• <tr id="yyy80"></tr>
  • <sup id="yyy80"></sup>
  • <tfoot id="yyy80"><noscript id="yyy80"></noscript></tfoot>
  • 99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

    外加水分對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的影響分析

    2021-09-08 04:50:44張東旭
    礦業(yè)安全與環(huán)保 2021年4期
    關(guān)鍵詞:吸附平衡測(cè)壓壓力表

    張東旭

    (1.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122;2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113122)

    煤層瓦斯壓力是指原始煤體孔隙中所含游離瓦斯的氣體壓力,即氣體作用于孔隙壁的壓力。煤層瓦斯壓力是煤層瓦斯賦存的重要參數(shù)之一[1],是煤與瓦斯突出鑒定、預(yù)測(cè)、評(píng)估和防突措施效果檢驗(yàn)的重要指標(biāo)之一,因此準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力對(duì)于瓦斯災(zāi)害防治具有重要意義[2-10]。

    煤層瓦斯壓力測(cè)定方法分為間接法和直接法[10-15]。間接法是先測(cè)定煤層瓦斯含量,根據(jù)煤的吸附特性,采用朗格繆爾方程進(jìn)行計(jì)算得出。由于公式中涉及瓦斯含量、吸附常數(shù)、煤的真假密度、煤的水分、煤的揮發(fā)分等多個(gè)參數(shù),而影響這些參數(shù)測(cè)定準(zhǔn)確性的因素較多,因此,間接法存在較多的不可控因素,一般只做為對(duì)比和參考?,F(xiàn)場(chǎng)常用直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力,該方法是通過(guò)向需要測(cè)壓的煤層施工鉆孔,利用封孔材料將鉆孔封堵后留有一定測(cè)壓氣室,鉆孔外用鋼管連接壓力表與測(cè)壓氣室,最終平衡后的瓦斯壓力被傳遞到壓力表上,所測(cè)壓力即為煤層瓦斯壓力。煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜,多數(shù)煤層或地層中含有水,水可能是裂隙水也可能是承壓水。水影響煤層瓦斯壓力的測(cè)試,因此開(kāi)展水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響分析,并尋求減少水對(duì)煤層瓦斯壓力的影響解決方案,為準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力提供指導(dǎo)。

    1 煤層瓦斯壓力直接測(cè)定方法

    煤層瓦斯壓力直接測(cè)定方法是從巖巷或煤巷中(只針對(duì)穿層鉆孔測(cè)定煤層瓦斯壓力)向所測(cè)煤層里打鉆孔并穿過(guò)煤層,封孔后進(jìn)行測(cè)壓。根據(jù)施工地點(diǎn)在煤層的位置不同,分為上向鉆孔和下向鉆孔測(cè)壓。鉆孔施工完后將測(cè)壓管和注漿管送入鉆孔預(yù)定位置,固定后用速凝水泥將其在孔口處進(jìn)行封堵,封孔完畢將壓力表安裝在測(cè)壓管上,當(dāng)壓力變化在3 d內(nèi)小于0.015 MPa時(shí),測(cè)壓工作結(jié)束,壓力表所顯示壓力即為測(cè)定的煤層相對(duì)瓦斯壓力。

    2 水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響研究現(xiàn)狀

    水具有較好的流動(dòng)性和吸附性,煤礦井下水存在于煤巖層的裂隙或者微觀孔隙中,在施工瓦斯測(cè)壓鉆孔時(shí)不可避免要遇到含水煤巖層。而這些水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的影響,國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究。

    2.1 水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的宏觀影響

    煤巖層中含水會(huì)經(jīng)過(guò)裂隙或者微觀孔隙滲透至觀測(cè)氣室并通過(guò)測(cè)壓管流至壓力表,上向鉆孔水柱的壓力直接作用于壓力表,由于水不可壓縮,測(cè)壓氣室中瓦斯壓力通過(guò)水的作用傳遞至壓力表。因此,此種情況下測(cè)出的表壓要大于煤層的實(shí)際瓦斯壓力,需要減去作用于表上部水的靜壓壓力。鉆孔中的水來(lái)源于溶洞水、含水層水或者承壓水,根據(jù)《煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測(cè)定方法》中規(guī)定,該測(cè)壓鉆孔應(yīng)作廢。

    下向孔中瓦斯一般在水的上部,瓦斯壓力直接作用于壓力表,水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的影響較小。

    2.2 水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的微觀影響

    關(guān)于水與煤體瓦斯微觀相互作用主要存在2種觀點(diǎn):一是水與瓦斯共存時(shí)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附,由于煤對(duì)水的吸附能力強(qiáng)于對(duì)瓦斯的吸附能力,水分會(huì)搶占煤基質(zhì)表面更多的吸附位,排擠瓦斯,降低煤對(duì)瓦斯的吸附量[16-18];二是水在微孔隙中發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象,阻礙瓦斯運(yùn)移,從而封存微孔隙內(nèi)瓦斯,抑制解吸,降低瓦斯涌出量[19-21]。第一種觀點(diǎn)體現(xiàn)了水置換瓦斯作用,從根本上降低煤層瓦斯含量,有利于瓦斯解吸;第二種觀點(diǎn)體現(xiàn)了水鎖作用,水能夠封存煤體內(nèi)瓦斯,降低生產(chǎn)期間瓦斯涌出量。在生產(chǎn)應(yīng)用中,水自身的微觀置換作用可以增加煤層的游離瓦斯量,但該過(guò)程比較緩慢,液體置換瓦斯能力究竟有多大,對(duì)瓦斯壓力測(cè)定影響多大,目前還無(wú)定量研究。

    3 水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響研究分析

    3.1 水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的宏觀影響

    甲烷在水中的溶解度是3.5 mg,不易溶于水。因此忽略甲烷溶于水對(duì)煤層瓦斯壓力的影響。上向鉆孔有水時(shí)可以根據(jù)《煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測(cè)定方法》中提出的方法進(jìn)行修正:

    1)當(dāng)V>V1,并且V-V1

    (1)

    式中:p′為修正后煤層瓦斯壓力,MPa;p1為壓力表測(cè)定煤層瓦斯壓力,MPa;l為測(cè)壓管的長(zhǎng)度,m;θ為鉆孔傾角,(°);V為測(cè)壓鉆孔內(nèi)流出的水量,m3;V1為測(cè)壓管內(nèi)空間的體積,m3;V2為鉆孔內(nèi)預(yù)留氣室的體積,m3;D為測(cè)壓鉆孔的直徑,m。

    2)當(dāng)V>V1,并且V-V1≥V2時(shí):

    p′=p1-0.01Lsinθ

    (2)

    式中L為測(cè)壓鉆孔的長(zhǎng)度,m。

    3)當(dāng)0

    (3)

    式中d為測(cè)壓管的直徑,m。

    3.2 水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的微觀影響

    3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

    為驗(yàn)證水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響,搭建了煤層水置換瓦斯實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖1所示。

    1—高壓甲烷氣瓶;2— 參考罐;3— 顯示器;4—復(fù)合真空計(jì);5—真空泵;6~7—壓力傳感器;8—特制型煤;9—特制煤樣罐;10—內(nèi)旋螺母;11—內(nèi)置鋼瓶;12—針閥;13—恒溫箱;14—解吸儀;a~e—閥門(mén);f—四通;g—壓力表。

    煤層水置換瓦斯實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)行水置換煤中瓦斯及瓦斯解吸規(guī)律的實(shí)驗(yàn),由脫氣裝置(真空泵、復(fù)合真空計(jì)等)、充氣吸附平衡裝置(高壓甲烷氣瓶、參考罐等)、恒溫/變溫裝置(恒溫箱等)、壓力監(jiān)控儀器(壓力表及壓力傳感器)、等壓加水裝置(針閥及特制煤樣罐)、解吸裝置(解吸儀)等構(gòu)成。

    為了能夠較真實(shí)地掌握水對(duì)煤樣瓦斯置換效應(yīng),實(shí)驗(yàn)采用了原煤開(kāi)展水置換瓦斯實(shí)驗(yàn)。原煤選取硬度較大的塊煤,根據(jù)自主搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn),制備直徑0.050 m、高度0.100 m的柱煤,煤的密度1.33 kg/m3,煤的質(zhì)量0.224 9 kg,用于考察不同吸附平衡壓力、不同含水率條件下的液體置換瓦斯和瓦斯解吸規(guī)律。

    3.2.2 實(shí)驗(yàn)流程

    1)煤樣干燥。將實(shí)驗(yàn)煤樣放入烤箱,待充分干燥后,放置于干燥皿中備用。

    2)儲(chǔ)水鋼瓶加水。利用注射管將水從鋼瓶上預(yù)留的小孔注入鋼瓶,注入定量的水后,旋轉(zhuǎn)螺母使液面到達(dá)小孔位置,這樣水充滿(mǎn)鋼瓶?jī)?nèi)部空間,排除鋼瓶?jī)?nèi)部氣體,之后旋緊針閥將鋼瓶上的小孔封住,防止液體在注液時(shí)由于壓力影響流出或漏氣。

    3)真空脫氣。將干燥后的煤樣放置在煤樣罐內(nèi),密封后,將煤樣罐放在超級(jí)恒溫水浴內(nèi),設(shè)置溫度恒定為30 ℃。將煤樣罐與真空脫氣裝置相連,打開(kāi)真空脫氣裝置對(duì)煤樣罐進(jìn)行脫氣,當(dāng)真空度降為20 Pa以下時(shí)停止脫氣。

    4)吸附平衡。打開(kāi)高壓甲烷氣瓶的閥門(mén),將高壓甲烷注入?yún)⒖脊拗?,?dāng)參考罐內(nèi)達(dá)到預(yù)定壓力時(shí),關(guān)閉氣瓶閥門(mén),再打開(kāi)參考罐后方的閥門(mén)c,使甲烷充入特制煤樣罐,充氣過(guò)程中不斷開(kāi)關(guān)閥門(mén)c,當(dāng)特制煤樣罐內(nèi)壓力穩(wěn)定在預(yù)定的平衡壓力值時(shí)停止充氣[22-23]。

    5)等壓加水。當(dāng)特制煤樣罐內(nèi)煤樣瓦斯吸附平衡后,通過(guò)旋轉(zhuǎn)內(nèi)旋螺母來(lái)調(diào)節(jié)鋼瓶?jī)?nèi)部水的壓力與吸附平衡后的瓦斯壓力相等,倒置特制煤樣罐,旋開(kāi)針閥,使鋼瓶?jī)?nèi)的水通過(guò)小孔流出進(jìn)入煤樣中,實(shí)現(xiàn)等壓加水。

    6)置換測(cè)試。通過(guò)置換作用,水逐漸進(jìn)入煤樣內(nèi)部,置換吸附態(tài)瓦斯,使之變?yōu)橛坞x態(tài)瓦斯,這樣煤樣罐內(nèi)瓦斯量增多,通過(guò)瓦斯壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并傳給電腦記錄煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力變化。當(dāng)壓力穩(wěn)定后,結(jié)束測(cè)定。

    7)解吸測(cè)試。置換測(cè)試瓦斯壓力達(dá)到最大值并穩(wěn)定后,打開(kāi)煤樣罐與氣袋連通的閥門(mén),將游離瓦斯放至氣袋收集。當(dāng)煤樣罐內(nèi)壓力降為0時(shí),旋轉(zhuǎn)四通使煤樣罐的解吸瓦斯進(jìn)入解吸測(cè)定裝置,同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器,記錄解吸量。

    3.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

    在恒溫條件下,利用煤層水置換瓦斯實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展了相同瓦斯吸附平衡壓力下不同吸水率的置換實(shí)驗(yàn),即設(shè)定瓦斯吸附平衡壓力分別為1.5、2.5 MPa,實(shí)驗(yàn)煤樣是在吸水率未達(dá)到煤樣的飽和吸水率情況下開(kāi)展的,煤的吸水率分別為2%、6%、10%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及記錄的瓦斯壓力數(shù)據(jù),得到瓦斯壓力變化曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)外加水分后瓦斯壓力變化、瓦斯置換速度和吸附平衡后的瓦斯解吸量來(lái)進(jìn)行外加水分對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響進(jìn)行分析。不同吸水率下置換過(guò)程瓦斯壓力變化如圖2所示。

    圖2 不同吸水率下置換過(guò)程瓦斯壓力變化曲線(xiàn)

    由圖2可知,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,煤樣吸水前后,煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力迅速升高,隨著吸水時(shí)間增長(zhǎng),煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力增高的趨勢(shì)減弱,直至曲線(xiàn)趨于水平。在煤樣吸水過(guò)程中煤樣罐內(nèi)的自由體積未發(fā)生變化,根據(jù)氣體狀態(tài)方程,在等溫條件下,煤樣罐內(nèi)的瓦斯壓力與游離狀態(tài)的瓦斯量有關(guān)。煤樣罐中的煤樣在吸入水后,煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力呈增高趨勢(shì),說(shuō)明水進(jìn)入煤樣內(nèi)部,將煤樣內(nèi)的吸附態(tài)瓦斯置換為游離態(tài)瓦斯,煤樣罐內(nèi)的游離態(tài)瓦斯增多,煤樣罐內(nèi)的瓦斯壓力隨之增大。隨著置換時(shí)間增長(zhǎng),壓力增高趨勢(shì)減緩,煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力最終趨于穩(wěn)定,再次達(dá)到平衡。從煤的含水率來(lái)看,含水率越高煤的最終平衡瓦斯壓力越大。含水率高的煤樣,瓦斯吸水量大,擠占的煤樣內(nèi)部微孔隙空間越大,煤樣內(nèi)的吸附瓦斯變?yōu)橛坞x瓦斯的量越多,在體積不變的情況下,煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力越大。如初始平衡壓力在1.5 MPa下,吸水率為2%的煤樣置換后瓦斯平衡壓力為1.64 MPa;吸水率為6%的煤樣置換后瓦斯平衡壓力為2.03 MPa;吸水率為10%的煤樣置換后瓦斯平衡壓力為2.35 MPa。從初始平衡壓力來(lái)看,不同初始平衡壓力,相同吸水率的瓦斯置換趨勢(shì)相差不大,吸水后通過(guò)最終平衡壓力計(jì)算瓦斯置換率,吸附平衡壓力低的瓦斯置換率要比吸附平衡壓力高的大。綜上所述,煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力升高是煤樣的微觀孔隙對(duì)水產(chǎn)生毛細(xì)力,煤樣的吸水能力大于對(duì)瓦斯的吸附能力,水置換出煤中瓦斯,煤樣罐內(nèi)游離瓦斯量增多,瓦斯壓力增大。故外加水分對(duì)煤樣罐內(nèi)煤的瓦斯壓力有增大效應(yīng)。

    不同吸水率下的煤樣瓦斯置換速率如圖3 所示。

    圖3 不同吸水率下置換速率變化曲線(xiàn)

    從圖3中可以看出,煤樣在吸水過(guò)程中,水在毛細(xì)力作用下迅速進(jìn)入煤體內(nèi)微孔隙空間,置換吸附態(tài)瓦斯,該過(guò)程中置換速率首先以突增趨勢(shì)達(dá)到最大值,之后即刻進(jìn)入衰減期,衰減趨勢(shì)比較符合指數(shù)衰減規(guī)律。從不同吸水率的置換速率來(lái)看,吸水率高的煤樣置換速率大,且置換速率上升的趨勢(shì)明顯。3種實(shí)驗(yàn)方案置換速率達(dá)到最大置換速率的時(shí)間為6~34 min。實(shí)驗(yàn)加水過(guò)程是將儲(chǔ)水鋼瓶?jī)?nèi)全部的水量在煤樣罐倒置后,整體一下加入到煤樣上,水直接淋在圓柱體煤的表面,之后未進(jìn)入煤體內(nèi)的水流入煤體底部積存,吸水初期接觸面較大,吸水速度最大,水與吸附瓦斯的置換作用也最強(qiáng),隨后水在毛細(xì)力作用下逐漸向煤體內(nèi)部運(yùn)移,沿程不斷置換解吸瓦斯,水分被吸附到煤基質(zhì)內(nèi),水的接觸面積也從初期的整個(gè)柱面到底部的少部分面積,供水量減少,煤體內(nèi)部復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)也增加了水分運(yùn)移阻力,煤體內(nèi)部的吸水速度會(huì)逐漸減慢,置換作用也隨之減弱。從煤體吸水過(guò)程看,煤體的吸水速度反映了水分對(duì)煤體中吸附瓦斯的置換速率。從不同初始平衡壓力的置換速率來(lái)看,初始平衡壓力為1.5 MPa的煤樣,置換速率最大達(dá)到31 m3/(t·h);初始平衡壓力為2.5 MPa的煤樣,置換速率最大達(dá)到14 m3/(t·h)。由于煤樣罐自由空間都充滿(mǎn)了瓦斯,煤樣初始平衡壓力與煤樣罐內(nèi)游離瓦斯壓力相同,游離瓦斯壓力越大,瓦斯從煤樣內(nèi)部釋放到煤樣罐自由空間的阻力越大,因此,初始平衡壓力越大的煤樣置換速率越小。

    不同含水率煤樣吸水置換后瓦斯解吸量曲線(xiàn)如圖4所示。

    從圖4可以看出,相同初始平衡壓力條件下,不同含水率煤樣在同一時(shí)間內(nèi)的瓦斯累計(jì)解吸量不同。與干燥煤的瓦斯累計(jì)解吸量相比,水浸濕后的煤樣隨著含水率的增加,瓦斯累計(jì)解吸量逐漸減小。從瓦斯解吸規(guī)律來(lái)看,煤樣的含水率越大,解吸量越小。由于煤樣中水分含量越大,擠占吸附位的瓦斯越多,置換出的游離態(tài)瓦斯越多,剩余的吸附態(tài)瓦斯量也就越小。

    綜上所述,水進(jìn)入煤樣內(nèi)部,可以將煤樣內(nèi)的吸附態(tài)瓦斯置換為游離態(tài)瓦斯,在體積不變的情況下,增大了煤樣罐內(nèi)的瓦斯壓力,且在未飽和吸水狀態(tài)下,隨著水分的增加,瓦斯壓力增大;瓦斯置換速率呈先增大后減小的趨勢(shì);外加水分后瓦斯解吸量隨著含水率增加而減小。

    4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響,選擇八連城煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。施工3個(gè)下向穿層鉆孔,穿過(guò)煤層2 m后停止施工。鉆孔見(jiàn)煤長(zhǎng)度均為3 m,施工完成后利用壓風(fēng)對(duì)鉆孔進(jìn)行清洗,孔1、2未注水,孔3進(jìn)行注水,注水深度為6 m。封孔后安裝壓力表進(jìn)行測(cè)壓,測(cè)壓結(jié)果見(jiàn)表1。

    表1 瓦斯壓力測(cè)定鉆孔參數(shù)及測(cè)壓結(jié)果

    從表1可以看出,注水鉆孔的瓦斯壓力比未注水鉆孔瓦斯壓力偏大。受測(cè)壓氣室體積、煤的潤(rùn)濕范圍、煤的含水率及煤層透氣性等不確定影響因素較多,無(wú)法定量分析水分對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響。但從實(shí)際測(cè)定的結(jié)果來(lái)看,水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定有增大效應(yīng)。

    5 結(jié)論

    1)水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的宏觀影響,是水自身重力產(chǎn)生的,可以通過(guò)減除重力進(jìn)行修正。

    2)水對(duì)煤層壓力測(cè)定的微觀效應(yīng),根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定可以進(jìn)行定量研究。水的微觀置換效應(yīng)能夠促進(jìn)煤層中吸附瓦斯變?yōu)橛坞x瓦斯,在體積不變的情況下可使煤層瓦斯壓力增大,隨著煤層含水率增高瓦斯壓力呈增大趨勢(shì)。

    3)受測(cè)壓氣室體積、煤的潤(rùn)濕范圍、煤層含水率等不確定影響因素較多,因此工程上尚不能定量確定水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的影響。

    猜你喜歡
    吸附平衡測(cè)壓壓力表
    氣囊測(cè)壓表在腹內(nèi)壓監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
    血壓計(jì)的測(cè)壓原理
    彈性元件式一般壓力表檢定過(guò)程中幾個(gè)問(wèn)題的探討
    壓力表在煉化裝置上的應(yīng)用
    應(yīng)變片粘貼因素對(duì)壓桿測(cè)壓的影響
    玉米秸稈生物炭對(duì)五氯苯酚吸附行為及吸附動(dòng)力學(xué)研究
    壓力表半自動(dòng)化檢定系統(tǒng)的組建及應(yīng)用
    高分辨率食管測(cè)壓的臨床應(yīng)用
    自來(lái)水電子壓力表的設(shè)計(jì)
    多組分氣體吸附平衡預(yù)測(cè)的探究
    自治县| 枞阳县| 措美县| 宣汉县| 临澧县| 修武县| 武穴市| 鄂尔多斯市| 平湖市| 石棉县| 荔波县| 康保县| 句容市| 得荣县| 广灵县| 庆安县| 区。| 白河县| 逊克县| 锡林浩特市| 波密县| 黄陵县| 织金县| 龙川县| 定结县| 襄樊市| 福建省| 阿图什市| 闻喜县| 天长市| 宾阳县| 新竹市| 鄄城县| 垦利县| 蒲城县| 岳阳县| 成武县| 友谊县| 丹巴县| 视频| 桃园县|