中的變化曲線，通過對比分析可知:

(1)對于同一工業(yè)分析成分的煤，滲透劑溶液質量分數(shù)越大，其與煤接觸后的接觸角越小，表明滲透劑溶液質量分數(shù)越高，其與煤接觸后的吸附、浸潤、鋪展過程越迅速，預示著水鎖形成速度越快。

(2)無論哪種工業(yè)分析成分的煤，滲透劑溶液與煤接觸后，其浸潤、鋪展過程均集中在前20～30 s內，之后基本穩(wěn)定。

同樣，結合表2～5中的實驗數(shù)據(jù)，亦可分別獲得水、同一濃度滲透劑溶液與不同煤樣接觸角的變化對比曲線，如圖4所示。

結合表1、表2～6中的實驗數(shù)據(jù)以及圖4中的同一質量分數(shù)滲透劑溶液與煤接觸后的接觸角變化曲線，可知:

(1)從煤的固定碳含量來看，同一濃度滲透劑溶液與不同工業(yè)分析成分的煤接觸后，其接觸角與煤中固定碳質量分數(shù)呈正相關關系，即固定碳質量分數(shù)越高，相應接觸后的接觸角越大，穩(wěn)定時的接觸角也越大。這意味著在固定碳含量較高時，滲透劑溶液與煤接觸后在其表面的吸附、浸潤、鋪展速度較慢，預示著其水鎖形成速度也較慢。

(2)從煤的灰分的質量分數(shù)來看，同一質量分數(shù)滲透劑溶液與不同工業(yè)分析成分的煤接觸后，其接觸角與煤中灰分的質量分數(shù)呈負相關關系，即灰分質量分數(shù)越高，相應接觸后的接觸角越小，穩(wěn)定時的接觸角也越小。意味著在灰分含量較高時，滲透劑溶液與煤接觸后在其表面的吸附、浸潤、鋪展速度較快，預示著其水鎖形成速度也較快。

(3)在煤的固定碳和灰分質量分數(shù)相近的條件下(表1)，從其自然水分質量分數(shù)來看，同一濃度滲透劑溶液與不同工業(yè)分析成分的煤接觸后，總體表現(xiàn)出水分質量分數(shù)越高，接觸角則越小，越易于滲透劑溶液的鋪展。

(4)從煤的揮發(fā)分來看，由于四種煤樣的揮發(fā)分比較接近，故沒有明顯反映出其與接觸角之間的相關關系。

富含瓦斯的煤一般所處的環(huán)境比較干燥［6］。利用水鎖對含瓦斯煤體的瓦斯解吸與釋放延緩與阻礙作用來防止工作瓦斯超限，在滲透劑確定的條件下，從提高水鎖形成速度出發(fā)，溶液濃度的配備應著重考慮煤中固定碳、灰分兩種工業(yè)分析成分的質量分數(shù)。固定碳有礙于水鎖的形成，而灰分則有利于水鎖的形成。也就是說，對于質量分數(shù)在0～0.1%區(qū)間時，在灰分相近的條件下，當固定碳質量分數(shù)較高時，宜選配高質量分數(shù)的滲透劑溶液。而在固定碳質量分數(shù)相近的條件下，當灰分質量分數(shù)較高時，可以考慮選配低質量分數(shù)的滲透劑溶液。

圖4 同一濃度滲透劑溶液與煤接觸后的接觸角變化曲線Fig.4 Contact angle variation curve of same concentration penetrant solutions and different coal

4 結論

無論哪種工業(yè)分析成分的煤，滲透劑溶液質量分數(shù)越高，水鎖形成速度越快，且滲透劑溶液與煤接觸后，其浸潤、鋪展過程均集中在前20～30 s內，之后基本穩(wěn)定。同時，煤中固定碳質量分數(shù)越高，水鎖形成速度越慢，灰分質量分數(shù)越高，水鎖形成速度則越快。在工程應用中，對于配置0～0.1%質量分數(shù)區(qū)間的滲透劑溶液，在灰分相近、固定碳質量分數(shù)較高時，宜選配高質量分數(shù)的滲透劑溶液，而在固定碳質量分數(shù)相近、灰分較高時，可以考慮選配低質量分數(shù)的滲透劑溶液。

［1］ 張國華，魯 婷，梁 冰，等.基于水鎖機理的瓦斯超限防治理論［J］.黑龍江科技學院學報，2010，20(2):103－106.

［2］ 張國華，梁 冰，畢業(yè)武，等.水的后置侵入對瓦斯解吸影響試驗研究［J］.安全與環(huán)境學報，2011，11(6):204－208.

［3］ 張國華，梁 冰.滲透劑溶液侵入對瓦斯解吸速度影響實驗研究［J］.中國礦業(yè)大學學報，2012，41(2):200－204.

［4］ 張國華，梁 冰，畢業(yè)武.水鎖對含瓦斯煤體的瓦斯解吸的影響［J］.煤炭學報，2012，37(2):253－258.

［5］ 張國華，梁 冰，侯鳳才，等.不同質量分數(shù)滲透劑溶液侵入對瓦斯解吸影響的實驗［J］.重慶大學學報，2013，36(5): 107－112.

［6］ 張國華.煤礦瓦斯超限水鎖防治理論［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2014:117－118.

［7］ 朱步瑤，趙振國.界面化學基礎［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003.

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［9］ 賀承祖，胡文才.淺談水鎖效應與儲層傷害［J］.天然氣工業(yè)，1994，14(6):36－38.

［10］ 周小平，孫 雷，陳朝剛.低滲透氣藏水鎖效應研究［J］.特種油氣藏，2005，12(5):52－54.

［11］ 鐘新榮，黃 雷，王利華.低滲透氣藏水鎖效應研究進展［J］.特種油氣藏，2008，15(6):12－23.

(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Experimental study on influence of industrial analysis composition of coal on formation speed of water lock

Zhang Guohua1， Li Wencheng2， Wan Fubing1， Wang Lijuan1
(1.School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2.School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

The industrial analysis composition of coal has an important effect on the formation speed of water lock in using water lock to prevent gas over limit.The research using experiment discusses the relationship between the formation rate of water lock and the industrial analysis composition of coal using the dynamic change of contact angle of the same concentration penetrant solutions and different industrial analysis composition coal as measure.Research shows that the coal of same industrial analysis composition has a higher concentration of penetrant solution if the formation of water lock is faster;the coal of any industrial analysis composition，after penetrant solutions gets in touch with coal，has its infiltration and extend process focused in the first 20～30 seconds;the formation speed of water lock is mainly affected by the fixed carbon and ash in coal，suggesting that the higher the content of fixed carbon，the slower the formation speed of water lock;the higher the ash content，the faster the formation speed of water lock; and for the 0～0.1%concentration range，the close ash content and the higher fixed carbon content render it suitable to select high concentration of penetrant solution;and the close fixed carbon content and the higher ash content make it possible to consider low concentrations of penetrant solutions.

gas;industrial analysis composition of coal;water lock;formation speed;contact angle

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.004

TD712.54

2095－7262(2017)04－0340－05

:A

2017－05－12

國家自然科學基金項目(51574116);哈爾濱市科技局科技創(chuàng)新人才專項(優(yōu)秀學科帶頭人)項目(2016RAXXJ048);黑龍江高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(2016年)

張國華(1971－)，男，黑龍江省訥河人，教授，博士生導師，研究方向:煤礦瓦斯災害防治、礦山壓力及其控制，E-mail: zgh710828131@163.com。