覆壓-注水作用下含瓦斯煤解吸特性試驗(yàn)研究

肖知國(guó) ，郝 梅 ，唐志昊 ，劉永強(qiáng)

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室培育基地,河南 焦作 454003；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 454003）

0 引 言

眾所周知，地殼運(yùn)動(dòng)及地球引力作用在巖體內(nèi)部產(chǎn)生地應(yīng)力。地應(yīng)力由自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和溫度應(yīng)力組成，其中，自重應(yīng)力最為重要，其值與上覆巖層的厚度和容重成正比。隨著煤炭資源開(kāi)采的不斷進(jìn)行，我國(guó)煤礦逐步進(jìn)入深部開(kāi)采階段[1]。在深部開(kāi)采時(shí)，地應(yīng)力隨之升高，另外，由于采掘活動(dòng)影響，易形成應(yīng)力集中區(qū)。在地應(yīng)力作用下，易形成地應(yīng)力與瓦斯的耦合作用，形成地應(yīng)力主導(dǎo)型的煤與瓦斯突出事故。為了提高礦井瓦斯災(zāi)害防治的精準(zhǔn)性，亟需深入了解地應(yīng)力作用下含瓦斯煤的解吸特性[2]。

在瓦斯解吸特性的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者最先以干燥煤為基礎(chǔ)，通過(guò)研究，先后形成了巴雷爾式、文特式、艾黎式、博特式、烏斯基諾夫式、王佑安式和孫重旭式等計(jì)算公式，并廣泛應(yīng)用于煤層瓦斯含量測(cè)定和煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)[3]?；贔ick 擴(kuò)散定律，楊其鑾等[4]導(dǎo)出了經(jīng)典擴(kuò)散模型的精確解及簡(jiǎn)化式，聶百勝等[5]導(dǎo)出了經(jīng)典擴(kuò)散模型的三角函數(shù)表達(dá)式。在經(jīng)典單孔隙擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上，RUCKENSTEIN等[6]提出雙孔隙擴(kuò)散模型，CLARKSON[7]和SHI 等[8]提出了改進(jìn)的雙孔隙模型。在水分侵入后瓦斯解吸特性的研究方面，也取得比較豐碩的研究成果。張國(guó)華[9]、趙東等[10]、陳向軍[11]、聶百勝[12]、肖知國(guó)[13]和陳學(xué)習(xí)等[14]采用不同的試驗(yàn)方法測(cè)試了水分侵入對(duì)瓦斯的抑制解吸效應(yīng)。PAN 等[15]得出基質(zhì)含水率對(duì)氣體的擴(kuò)散速率有顯著的影響。WU等[16]研究了水阻對(duì)甲烷解吸擴(kuò)散的抑制作用。魏建平等[17]研究表明隨著含水率增加，含瓦斯煤的滲透率逐漸減小，整體呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。劉永茜等[18]發(fā)現(xiàn)隨有效應(yīng)力增加，煤層氣滲流速度呈非線性遞減，隨含水率增加，煤層氣滲流速度變化的應(yīng)力敏感點(diǎn)逐步降低。蔣長(zhǎng)寶等[19]發(fā)現(xiàn)隨著煤樣原始含水率的增加，煤樣的甲烷有效滲透率減小，發(fā)生煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性減小。孟雅等[20]研究了覆壓下煤的孔滲性，結(jié)果表明煤樣孔隙率和滲透率隨著有效應(yīng)力的增加按負(fù)指數(shù)函數(shù)規(guī)律降低。一些學(xué)者還進(jìn)行了應(yīng)力對(duì)瓦斯解吸特性影響的試驗(yàn)研究，何滿潮等[21]研究了單軸應(yīng)力-溫度作用下煤中瓦斯的解吸特征，結(jié)果表明，煤樣在施加圍壓閉合裂隙過(guò)程中，由于儲(chǔ)氣空間減少可使分布于裂隙中大量游離氣體迅速排出煤體。唐巨鵬等[22]考慮三維應(yīng)力作用，發(fā)現(xiàn)同樣荷載條件下，加載時(shí)解吸量大于卸載時(shí)解吸量。

由于煤、瓦斯和水三相作用問(wèn)題的復(fù)雜性，覆壓-注水作用下含瓦斯煤解吸特性的研究還有很多基礎(chǔ)工作要做，這對(duì)于弄清真實(shí)采礦環(huán)境下煤層注水等水力化防突措施對(duì)瓦斯解吸的影響有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者通過(guò)向試驗(yàn)煤樣施加覆壓，同時(shí)注入水分，研究覆壓-注水作用下含瓦斯煤的解吸特性。

1 試 驗(yàn)

1.1 煤樣制備及測(cè)試

試驗(yàn)煤樣采自焦作礦區(qū)古漢山煤礦二l 煤層，以下簡(jiǎn)稱為GHS，為煤與瓦斯突出煤層。該煤層煤巖類型以光亮型-半光亮型煤為主，塊狀煤呈亞金屬光澤，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分4.93%～9.37%，含碳量為91.7%～93.56%，煤質(zhì)為無(wú)煙煤。

在采掘工作面采集新鮮暴露的塊狀原煤，密封后送入試驗(yàn)室，原煤樣在試驗(yàn)室破碎、篩分，選取粒度3～6 mm 的顆粒煤作為試驗(yàn)煤樣，充分干燥后放入干燥器備用。采用掃描電鏡法測(cè)試了煤樣的孔隙形態(tài)，采用直接法測(cè)試了煤樣與純水的接觸角，如圖1所示。另外，按照GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析方法》和GB/T 217-2008《煤的真相對(duì)密度測(cè)定方法》的要求進(jìn)行工業(yè)分析和孔隙率測(cè)試，見(jiàn)表1。

表1 煤樣特征參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of coal sample characteristic parameters

圖1 煤樣掃描電鏡與接觸角測(cè)試Fig.1 Scanning electron microscope and contact angle

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)需要建立一個(gè)覆壓作用下含瓦斯煤吸附-解吸特性的模擬測(cè)試裝置，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要為吸附罐的設(shè)計(jì)，如何使其既能保持密封，又能向試驗(yàn)煤樣傳遞覆壓。同時(shí)，由于覆壓約10 MPa，密封是一個(gè)較大的技術(shù)問(wèn)題。圖2 為覆壓作用下含瓦斯煤吸附-解吸模擬裝置及吸附罐實(shí)物經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，決定采用如下方案：試驗(yàn)煤樣裝在一個(gè)圓柱形鋼制罐體中，上罐蓋與罐體之間采用法蘭盤進(jìn)行連接，并在其中設(shè)計(jì)一個(gè)油壓活塞，通過(guò)油壓活塞向試驗(yàn)煤樣施加垂直壓力，通過(guò)罐體壁面向煤樣施加側(cè)向應(yīng)力；為了便于操作，下罐蓋也采用法蘭盤進(jìn)行連接，并在其上設(shè)置進(jìn)氣管、排氣管及注水管，如圖2a 所示。另外，為了保證氣密性，上下法蘭盤與罐體之間均采用O 型密封圈進(jìn)行密封。

圖2 吸附罐實(shí)物及試驗(yàn)裝置原理Fig.2 Schematic diagram of experimental device

在試驗(yàn)室建立了深部開(kāi)采條件下壓力水對(duì)煤體瓦斯解吸特性影響的模擬測(cè)試裝置，如圖2b 所示，試驗(yàn)裝置主要由等溫吸附-解吸系統(tǒng)、地應(yīng)力施加系統(tǒng)和高壓注水系統(tǒng)3 個(gè)子系統(tǒng)組成。裝置通過(guò)向試驗(yàn)煤樣施加覆壓，模擬煤層受壓條件，采用平流泵向預(yù)先吸附瓦斯的試驗(yàn)煤樣注入高壓水，吸附罐可放置在恒溫水浴中保持恒溫。

裝置中吸附-解吸系統(tǒng)各部件之間通過(guò)細(xì)鋼管連接，試驗(yàn)前進(jìn)行了嚴(yán)格的氣密性檢查，并標(biāo)定了吸附罐、充氣罐及相關(guān)管線的自由體積。主要部件性能及精度如下：壓力表精度為0.25 級(jí)，解吸儀最小刻度為2 mL，真空計(jì)測(cè)壓范圍0.1×105～1.0×105Pa，真空泵極限壓力≤2×10-2Pa，恒溫水浴控溫精度±0.05 ℃。注水泵流量0.01～5 mL/min，工作壓力0～42.0 MPa，精度±0.5%。油壓活塞工作壓力1～63 MPa，工作行程70 mm。

1.2.2 試驗(yàn)步驟

1）選取制備好的3～6 mm 粒度煤樣適量，攪拌均勻，在105 ℃下連續(xù)干燥10 h 以上，均分為12 份，放入干燥器內(nèi)冷卻備用。

2）煤樣稱重后裝入吸附罐，向罐內(nèi)充入高壓氦氣后，放入水中進(jìn)行氣密性檢查。

3）設(shè)定水浴溫度為60 ℃，打開(kāi)閥門C 和閥門D，對(duì)煤樣抽真空至氣壓低于10 Pa 時(shí)，關(guān)閉閥門C 和D。

4）重新設(shè)定水浴溫度為試驗(yàn)溫度30 ℃，打開(kāi)甲烷瓶閥門和閥門A，向充氣罐中充入高壓甲烷至所需壓力后關(guān)閉閥門A；打開(kāi)閥門B、D，向煤樣罐充入高壓甲烷氣體，邊充氣邊觀察壓力表7，當(dāng)其壓力降至預(yù)定的壓力后，立即關(guān)閉閥門B 和D；煤樣在恒溫環(huán)境下吸附甲烷至壓力表6 的讀數(shù)不再變化。

5）打開(kāi)閥門F，采用油壓活塞向煤樣施加覆壓，當(dāng)壓力表4 達(dá)到設(shè)定的覆壓時(shí)，關(guān)閉閥門F，同時(shí)記錄瓦斯壓力變化。

6）打開(kāi)注水泵，設(shè)定注水壓力和流量，根據(jù)煤樣質(zhì)量及設(shè)定水分，注入預(yù)定水量。之后，煤樣罐在恒溫水浴中平衡至壓力表6 的讀數(shù)不再變化。

7）快速打開(kāi)煤樣吸附罐的放氣閥門，使壓力表6瞬間歸零，放出的氣體收集在儲(chǔ)氣袋中。之后，進(jìn)行120 min 的解吸試驗(yàn)，每隔一定時(shí)間讀取瓦斯解吸儀讀數(shù)，按照數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算出每分鐘瓦斯解吸量、解吸速度和殘存瓦斯含量。

8)更換試驗(yàn)煤樣，依次進(jìn)行覆壓為5、10、15 MPa，水分為0、2%、4%、6%條件下的解吸試驗(yàn)。

1.2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1）充氣量計(jì)算。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，充氣量需要換算至標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積，計(jì)算公式如下：

為了使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，每次試驗(yàn)的充氣量相等。即每次充氣罐初始?jí)毫{(diào)整為4.0 MPa，當(dāng)壓力降至3.0 MPa 時(shí)，停止充氣。經(jīng)計(jì)算，充氣量約為5 236.59 mL。

2）解吸量。從吸附罐解吸的氣體需按照式(2)換算為標(biāo)準(zhǔn)體積。

4）甲烷解吸速度。文獻(xiàn)[3]研究表明，當(dāng)煤樣粒度較小時(shí)，煤中瓦斯解吸主要為擴(kuò)散過(guò)程，瓦斯解吸量隨時(shí)間的變化可用文特式進(jìn)行很好擬合，見(jiàn)式（4）：

式中：V1為初始瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；kt為瓦斯解吸速度衰減系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果分析

2.1 對(duì)累計(jì)瓦斯解吸量的影響

測(cè)試數(shù)據(jù)換算為標(biāo)準(zhǔn)體積后，繪制出相同覆壓下水分對(duì)累計(jì)瓦斯解吸量的影響曲線，如圖3 所示。在相同覆壓下，干燥煤樣的解吸曲線均處于最上方，隨著水分增加，曲線均下移。說(shuō)明水分介入后堵塞了瓦斯解吸的通道，抑制了瓦斯解吸。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制出相同水分下覆壓對(duì)累計(jì)瓦斯解吸量的影響曲線，如圖4 所示。干燥煤樣的累計(jì)瓦斯解吸量隨覆壓的增大而增大，說(shuō)明覆壓作用對(duì)瓦斯解吸起到促進(jìn)作用；水分為2.0%時(shí)，不同覆壓作用下的累計(jì)瓦斯解吸量的曲線較為集中，并且和干燥煤樣相同，15 MPa 下解吸量最大；水分為4.0%和6.0%時(shí)，均是5 MPa 覆壓作用下的累計(jì)解吸量最大，10 MPa 和15 MPa 的曲線差別不大。

圖4 相同水分下覆壓對(duì)累計(jì)瓦斯解吸量的影響Fig.4 Effect of overburden on cumulative gas desorption volume under the same moisture content

以上測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于干燥煤樣，覆壓作用整體上是促進(jìn)煤體瓦斯解吸的，這和煤與瓦斯突出事故中地應(yīng)力促進(jìn)解吸的作用是類似的；隨著水分的介入，覆壓作用逐漸從促進(jìn)瓦斯解吸過(guò)渡為抑制瓦斯解吸，覆壓大的煤樣累計(jì)瓦斯解吸量反而變小，分析原因，這是由于覆壓增大使煤樣中孔裂隙縮小，毛細(xì)管力增大，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的抑制解吸作用，這對(duì)于認(rèn)識(shí)煤層注水防治煤與瓦斯突出的機(jī)理具有一定意義。

2.2 對(duì)解吸速度的影響

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，繪制出相同覆壓下水分對(duì)瓦斯解吸速度的影響曲線，如圖5。各種試驗(yàn)條件下，瓦斯解吸速度曲線均隨著時(shí)間快速衰減；不同覆壓作用下，瓦斯解吸速度曲線均隨著水分的增大而下移。

圖5 相同覆壓下水分對(duì)瓦斯解吸速度的影響Fig.5 Effect of moisture content on gas desorption rate under the same overburden

采用文特式對(duì)圖5 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。覆壓作用下，煤樣瓦斯解吸速度均可以用文特式Vt=V1t-kt進(jìn)行很好擬合，擬合系數(shù)R2均大于96%，說(shuō)明采用文特式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合是合適的。

表2 不同覆壓和水分作用下瓦斯解吸速度擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of gas desorption rate under different overburden and moisture content

依據(jù)表2 中的擬合數(shù)據(jù)，做出相同覆壓作用下V1和kt值隨水分的變化曲線，如圖6 所示。對(duì)于V1，在相同覆壓下，其值均隨著水分的增大而減??；覆壓增大曲線整體上移，說(shuō)明覆壓作用促進(jìn)瓦斯解吸，使V1增大，但水分注入后會(huì)降低V1，覆壓和水分對(duì)V1的作用效果相反，當(dāng)水分增加時(shí)，可以抵消覆壓對(duì)V1的影響。對(duì)于kt值，在相同覆壓作用下，其值隨水分增大而減小的趨勢(shì)較為明顯；相同水分下，整體上隨覆壓增大而增大。

圖6 相同覆壓下V1, kt 與水分的關(guān)系Fig.6 Relationship between V1, kt and moisture content under the same overburden

依據(jù)表2 中的擬合數(shù)據(jù)，做出相同水分下覆壓對(duì)V1和kt值的影響曲線，如圖7 所示。

圖7 相同水分下V1, kt 與覆壓的關(guān)系Fig.7 Relationship between V1, kt and overburden under the same moisture content

對(duì)于干燥煤樣，V1隨覆壓增大而增大；隨著水分介入，各水分下，均表現(xiàn)出V1在覆壓10 MPa 時(shí)略有下降，在15 MPa 時(shí)又略有增加。說(shuō)明對(duì)于干燥煤樣來(lái)說(shuō)，覆壓促進(jìn)解吸，增大了V1；但水分介入后抑制了瓦斯解吸，與覆壓作用相反，減小了V1，隨著覆壓增大，覆壓作用重新占據(jù)優(yōu)勢(shì)，使V1增大。

對(duì)于干燥煤樣，kt值隨著覆壓增大而減小，水分介入后，kt值變化趨勢(shì)較為復(fù)雜。說(shuō)明對(duì)于干燥煤樣，覆壓作用使煤樣壓實(shí)，減小了kt值；水分介入后，水鎖效應(yīng)可以降低了kt值，但由于覆壓作用的動(dòng)力效應(yīng)可以使煤粒發(fā)生相對(duì)位移，破壞水鎖效應(yīng)，使kt增加，從而隨著覆壓增大kt的變化趨勢(shì)較為復(fù)雜。

2.3 對(duì)V1 的影響系數(shù)

為了研究方便，引入影響系數(shù)β來(lái)衡量覆壓作用下水分對(duì)瓦斯解吸速度特征參數(shù)V1的影響程度，影響系數(shù)β定義為水分作用下V1減小程度：

式中：v1為某一覆壓下干燥煤樣的初始瓦斯解吸速度，mL/( g·min)；v′1為某一覆壓下含水煤樣的初始瓦斯解吸速度，mL/(g·min)。

經(jīng)計(jì)算，做出試驗(yàn)煤樣在不同覆壓下影響系數(shù)β隨水分的變化曲線，如圖8 所示。β均隨水分增大而增大；在相同水分下，覆壓5 MPa 時(shí)β最小，覆壓10 MPa 和15 MPa 時(shí)β均增大。

圖8 影響系數(shù)β 與水分的關(guān)系Fig.8 Influence coefficient β with moisture content

2.4 對(duì)殘存瓦斯含量的影響

為了分析覆壓作用下水分對(duì)瓦斯的封堵效果，經(jīng)計(jì)算，得到各試驗(yàn)條件下解吸120 min 后煤樣的殘存的瓦斯含量。如圖9 所示。殘存瓦斯含量隨水分的增大而增大；在相同水分下，煤樣殘存瓦斯含量隨覆壓增大而增大。

圖9 覆壓下殘存瓦斯含量與水分的關(guān)系Fig.9 Relationship between residual gas content and moisture content under overburden

3 覆壓-注水影響瓦斯解吸機(jī)理分析

通過(guò)以上試驗(yàn)研究，可以得到，覆壓作用下，干燥煤樣的累計(jì)瓦斯解吸量和V1均增大；隨著水分的介入，覆壓大的煤樣累計(jì)瓦斯解吸量和V1反而變??；覆壓增大后，整體上水分對(duì)瓦斯解吸的影響增大；煤樣殘存瓦斯含量隨覆壓和水分增大而增大。分析覆壓-注水作用下含瓦斯煤的解吸機(jī)制包括：

1）覆壓作用的活塞效應(yīng)促進(jìn)干燥煤樣瓦斯解吸。試驗(yàn)中為了使煤樣吸附瓦斯更加均勻，采用顆粒煤作為試驗(yàn)煤樣，但是顆粒煤樣和原始煤層相比還是存在較大區(qū)別，煤顆粒之間的膠結(jié)性不強(qiáng)，顆粒之間的間隙較大，滲透性對(duì)顆粒煤瓦斯解吸的影響較弱，初始階段瓦斯解吸主要受到受到覆壓的活塞效應(yīng)影響。

當(dāng)煤樣受到覆壓作用時(shí)，煤樣中的顆粒間隙、基質(zhì)孔隙等均受壓縮小，孔隙率降低，覆壓越大，煤體的孔裂隙縮小程度越大，導(dǎo)致孔裂隙間的游離氣體被壓縮并迅速排出，這是累積瓦斯解吸量和V1增大的主要原因之一；另一方面，孔隙裂隙尺寸縮小后，吸附瓦斯分子間作用力增大，促使吸附瓦斯向游離瓦斯轉(zhuǎn)變，從而提高了解吸量。覆壓作用促進(jìn)瓦斯解吸，這和文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)結(jié)果是相同的

2）注入水分的抑制效應(yīng)降低了煤體瓦斯解吸速度。隨著水分的注入，煤對(duì)水的吸附作用力、水在煤孔隙的黏滯阻力及氣液界面的毛細(xì)管力均會(huì)對(duì)煤體瓦斯的解吸起到抑制效應(yīng)，使累計(jì)瓦斯解吸量、V1和kt降低。

3）覆壓-水分的耦合作用影響瓦斯解吸過(guò)程。水分介入后，隨著覆壓的施加，煤中孔隙被壓實(shí)，進(jìn)而煤樣被壓碎壓實(shí)，煤中孔隙裂隙變小，毛細(xì)管阻力變大，因此，覆壓達(dá)到一定值后，累計(jì)瓦斯解吸量和V1變小，覆壓作用從促進(jìn)瓦斯解吸過(guò)渡為抑制瓦斯解吸。隨著覆壓繼續(xù)增加，V1和kt增加，覆壓作用的動(dòng)力效應(yīng)可以使煤粒發(fā)生位移，破壞水鎖效應(yīng)，使瓦斯解吸速度增加，從而隨著覆壓增大kt增大?？傮w上，覆壓和水分對(duì)瓦斯解吸的作用效果相反，當(dāng)水分增加時(shí)，可以抵消覆壓對(duì)瓦斯解吸的影響。

4 結(jié) 論

1）在相同覆壓作用下，累計(jì)解吸量隨水分增大而減??；在不同覆壓作用下，干燥煤樣的累計(jì)解吸量隨覆壓的增大而增大，隨著水分的介入，覆壓大的煤樣累計(jì)瓦斯解吸量反而變小，覆壓作用從促進(jìn)瓦斯解吸過(guò)渡為抑制瓦斯解吸。

2）在相同覆壓下，V1隨著水分的增大而減小，kt隨水分增大而減小的趨勢(shì)較為明顯。在相同水分下，對(duì)于干燥煤樣，V1隨覆壓增大而增大；水分介入后，各水分下，V1均在覆壓10 MPa 時(shí)略有下降，在覆壓15 MPa 時(shí)又略有增加。說(shuō)明對(duì)于干燥煤樣覆壓促進(jìn)解吸，增大了V1，水分介入后抑制了瓦斯解吸，減小了V1，隨著覆壓增大，覆壓作用重新占據(jù)優(yōu)勢(shì)，使V1增大。對(duì)于干燥煤樣，kt隨著覆壓增大而減小，水分介入后，kt變化趨勢(shì)較為復(fù)雜。

3）水分對(duì)V1的影響程度隨水分的增大而增大，覆壓增大后，整體上水分對(duì)瓦斯解吸的影響增大。

4）煤樣殘存瓦斯含量隨水分的增大而增大，隨覆壓增大而增大。