肖知國,張紅兵,史慶元,張曉鵬

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；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 454000；4.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

煤層注水作為一種防治煤與瓦斯突出技術(shù)，自20世紀(jì)60年代起在我國煤礦開始應(yīng)用，煤與瓦斯突出礦井在采取煤層注水措施后可以取得防突、降塵和防沖擊地壓三重功效[1]。但長期以來一些問題制約著該技術(shù)發(fā)展，如注水后水分如何均勻分布、合理的注水量和注水后何時進行采掘作業(yè)等。[2-3]為了增強煤層注水效果，一些學(xué)者研究了煤與水之間的潤濕和添加潤濕劑的方法[4-8]，還有一些學(xué)者進行了注水參數(shù)優(yōu)化研究[9-11]。

由于煤層注水是在煤、瓦斯和水之間產(chǎn)生復(fù)雜的三相耦合，因此完全依靠理論研究還有較大難度。[12]如王青松等[13]采用界面化學(xué)理論分析了煤體表面的潤濕過程，闡明了煤層注水降塵的潤濕機理，煤體潤濕是沾濕潤濕、浸潤潤濕和鋪展?jié)櫇?個子過程共同作用的結(jié)果，各子過程的進行主要受控于界面自由能，但自由能尚難直接計算；聶百勝等[14]應(yīng)用分子熱力學(xué)和表面物理化學(xué)，在理論上分析了煤的表面自由能特征和煤吸附水的微觀機理。試驗研究方面，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年研究，煤層注水的防突機理已基本清晰。其防突作用主要表現(xiàn)在兩方面：其一，宏觀效應(yīng)。壓力水注入過程中破裂煤體，加速煤層瓦斯釋放，同時釋放地應(yīng)力，使工作面集中應(yīng)力帶前移，安全性增加。[15-18]如YANG W等[19]經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，增加煤層含水量可以顯著降低煤的彈性模量和單軸抗壓強度，有利于減弱巷道的峰值應(yīng)力集中，并將峰值應(yīng)力推向圍巖深處，且隨著煤層含水率增加，煤的堅固性系數(shù)f增大，瓦斯放散初速度ΔP減小，煤的朗格繆爾吸附常數(shù)a降低，b增加。其二，微觀效應(yīng)。即抑制瓦斯解吸效應(yīng)，壓力水進入煤層后，水與煤的孔隙表面作用力阻礙了瓦斯解吸，使初始瓦斯解吸速度降低，瓦斯解吸過程變緩，避免瓦斯內(nèi)能快速釋放。[20-23]郭紅玉等[24]通過測試煤樣在不同含水飽和度狀態(tài)下的啟動壓力梯度和滲透率，發(fā)現(xiàn)隨著含水飽和度增大，滲透率逐漸降低，啟動壓力梯度逐步增大，滲透率越低的煤樣對含水飽和度越敏感，從理論上解釋了煤層注水抑制瓦斯涌出的原因；PAN Z J等[25]研究了基質(zhì)水分對煤中氣體擴散和流動的影響，研究表明，含水率對擴散系數(shù)和對煤的力學(xué)性能有顯著影響，從干煤到濕煤CH4的擴散系數(shù)降低82%以上，楊氏模量隨含水率的減小而顯著增大。另外，WU J H等[26]從水在煤中的自吸效應(yīng)出發(fā)，研究了水對瓦斯解吸和擴散的影響；CHEN X J等[27]研究了注水對鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的影響；ZHAO D等[28]研究了注水量和溫度對煤層氣解吸特性的影響；XIAO Z G等[29]研究了注入水對煤樣瓦斯解吸特性的影響；LIU Q等[30]研究了利用水力增透時的水堵效應(yīng)及其解除方法。

從以上研究可以看出，除了注水過程中水對煤層的宏觀效應(yīng)外，水進入煤體后，在防治煤與瓦斯突出方面主要表現(xiàn)為抑制解吸效應(yīng)。另外，煤層注水后，水和煤之間有吸水和失水兩種作用共存：其一，吸水作用。壓力水沿著煤層裂隙進入煤體，使水與煤體從不接觸到接觸，隨著壓力水不斷進入，裂隙內(nèi)液態(tài)水達到飽和，水在毛細作用下進入煤體微孔隙，毛細作用是煤體充分濕潤的保障，其作用效果與時間密切相關(guān)。其二，失水作用。由于注水鉆孔孔口壓力撤除，在地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體干燥失水作用下，液態(tài)水從煤層的節(jié)理、層理和裂隙中逐漸滲出煤體，使煤體失去水。在兩種作用共同影響下，若潤濕時間短，煤體與水的微觀作用不充分；若潤濕時間過長，失水作用占優(yōu)，水與煤體的微觀作用減弱。

綜上所述，煤層注水后，水對瓦斯的抑制解吸效應(yīng)是煤層注水防突機理中的一項重要作用，且抑制解吸效應(yīng)的強度與合理的潤濕時間是密切相關(guān)的。因此，本文采用測定顆粒煤樣注水后不同時間下抑制解吸效應(yīng)的方法研究最優(yōu)潤濕時間，采用顆粒煤注水可以有效避開宏觀效應(yīng)的影響。

1 試 驗

1.1 煤樣采集與加工

試驗煤樣分別采自焦作礦區(qū)古漢山煤礦二1煤層、新密礦區(qū)超化煤礦二1煤層和晉城礦區(qū)寺河煤礦3號煤層。在回采工作面選取新鮮暴露原煤煤樣并密封保存，煤樣在實驗室破碎、篩分，選取粒徑1～3 mm的煤作為試驗煤樣，放入鼓風(fēng)干燥箱中，在110 ℃下干燥6 h，以確保煤中水分完全蒸發(fā)，之后放入干燥器中備用。煤樣工業(yè)分析及煤與水的接觸角見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析及煤與水的接觸角

1.2 試驗裝置

在實驗室搭建注水煤樣瓦斯等溫吸附-解吸特性測試裝置，如圖1所示。該裝置主要由瓦斯吸附-解吸系統(tǒng)、恒溫水浴系統(tǒng)和注水系統(tǒng)組成。試驗系統(tǒng)各部件之間通過鋼管連接，試驗前進行嚴(yán)格的氣密性檢查，吸附-解吸系統(tǒng)中吸附罐、充氣罐和管線的自由體積預(yù)先進行標(biāo)定，氣壓表精度0.25級，瓦斯解吸儀精度2 mL，真空泵極限壓力≤2×10-2Pa，真空系統(tǒng)最低壓力0.1 Pa，恒溫水浴控溫精度±0.05 ℃，試驗系統(tǒng)精度可以滿足要求。

圖1 注水煤樣瓦斯等溫吸附-解吸特性測試裝置

1.3 試驗方法

采用分組試驗，同一種煤樣等分為若干份，干燥處理后分別放入圖1中的吸附罐中預(yù)先吸附瓦斯，吸附平衡后，開動注水泵對試驗煤樣注水，注水后在恒溫下分別潤濕3，6，9 h，測試其瓦斯解吸速度，根據(jù)瓦斯解吸指標(biāo)值的變化確定最優(yōu)潤濕時間。試驗過程如下。

(1)選取粒徑1～3 mm煤樣適量，在110 ℃下干燥6 h，干燥煤樣攪拌均勻后等分為3份，稱重后依次裝入吸附罐進行測定。

(2)設(shè)定水浴溫度30 ℃，開動真空泵對吸附罐抽真空至10 Pa以下。

(3)利用充氣罐向試驗煤樣充入一定量CH4，固定充氣罐初始壓力和終了壓力，確保每組試驗中充氣量大致相等。

(4)待煤樣在吸附罐內(nèi)吸附平衡后，通過注水泵分別向煤樣罐注入一定水，注水后使各個煤樣的含水率均為10%。

(5)注水后的同組各個試驗煤樣在恒溫水浴中分別平衡3，6，9 h，打開放氣閥瞬間放出吸附罐內(nèi)的游離氣體后，測試煤樣的瓦斯解吸速度。

(6)以第一分鐘瓦斯解吸速度V1和解吸速度衰減系數(shù)kt為研究指標(biāo)，分析確定最優(yōu)潤濕時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

對3組煤樣均注入10%的水，注水后每組3個煤樣分別在30 ℃環(huán)境下潤濕3，6，9 h，測定煤樣的瓦斯解吸速度。根據(jù)文獻[23]研究結(jié)果，注水后煤樣的瓦斯解吸速度Vt可采用文特式進行曲線擬合，即

Vt=V1t-kt

(1)

式中：Vt為瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；V1為第一分鐘瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；kt為瓦斯解吸速度衰減系數(shù)。

借助Origin 8.6繪圖軟件，采用文特式對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同煤樣不同潤濕時間下瓦斯解吸速度擬合曲線

由文獻[23]可知，注水后煤樣瓦斯解吸速度曲線相對于干燥煤樣會變得更加平緩，V1明顯降低，kt減小。V1越大，初始瓦斯解吸內(nèi)能釋放越強烈，kt越大，瓦斯解吸速度衰減越快，因此，V1和kt是衡量注水后瓦斯抑制解吸效應(yīng)變化的2個重要指標(biāo)，選定為最優(yōu)潤濕時間的研究指標(biāo)，不同煤樣不同潤濕時間下瓦斯解吸速度采用文特式擬合，結(jié)果見表2所示。

由圖2可知，不同煤樣在不同潤濕時間下瓦斯解吸速度曲線趨勢相似，初始瓦斯解吸速度較大，之后快速衰減，在30 min內(nèi)均衰減到較低的穩(wěn)定值。以3 h潤濕時間為例，超化煤礦二1煤層煤樣(以下簡稱CH)的Vt從1.967 1 mL/(g·min)衰減到0.025 8 mL/(g·min)，古漢山煤礦二1煤層煤樣(以下簡稱GHS)從2.083 8 mL/(g·min)衰減到0.025 8 mL/(g·min)，寺河煤礦3煤層煤樣(以下簡稱SH)從0.870 6 mL/(g·min)衰減到0.038 2 mL/(g·min)。由表2的擬合結(jié)果可知，在本試驗條件下GHSV1最大，CH次之，SH最??；對于kt，GHS最大，CH次之，SH最小。

表2 不同煤樣不同潤濕時間下瓦斯解吸速度擬合結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

(1)CH?；趫D2和表2，選取V1和kt作為分析指標(biāo)，V1和kt均隨潤濕時間先減后增，采用二次曲線對V1測定值進行擬合，曲線在時間為6.44 h時有最小值,kt測定曲線在6.15 h時有最小值，見圖3。綜上所述，基于安全考慮，CH在本試驗條件下最優(yōu)潤濕時間為6.44 h。

圖3 CH V1和kt隨潤濕時間的變化

(2)GHS。采用同樣的方法，得到GHSV1在潤濕時間7.00 h時有最小值，kt在5.97 h時有最小值，見圖4。同樣基于安全考慮，取GHS最優(yōu)潤濕時間為7.00 h。

圖4 GHS V1和kt隨潤濕時間的變化

(3)SH。同理，根據(jù)V1可得，SH在潤濕時間為10.41 h時有最小值，然而，衰減系數(shù)kt在潤濕時間6 h時略有上升，在9 h時又略有下降。kt最大值和最小值之差僅為0.052 5，整體變化不大，從試驗結(jié)果看，無法根據(jù)kt找出一個最優(yōu)的潤濕時間，見圖5。由于試驗時采用的3組煤樣注氣量相同，SH在3個煤樣中吸附能力最強，其V1總體上比CH和GHS要慢得多，解吸出的氣體壓力不足以克服水鎖作用，并且由于其孔隙發(fā)育，因此更容易受到孔隙、裂隙中水分對瓦斯解吸的阻礙作用，造成實測kt時會出現(xiàn)一定波動，后續(xù)需增加分組試驗去驗證這一個問題。

圖5 SH V1和kt隨潤濕時間的變化

(4)對比分析。經(jīng)過試驗研究，確定在本文試驗條件下CH，GHS和SH的最優(yōu)潤濕時間分別為6.44，7.00，10.41 h。從潤濕時間看，SH需要的潤濕時間最長，GHS居中，CH最短。結(jié)合3種煤樣的煤層注水相關(guān)參數(shù)，對最優(yōu)潤濕時間測定結(jié)果分析如下。

煤質(zhì)作用。3組煤樣中，僅CH為貧煤，且揮發(fā)分含量(15.26%)最高，其相對于GHS和SH兩種無煙煤煤樣而言，變質(zhì)程度相對較低，極性官能團較多，水與其極性官能團更易于結(jié)合，因此，其最優(yōu)潤濕時間最短，這是合理的。

同煤質(zhì)下表面張力作用。對于GHS和SH兩組無煙煤煤樣而言，煤質(zhì)參數(shù)差別不大，但是，由于GHS與水的潤濕接觸角(68.13°)小于SH的(81.83°)，根據(jù)濕潤接觸角的物理意義，GHS相對于SH更易于被水潤濕，因此，GHS的最優(yōu)潤濕時間小于SH的也是合理的。

從以上分析可以看出，采用測試煤層注水后瓦斯解吸速度的方法確定煤層注水防突最優(yōu)潤濕時間是可行的，測試結(jié)果和煤質(zhì)特性參數(shù)是相符的，該方法對煤層注水防突參數(shù)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 論

(1)從注水后的抑制瓦斯解吸效應(yīng)出發(fā)，通過測定注水后不同潤濕時間下煤樣的瓦斯解吸速度，以第一分鐘瓦斯解吸速度V1和瓦斯解吸速度衰減系數(shù)kt為研究指標(biāo)，找出了最優(yōu)潤濕時間。

(2)經(jīng)過試驗研究，確定CH，GHS和SH的最優(yōu)潤濕時間分別為6.44，7.00，10.41 h，結(jié)合煤樣的煤層注水相關(guān)參數(shù)，對比分析了最優(yōu)潤濕時間測定結(jié)果，驗證了本文試驗方法的可行性。