煤層注水防突最優(yōu)潤濕時間試驗研究

肖知國,張紅兵,史慶元,張曉鵬

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，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，自20世紀60年代起在我國煤礦開始應用，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]應用分子熱力學和表面物理化學，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。壓力水注入過程中破裂煤體，加速煤層瓦斯釋放，同時釋放地應力，使工作面集中應力帶前移，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力集中，并將峰值應力推向圍巖深處，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。即抑制瓦斯解吸效應，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。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。其二，失水作用。由于注水鉆孔孔口壓力撤除，在地應力、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是煤層注水防突機理中的一項重要作用，且抑制解吸效應的強度與合理的潤濕時間是密切相關的。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先進行標定，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，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變化的2個重要指標，選定為最優(yōu)潤濕時間的研究指標，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最小；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，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)化具有重要的指導意義。

3 結(jié) 論

(1)從注水后的抑制瓦斯解吸效應出發(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，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。