王曉東

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)公司 生產(chǎn)技術(shù)中心，山西 陽(yáng)泉 045000)

對(duì)煤體進(jìn)行水力壓裂措施后，大量的水被高壓壓入煤體內(nèi)部，隨著煤體內(nèi)的孔隙被水分侵入，將導(dǎo)致瓦斯解吸特性發(fā)生變化。煤體的瓦斯解吸特性在一定程度上決定了煤層突出風(fēng)險(xiǎn)的大小，對(duì)確定瓦斯壓力和突出風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用。煤體中裂隙水?dāng)D走煤體中的部分瓦斯，同時(shí)阻礙煤體中瓦斯的移動(dòng)[1]。水在進(jìn)入煤體的過程中有置換效應(yīng)，大約可置換掉煤體中10%的瓦斯含量[2-3]，置換的量和液體性質(zhì)有關(guān)[4]；水在煤體中產(chǎn)生毛細(xì)管力，對(duì)瓦斯的移動(dòng)起到阻礙作用，孔隙壓力使游離態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)變成吸附態(tài)瓦斯[5-6]。含水量的增加對(duì)瓦斯解吸起到抑制作用，并且和煤的變質(zhì)程度相關(guān)[7-8]。

本文以新景礦3號(hào)低透氣性煤層為對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同含水量煤體的飽和吸附量、解吸量和解吸速度來研究瓦斯解吸特性規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及煤樣制備

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

含水量對(duì)煤的瓦斯解吸特性的影響規(guī)律直接決定了含水煤層的瓦斯涌出規(guī)律，也是水力壓裂等技術(shù)措施的理論基礎(chǔ)。水分含量對(duì)煤中瓦斯解吸特征的影響實(shí)驗(yàn)裝置由真空脫氣、恒溫、吸附平衡、煤樣注水及解吸測(cè)量五個(gè)單元構(gòu)成，各單元具體組成及功能如下。

1) 真空脫氣單元。由真空泵、真空管、復(fù)合真空計(jì)和玻璃三通閥等組成，可完成煤樣的脫氣和體積測(cè)定。

2) 恒溫單元。由恒溫水浴、恒溫器、煤樣罐和充氣罐、精密壓力傳感表組成。該單元可保持煤樣罐中煤樣在吸附和解吸過程中恒溫，由水浴和超級(jí)恒溫器實(shí)施。

3) 吸附平衡單元。由精密壓力傳感表、瓦斯氣、煤樣罐和充氣罐以及連通閥門組成。

4) 煤樣注水單元。由精密壓力表、平流泵、量杯測(cè)定儀組成。

5) 解吸測(cè)量控制單元。該單元由壓力調(diào)控閥、自制瓦斯解吸測(cè)定儀組成。

1.2 煤樣制備

1) 稱取方盤重量，計(jì)為M0′；

2) 取新景礦3號(hào)煤層，制成粒度為0.17～0.25 mm的樣品200 g，裝入容器中均勻攤開，在105 ℃下烘干24 h；

3) 用天平稱取煤樣和容器的總質(zhì)量，為M0；

4) 向煤樣噴灑水霧并均勻攪拌，浸潤(rùn)4 h，稱煤樣和容器的質(zhì)量，計(jì)為M1；

5) 將上述含水煤樣裝入吸附罐，稱剩余煤樣和容器的質(zhì)量，計(jì)為M′；

6) 每次控制向煤樣噴水霧的量，可控制煤樣的含水量，煤樣的含水量按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Wt為煤樣的全水分含量，%；M1為加入水分后的煤樣和方盤的質(zhì)量，g；M0為干燥煤樣和方盤的質(zhì)量，g；M0′為方盤的質(zhì)量，g。

吸附罐內(nèi)裝樣量按式(2)計(jì)算：

M=M1-M′

(2)

式中：M為裝罐含水煤樣質(zhì)量，g；M′為剩余含水煤樣和方盤的質(zhì)量，g。

2 吸附量

為了研究煤體含水量對(duì)瓦斯吸附能力的影響，把不同含水量的煤樣放入吸附罐，用高壓容量法測(cè)試其瓦斯吸附等溫線。煤樣的含水量分別為0%、1.55%、2.60%、3.80%和4.58%情況下瓦斯吸附等溫線見圖1。

圖1 不同煤體含水量的瓦斯吸附等溫線

由圖1可以看出，新景礦3號(hào)煤層煤體對(duì)瓦斯的吸附能力隨著煤中含水量的增加而減小。含水量對(duì)煤體的瓦斯吸附量的影響是非線性的，隨著煤體含水量的增加，煤體含水量對(duì)瓦斯吸附量的影響越來越小。

3 解析量和解吸速度

3.1 瓦斯解吸總量的影響研究

為了考察煤體含水量對(duì)新景礦3號(hào)煤層煤樣瓦斯解析量的影響，吸附平衡壓力設(shè)置為1 MPa，溫度設(shè)置為30 ℃，分別對(duì)不同含水量的實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行瓦斯解吸過程測(cè)試。不同含水量煤體的瓦斯解吸量隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線見圖2。

圖2 不同煤體含水量在1.0 MPa壓力下

由圖2可以看出：煤體含水量越大，瓦斯解吸量越小，含水量對(duì)瓦斯的解吸起著阻礙作用；當(dāng)煤體含水量達(dá)到11.5%后，隨著煤體含水量的增加其瓦斯解析量減小的非常少，影響可忽略不計(jì)；瓦斯解吸量隨著時(shí)間的增加逐漸增加，但增加幅度越來越小。

為了研究水分含量與3號(hào)煤層煤樣瓦斯解吸量之間的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分析煤體不同含水量在1.0 MPa壓力下、前150 min時(shí)間的瓦斯解吸量(Q150)見表1。

表1 不同煤體含水量前150 min解吸量統(tǒng)計(jì)

由表1可知，不同水分含量的煤樣在吸附平衡壓力1.0 MPa條件下，其解吸量隨著水分的增加是逐漸遞減的。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在吸附平衡壓力相同的情況下，水分愈大，Q150值越小。

3.2 瓦斯解吸速度的影響研究

不同水分含量對(duì)瓦斯解吸速度影響的考察是在水分對(duì)瓦斯解吸量影響的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算每2 min的解吸量。試驗(yàn)選取同一粒度(0.17～0.25 mm)煤樣在30 ℃條件下測(cè)試，吸附平衡壓力為1.0 MPa。不同含水量煤體的瓦斯解吸速度隨著時(shí)間的變化曲線見圖3。

圖3 不同煤體含水量在1.0 MPa壓力下

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：解吸速度隨時(shí)間迅速衰減，煤樣從開始解吸到第10 min時(shí)，煤體的瓦斯解吸速度平均降幅達(dá)到80%及以上，從第15 min以后，解吸速度變化緩慢；煤體含水量越高，其初始的瓦斯解吸速度越?。划?dāng)煤體含水量達(dá)到11.5%時(shí)，其解吸速度就不再隨煤體含水量的增加而減小，且解吸速度基本趨于一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 煤體對(duì)瓦斯的吸附能力隨著煤體含水量的增加而減?。浑S著煤體含水量的增加，煤體含水量對(duì)瓦斯吸附量的影響越來越小。

2) 水分對(duì)瓦斯解吸起著明顯地抑制作用。煤體含水量越大，瓦斯解吸量越??；當(dāng)煤體含水量達(dá)到11.5%后，其解析量隨著含水量的增加變化非常小。

3) 煤體含水量越高，其初始的瓦斯解吸速度越小；當(dāng)煤體含水量達(dá)到11.5%時(shí)，其解吸速度就不再隨煤體含水量的增加而減小，且解吸速度基本趨于一致。