陳海棟，陳蒙磊，肖知國(guó)，安豐華

(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)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 河南 焦作 454003)

0 引言

我國(guó)多數(shù)井田在開采過程中受地質(zhì)構(gòu)造影響較大。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤體不僅會(huì)發(fā)生變形，而且會(huì)產(chǎn)生不同程度的動(dòng)力變質(zhì)作用，從而在同一煤層會(huì)出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)差異性較大的軟硬煤[1-3]。目前，有關(guān)軟硬煤的研究主要偏重于從微觀結(jié)構(gòu)差異角度分析其吸附和解吸特性。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為軟煤表面更粗糙，且比硬煤擁有更復(fù)雜的表面孔隙結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為軟煤比硬煤擁有更高的分形維數(shù)。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為軟煤微孔孔體積較為發(fā)育，有利于瓦斯的儲(chǔ)存，但構(gòu)成滲透容積的大孔、中孔及裂隙發(fā)育較少。文獻(xiàn)[7-8]認(rèn)為軟煤較硬煤擁有更大的比表面積，軟煤吸附性能也更強(qiáng)。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為同等壓降條件下，軟煤比硬煤解吸量更大，軟煤的解吸速率更快，累計(jì)解吸量更多。文獻(xiàn)[10]分析了不同粒度軟硬煤吸附性能的差異性，認(rèn)為隨著粒度的減小，軟硬煤吸附常數(shù)均增大，且增大的趨勢(shì)隨著粒度的減小而減小。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為軟硬煤孔隙結(jié)構(gòu)差異是導(dǎo)致瓦斯擴(kuò)散速度和擴(kuò)散系數(shù)隨粒徑變化而產(chǎn)生差別的根本原因。文獻(xiàn)[12]基于吸附層厚度理論，分析了軟硬煤吸附機(jī)理。

除了原生微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響軟硬煤吸附和解吸特性外，外部環(huán)境的改變也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。近年來,水力沖孔、水力割縫、水力壓裂等水力化方法[13-14]被廣泛作為增透措施用于高瓦斯突出煤層強(qiáng)化抽采，從煤礦井下瓦斯抽采角度分析，外部環(huán)境中最重要的影響因素是外加水分。已有研究表明，外加水分會(huì)對(duì)瓦斯的解吸擴(kuò)散特征產(chǎn)生較大影響[15-16]。文獻(xiàn)[17]認(rèn)為隨著注水壓力的增加，最終瓦斯解吸率逐漸呈非線性規(guī)律衰減，在注水壓力達(dá)到一定極值后解吸率會(huì)保持穩(wěn)定。文獻(xiàn)[18]得出了外加水分對(duì)瓦斯解吸可起到抑制作用的結(jié)論。文獻(xiàn)[19]發(fā)現(xiàn)煤對(duì)瓦斯的吸附能力隨著煤中水含量的增加而減小，且煤中水含量越大，瓦斯解吸越慢。文獻(xiàn)[20]認(rèn)為注水煤樣的解吸等溫線明顯處于干燥煤樣解吸等溫線上方。外加水分會(huì)對(duì)煤體瓦斯解吸產(chǎn)生較大影響，軟硬煤在不同外加水分條件下也會(huì)表現(xiàn)出不同的瓦斯解吸特征。

綜上所述，外加水分會(huì)影響煤體瓦斯的解吸特征，而現(xiàn)有研究重點(diǎn)分析了軟硬煤微觀結(jié)構(gòu)差異對(duì)其瓦斯吸附解吸特征的影響，而對(duì)外加水分條件下軟硬煤的瓦斯解吸特征研究較少?；诖耍疚牟捎妹簩痈邏鹤⑺M實(shí)驗(yàn)裝置開展不同外加水分條件下軟硬煤瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，研究外加水分對(duì)軟硬煤瓦斯解吸特征的影響。

1 高壓注水實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1.1 煤樣制備與基本物性參數(shù)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)煤樣取自河南焦煤集團(tuán)古漢山煤礦。該礦二1煤層由于受地質(zhì)構(gòu)造的影響，軟硬煤分層現(xiàn)象明顯。軟煤分層堅(jiān)固性系數(shù)為0.21，硬煤分層堅(jiān)固性系數(shù)為1.46?，F(xiàn)場(chǎng)采集軟硬煤煤樣后放入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)軟硬煤煤樣進(jìn)行粉碎和篩選，制成粒徑為0.2～0.25 mm顆粒煤。將制作好的顆粒煤放入真空干燥箱中，在105 ℃環(huán)境中連續(xù)干燥8 h，裝入密封袋放至陰涼處備用。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣的基本物性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical property parameters of experimental coal samples

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器采用自主研制的煤層高壓注水模擬實(shí)驗(yàn)裝置，裝置主要由真空脫氣模塊、吸附/解吸模塊、恒溫水浴模塊及高壓注水模塊等組成，如圖1所示。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)過程

選擇吸附平衡壓力為0.75，1.40，2.10，2.80 MPa，外加水分含量為0，10%(左右)，20%(左右)開展軟硬煤瓦斯解吸正交實(shí)驗(yàn)。

具體實(shí)驗(yàn)過程如下：

(1) 煤樣抽真空：稱取質(zhì)量為60 g的干燥煤樣，放入煤樣罐中；開啟恒溫水浴，設(shè)定水浴溫度為40 ℃；啟動(dòng)真空泵，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)抽真空，抽真空時(shí)間不少于12 h。

1-高壓CH4；2,5,6,9,15-閥門；3-參考罐；4,11,12,16-壓力表；7-真空泵；8-真空計(jì)；10-解吸儀；13-煤樣罐；14-恒溫水浴；17-平流泵。圖1 煤層高壓注水模擬實(shí)驗(yàn)裝置組成Fig.1 Composition of coal seam high pressure water injection simulation experimental device

(2) 瓦斯吸附平衡：對(duì)煤樣罐充入純度為99.999%的CH4，進(jìn)行瓦斯吸附平衡，吸附平衡時(shí)間不少于12 h，記錄吸附平衡壓力及溫度。

(3) 對(duì)煤樣進(jìn)行高壓注水：將一定量的蒸餾水倒入燒杯中并稱重，記為m1；利用平流泵將燒杯中的蒸餾水注入煤樣罐中；設(shè)定注水壓力比吸附平衡壓力大1 MPa，注水流量為2 mL/min，根據(jù)煤樣質(zhì)量及所設(shè)定需注入的外加水分含量確定注水時(shí)間。

(4) 外加水分含量的確定：注水結(jié)束后，稱量燒杯及剩余蒸餾水的質(zhì)量，記為m2；所注入水的質(zhì)量即為m1-m2；根據(jù)煤樣質(zhì)量及所注入水的質(zhì)量確定外加水分含量。

(5) 注水后的瓦斯吸附平衡：注水結(jié)束后，繼續(xù)對(duì)煤樣罐進(jìn)行瓦斯吸附平衡，直至煤樣罐壓力表讀數(shù)不再變化。

(6) 煤樣解吸：打開煤樣罐出氣口閥門，當(dāng)壓力表讀數(shù)為0時(shí)，立刻連接解吸儀進(jìn)行瓦斯解吸，記錄瓦斯解吸量、溫度及大氣壓力。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，需將實(shí)驗(yàn)過程中所記錄的解吸量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的解吸量，換算公式為

(Pa-9.81hw-PS)×Q′(t)

(1)

式中：Q(t)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下t時(shí)刻瓦斯累計(jì)解吸量，mL/g；T1為實(shí)驗(yàn)過程中解吸儀量筒內(nèi)溶液的溫度，℃；Pa為大氣壓，Pa；hw為實(shí)驗(yàn)過程中所測(cè)定的解吸儀量筒液面高度，mm；Ps為溫度為T1時(shí)的飽和水蒸氣壓力，Pa；Q′(t)為室溫下t時(shí)刻所測(cè)定的瓦斯累計(jì)解吸量，mL/g。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，鑒于篇幅限制，只列出吸附平衡壓力為0.75，2.80 MPa的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 外加水分對(duì)軟硬煤瓦斯解吸量的影響

不同吸附平衡壓力、不同外加水分含量條件下軟硬煤瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

(a) 吸附平衡壓力為0.75 MPa

從圖2可看出，軟煤試樣在吸附平衡壓力為0.75 MPa，外加水分含量分別為0，10.68%和18.89%時(shí)，120 min內(nèi)瓦斯解吸總量分別為7.48，5.74，4.23 mL/g；外加水分含量從0增加至10.68%和18.89%時(shí)，瓦斯解吸總量分別減少27.3%和47.4%。吸附平衡壓力為2.80 MPa，外加水分含量從0增加至7.86%和20.76%時(shí)，瓦斯解吸總量分別減少33.69%和73.26%。

(a) 吸附平衡壓力為0.75 MPa

從圖3可看出，硬煤試樣在吸附平衡壓力為0.75 MPa，外加水分含量分別為0，10.74%和20.80%時(shí)，120 min內(nèi)瓦斯解吸總量分別為4.40，3.94，2.75 mL/g；外加水分含量從0增加至10.74%和20.80%時(shí)，瓦斯解吸總量分別減少10.45%和41.87%。吸附平衡壓力為2.80 MPa，外加水分含量從0增加至10.01%和20.58%時(shí)，瓦斯解吸總量分別減少11.33%和39.57%。

根據(jù)前人已有的研究結(jié)果[21]，軟煤的總孔容、總比表面積均比硬煤大數(shù)倍，說明軟煤吸附能力更強(qiáng)，且在瓦斯解吸時(shí)能提供更多的運(yùn)移通道。所以，相同條件下，軟煤的瓦斯解吸量大于硬煤。此外，外加水分進(jìn)入煤基質(zhì)后，會(huì)產(chǎn)生毛管阻力，阻礙瓦斯解吸[20]，也就出現(xiàn)了圖2和圖3中出現(xiàn)的情況，即隨著外加水分含量的增大，軟硬煤的瓦斯解吸量均減小，外加水分對(duì)軟硬煤瓦斯解吸均起到了抑制作用。同時(shí)，由于軟煤的微孔孔容和比表面積大于硬煤，外加水分進(jìn)入軟煤試樣后，形成的毛管阻力要遠(yuǎn)大于硬煤，即外加水分對(duì)軟煤產(chǎn)生的解吸阻力更大，外加水分對(duì)軟煤瓦斯解吸抑制效應(yīng)強(qiáng)于硬煤。

2.2 外加水分對(duì)軟硬煤瓦斯解吸速度的影響

不同吸附平衡壓力、不同外加水分條件下軟硬煤瓦斯解吸速度的計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可看出，不同吸附平衡壓力、不同外加水分含量條件下，軟硬煤的瓦斯解吸速度都是在初始時(shí)刻最大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小。由于軟煤試樣有更短的解吸路徑和更多的解吸通道，所以，在吸附平衡壓力相同、外加水分含量相近的情況下，軟煤瓦斯解吸速度始終大于硬煤；外加水分的進(jìn)入減少了軟硬煤瓦斯解吸通道，隨著外加水分含量的增加，軟硬煤瓦斯解吸速度均呈減小趨勢(shì)。當(dāng)軟煤試樣解吸至20 min后，吸附平衡壓力及外加水分對(duì)解吸速度的影響較小，隨后，不同實(shí)驗(yàn)條件下的瓦斯解吸速度大致相同。然而，對(duì)于硬煤試樣，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)約延長(zhǎng)至30 min。該結(jié)果也與前一節(jié)所分析的外加水分對(duì)軟煤瓦斯解吸抑制效應(yīng)強(qiáng)于硬煤相吻合。

(a) 吸附平衡壓力為0.75 MPa

(a) 吸附平衡壓力為0.75 MPa

2.3 外加水分對(duì)軟硬煤擴(kuò)散系數(shù)的影響

擴(kuò)散系數(shù)是表征外加水分對(duì)軟硬煤擴(kuò)散能力影響的重要參數(shù)，其計(jì)算公式為[22]

(2)

式中：Vt為t時(shí)刻瓦斯的累計(jì)解吸量，mL/g；V為t趨向于無窮大時(shí)，瓦斯的極限解吸量，mL/g；n為基數(shù)項(xiàng)數(shù);D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；r0為煤顆粒平均半徑，m。

對(duì)式(2)進(jìn)行簡(jiǎn)化[23]，得

(3)

表2 軟硬煤瓦斯擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算值Table 2 Calculation values of gas diffusion coefficient of soft and hard coal

3 結(jié)論

(1) 外加水分含量、吸附平衡壓力相同時(shí)，軟煤瓦斯解吸量大于硬煤；隨著外加水分含量的增大，軟硬煤的瓦斯解吸量均減??；相同條件下，軟煤的瓦斯解吸量始終大于硬煤；外加水分對(duì)軟硬煤瓦斯解吸均起到了抑制作用，但對(duì)軟煤的瓦斯解吸抑制效應(yīng)強(qiáng)于硬煤。

(2) 不同吸附平衡壓力、外加水分含量條件下，軟硬煤的瓦斯解吸速度都是在初始時(shí)刻最大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)及外加水分含量的增加，呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)；吸附平衡壓力相同、外加水分含量相近的情況下，軟煤瓦斯解吸速度始終大于硬煤。

(3) 吸附平衡壓力、外加水分含量對(duì)軟硬煤瓦斯擴(kuò)散系數(shù)影響顯著；吸附平衡壓力相同、外加水分含量相近的情況下，軟煤的擴(kuò)散系數(shù)大于硬煤；同一吸附平衡壓力下軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)均隨著外加水分含量的增大而減小。