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 陳金生，王兆豐，樊亞慶

（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．煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險救災(zāi)教育部工程研究中心，河南焦作454000）

摘要：為定量研究水分自然侵入對含瓦斯煤解吸促進影響效果，利用自制的“高壓吸附一水分自然侵入一數(shù)據(jù)自動采集”實驗系統(tǒng)，對不同水分含量自然侵入含瓦斯煤后的瓦斯壓力變化進行了連續(xù)監(jiān)測。結(jié)果表明：水分侵入后依靠競爭吸附能置換出吸附瓦斯，從而促進含瓦斯煤瓦斯解吸，其促進效果與煤樣含水率相關(guān)；當煤樣含水率由2 %增至12 %時，瓦斯置換量由2.18 ml/g增至4.48 ml/g，瓦斯置換率由11. 48%增至23. 83%，煤樣吸水飽和前，含水率Mad與瓦斯置換量Q和置換率77之間滿足Q=1. 695Mad/（1+0.3Mad）和叼=8.85Mad/(1 +0. 29Mad)關(guān)系模型，煤樣吸水飽和時，水分對瓦斯解吸的促進效果達到極限值；工程應(yīng)用中可利用水分對瓦斯解吸的促進影響效應(yīng)進一步提高瓦斯抽采率。

關(guān)鍵詞：水分；含瓦斯煤；促進效應(yīng)；瓦斯置換量；瓦斯置換率

0  引言

 近年來，隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴大和開采水平的不斷延伸，煤與瓦斯突出的強度和頻度均呈增大趨勢。為有效提高瓦斯抽采效果，縮短瓦斯抽采合理預(yù)抽期，國內(nèi)外普遍采用水力壓裂、水力割縫、水里沖孔等強化增透措施。水力化措施實施后，含瓦斯煤的瓦斯解吸規(guī)律如何變化受到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，并通過井下現(xiàn)場實測注水前后瓦斯涌出量變化和在實驗室搭建與煤層注水工序一致的實驗平臺開展了大量的研究工作�，F(xiàn)場研究普遍認為，在注水實施過程中及注水結(jié)束后的一小段時間內(nèi)，工作面煤壁涌出的瓦斯量比注水前有所提高，但工作面落煤階段瓦斯涌出與未注水相比卻有大幅度降低。實驗室研究方面，牟俊慧等認為注入水封堵了煤中部分孔隙通道，從而延緩了瓦斯放散速度。趙東等針對塊狀原煤開展了同注水壓力對含瓦斯煤瓦斯解吸影響的實驗研究，結(jié)果表明瓦斯解吸量隨著注水壓力的增大而減小，并結(jié)合臨界孔隙尺度分析了高壓注水抑制瓦斯解吸的機理。王兆豐、肖知國、陳向軍等針對顆粒煤開展了高壓注水影響瓦斯解吸規(guī)律的相關(guān)實驗研究，結(jié)果表明注水實施過程中存在“水置氣”效應(yīng)，但在煤層卸壓瓦斯解吸階段，水分的存在又會對瓦斯解吸起到明顯的抑制作用。

 總結(jié)前人的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)在不同的注水時期含瓦斯煤的解吸規(guī)律亦不盡相同，總體表現(xiàn)為：水力化措施實施過程中由于高壓水致裂煤體提高煤層滲透率，同時在壓力水的驅(qū)動和置換作用下有利于瓦斯的解吸、滲流和運移；注水結(jié)束后水分會封堵瓦斯解吸的通道，又會對瓦斯解吸起到抑制和阻礙作用。

 遺憾的是，前人的研究主要針對水分抑制瓦斯解吸規(guī)律方面，而對水力化措施實施過程中水分促進瓦斯解吸的研究開展較少，有待于進一步深入研究。鑒于此，筆者采用先對煤樣進行吸附平衡，然后再實現(xiàn)水分自然侵入的實驗裝置，開展不同水分含量自然侵入過程中對含瓦斯煤瓦斯解吸促進影響效應(yīng)實驗研究，研究結(jié)果對認清水分單因素影響下含瓦斯煤的解吸規(guī)律以及工程應(yīng)用中提高瓦斯抽采率具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1  實驗裝置與方法

1.1  實驗煤樣

實驗煤樣采自焦作礦區(qū)九里山煤礦15采區(qū)15071回風巷，屬突出煤層，煤種為高變質(zhì)程度無煙煤。在實驗過程中，為使實驗煤樣更接近于實體煤，同時減少密閉空間死體積，將采集到的新鮮煤樣加工制作成型煤后進行實驗，煤樣工業(yè)分析如表1所示。

1.2實驗裝置

 實驗采用自主研制的高壓吸附一水分自然侵入一數(shù)據(jù)自動采集實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由真空脫氣單元、高壓充氣單元、水分自然侵入單元、恒溫單元和數(shù)據(jù)自動采集單元五部分組成，實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水分在煤樣吸附平衡后自然侵入含瓦斯煤，確保在水分侵入過程中無外加驅(qū)動力，不改變原含瓦斯煤所處的環(huán)境壓力；通過高精度壓力傳感器和計算機設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對密閉煤樣罐內(nèi)水分浸潤鋪展過程中的瓦斯壓力變化進行全程監(jiān)控和自動記錄，壓力傳感器精度為0. 012 MPa。

1.3  實驗方法與步驟

 1)型煤制作：將采到的新鮮煤樣粉碎至0. 25 mm以下、0. 25。0.5 mm兩種粒度，按照2:1的比例混合均勻后加入一定量的水，在80 kN的壓力下壓制1小時制成@50 mm×80 mm尺寸的型煤。

 2)型煤干燥：將制作好的型煤放置于紅外干燥箱內(nèi)，在105℃條件下干燥12 h，然后取出置于干燥器中冷卻待用。

3)系統(tǒng)氣密性檢查及煤樣罐死體積標定：將一定量的蒸餾水及干燥后的煤樣裝罐后，按照圖1進行系統(tǒng)連接。向系統(tǒng)內(nèi)注入氦氣至3.5 MPa，按照煤的高壓等溫吸附試驗方法( GB/T19560 - 2008)中的實驗步驟進行系統(tǒng)氣密性檢查和裝煤后空間死體積標定。

 4)煤樣吸附平衡：打開真空泵7，對系統(tǒng)進行真空脫氣，當復(fù)合真空計6示數(shù)低于20 Pa時停止脫氣；打開閥門a，向緩沖罐2內(nèi)充入純度為99. 99%的甲烷氣體，當壓力傳感器4示數(shù)高于擬定吸附平衡壓力1.5 MPa時停止向緩沖罐2充氣；打開閥門b，待壓力穩(wěn)定后多次調(diào)節(jié)閥門d，使煤樣達到擬定吸附平衡壓力。吸附平衡時間不低于24 h，恒溫箱溫度設(shè)定為30 qC，記錄充氣前后緩沖罐內(nèi)壓力變化及環(huán)境溫度。

 5)水分自然侵入：通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)旋螺母10使內(nèi)置鋼瓶12向下運動并擠壓水分，使儲水缸13內(nèi)壓力達到擬定吸附平衡壓力，然后打開針閥11，水分通過自重應(yīng)力從儲水缸底部的孔洞侵入煤樣，確保水分的侵入無其他外加驅(qū)動力，不改變含瓦斯煤原有的壓力平衡狀態(tài)。

6)壓力自動監(jiān)測與記錄：通過壓力傳感器5、數(shù)據(jù)采集器3以及計算機設(shè)備（圖2），對水分侵入含瓦斯煤后煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力變化進行全程自動監(jiān)測及記錄，數(shù)據(jù)監(jiān)測記錄一直持續(xù)到6h內(nèi)煤樣罐瓦斯壓力無變化時終止。

根據(jù)監(jiān)測到的壓力數(shù)據(jù)，利用式(1)可計算出水分侵入i小時后單位質(zhì)量煤樣標況下的累計瓦斯置換量Q。：

 式中：M為裝入煤樣罐的型煤質(zhì)量，g；R為通用氣體常數(shù)，8. 314J/( mol．K)；T為設(shè)定的恒溫箱溫度，K；P。、P；分別為水分侵入前和水分侵入i小時后時刻密閉煤樣罐內(nèi)的瓦斯壓力，MPa；Z；、Z。分別為溫度為T、壓力為P．、P。條件下對應(yīng)的甲烷氣體壓縮因子，無量綱；V為煤樣罐裝煤后的空間死體積，ml，由步驟3）充氦氣標定得出。

利用式(2)可計算出水分侵入不同時間后的累計瓦斯置換率，其表達式為：

 式中：叼．為水分侵入i小時后單位質(zhì)量煤樣標況下的累計瓦斯置換率，%；Q。意義同前；Q。為單位質(zhì)量干燥煤樣在某一吸附平衡壓力下的瓦斯吸附量，ml/g。

2  實驗結(jié)果與分析

2.1  實驗結(jié)果

按照前述實驗方法與步驟，設(shè)定恒溫箱溫度為30℃，吸附平衡壓力為1.5 MPa（絕對壓力），系統(tǒng)測試了不同水量自然侵入(煤樣平均含水率分別達到2%、4%、6%、8%、10%，12%)對含瓦斯煤瓦斯解吸的促進影響效果。水分自然侵入含瓦斯煤后，密閉煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力不斷升高，說明水分能置換出處于吸附態(tài)的瓦斯，從而有效促進含瓦斯煤瓦斯解吸。根據(jù)壓力增長曲線，可得到瓦斯置換量隨時間的變化曲線，如圖3所示。

根據(jù)實驗終止時監(jiān)測到的最終壓力值，利用公式(1)和公式(2)可分別計算出不同水量自然侵入含瓦斯后單位質(zhì)量煤樣實驗終態(tài)的瓦斯置換量和瓦斯置換率，結(jié)果如表2所示；將不同含水率實驗終態(tài)的瓦斯置換量和瓦斯置換率采用Origin軟件繪制成圖，如圖4所示。

2.2  結(jié)果分析

 結(jié)合圖3所示的水分侵入不同時間后密閉煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力和瓦斯置換量變化曲線，以及圖4得出的瓦斯置換量、瓦斯置換率隨含水率變化曲線，可知：

 1)水分自然侵入含瓦斯煤體后，煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力逐漸升高，說明依靠水分對吸附瓦斯的置換效應(yīng)能有效促進含瓦斯煤瓦斯解吸，其促進影響效果與煤樣含水率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

  2)從水分自然侵入后煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力增長趨勢來看，水分侵入初始階段瓦斯壓力增長迅猛，說明前期瓦斯置換量增速較快，而后逐漸衰減，并能持續(xù)相當長一段時間，直至置換效應(yīng)結(jié)束。整個置換效應(yīng)過程經(jīng)歷“快速置換一緩慢置換一終止置換”三個階段。

  3)在同一吸附平衡壓力(1.5 MPa)條件下，煤樣含水率越高，水分促進瓦斯解吸效果越顯著。含水率為2%、4%、6%、8%、10%、12%的瓦斯置換量分別達到2.  18、3.09、3.58、3.99、4.29、4.48 ml/g；瓦斯置換率分別達到11. 48%、16. 22%、18. 97%、20. 88%、22. 97%、23. 83 %。起初含水率的增加引起瓦斯置換量和瓦斯置換率的快速增加，而后增加煤樣含水率，瓦斯置換量和置換率增速逐漸變緩。由此可見，在水分影響瓦斯置換量和置換率方面，存在著一個極限含水率，該含水率條件下的瓦斯置換量和置換率將達到最大值。進一步分析可知，水分置換吸附瓦斯過程即為煤樣吸水潤濕過程，水分自然侵入含瓦斯煤后，侵入水分在毛細管力作用下逐漸運移至煤體內(nèi)部細微孔隙，并在此過程中與處于吸附態(tài)的瓦斯氣體分子展開激烈的競爭吸附，由于煤對水的吸附能力遠大于煤瓦斯的吸附能力，競爭吸附的結(jié)果必將是水分置換出處于吸附態(tài)的瓦斯，此即置換效應(yīng)的發(fā)生過程。而煤對水的吸附能力是有限的，煤吸水飽和后水分將不再運移，置換效應(yīng)終止。因此，當煤樣含水率達到極限吸水率時，瓦斯置換量和瓦斯置換率達到最大值，此后再向煤樣中增加水分，對瓦斯置換量和置換率已無影響。而在實驗條件下最大含水率為12 %，實驗結(jié)束后煤樣罐內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有液態(tài)水殘留，說明煤樣在實驗條件下尚未達到吸水飽和狀態(tài)。

 4)為獲得實驗煤樣在1.5 MPa吸附平衡壓力下的極限瓦斯置換量和置換率，深入研究含水率與瓦斯置換量和瓦斯置換率之間的定量關(guān)系，對實驗條件下不同含水率對應(yīng)的瓦斯置換量和瓦斯置換率采用Origin軟件進行了擬合分析，擬合結(jié)果如圖4所示。

由擬合結(jié)果和前述分析可知，當煤樣含水率達到煤的極限吸水率時，瓦斯置換量和置換率達到最大值，實驗條件下的最大瓦斯置換量和置換率分別為5.65 ml/g和30. 53%。在煤樣含水率達到煤的極限吸水率之前，瓦斯置換量、瓦斯置換率與煤樣含水率之間較好的符合Langmuir等溫吸附模型，其表達式為：

 其中，Q為瓦斯置換量，ml/g；叼為瓦斯置換率，%；Mad為煤樣含水率，%。

3  研究的工程指導(dǎo)意義

 在工程實踐中，為消除工作面的突出危險性，普遍采用瓦斯抽采措施，以降低瓦斯壓力水平和瓦斯含量，從而實現(xiàn)工作面安全回采。而對于高瓦斯低透氣性煤層，往往需采取強化增透措施，以達到增強瓦斯抽采效果、縮短瓦斯抽采合理預(yù)抽期的目的。然而在工程應(yīng)用中，即便采取了強化增透措施，在瓦斯抽采后期抽采濃度和純量往往達不到快速消突要求，造成采掘抽失衡。本實驗的研究對解決上述問題提出了一種新的思路：即利用實驗研究得出的水分侵入后相當長一段時間內(nèi)水分對瓦斯解吸具有促進效應(yīng)這一結(jié)論，在煤層瓦斯抽采后期，當瓦斯抽采效果達不到預(yù)期要求時，利用部分抽采鉆孔作為注水孔，向煤體內(nèi)部注入高壓水，其余鉆孔則繼續(xù)實施瓦斯抽采。一方面借助高壓水驅(qū)替瓦斯實現(xiàn)“水驅(qū)氣”效果；另一方面水分進入煤體后將與處于吸附態(tài)的瓦斯展開激烈的競爭吸附，從而置換出處于吸附態(tài)的瓦斯，促進煤層瓦斯解吸。同時，結(jié)合實驗研究得出的煤樣含水率越高，水分促進瓦斯解吸效果越顯著這一結(jié)論，在實施煤層注水過程中，應(yīng)最大限度提高煤體的含水率，以提升“水置氣”效果，從而提高瓦斯抽采率，實現(xiàn)回采工作面快速消突。

4  結(jié)論與建議

 1)水分自然侵入含瓦斯煤后通過競爭吸附能置換出處于吸附態(tài)的瓦斯，從而有效促進煤層吸附瓦斯解吸，其促進效果與煤樣含水率相關(guān)。

 2)在同一吸附平衡壓力，煤樣含水率越高，水分促進瓦斯解吸效果越顯著。當煤樣含水率由2%增至12%時，瓦斯置換量由2.18 ml/g增至4.48 ml/g，瓦斯置換率由11. 48%增至23. 83%，起初含水率的增加能夠引起瓦斯置換量和置換率的快速增加，而后增速逐漸變緩；煤樣達到吸水飽和前，含水率Mad與瓦斯置換量Q和置換率叼之間滿足Q=1.695Mad/（1+0.3Mad）和n=8. 85Mad/(1+0.29Mad)關(guān)系模型，煤樣吸水飽和時，水分對瓦斯解吸的促進達到效果達到極限值，此后再向煤樣中增加水分，對促進煤樣吸附瓦斯解吸已無影響。

 3)在瓦斯抽采后期，利用部分抽采鉆孔實施高壓注水，其余鉆孔繼續(xù)實施抽采，一方面可借助壓力水驅(qū)替煤層瓦斯，另一方面利用水分侵入過程中產(chǎn)生的促進瓦斯解吸效應(yīng)可進一步有效提高瓦斯抽采率。