岳基偉，王兆豐，董家昕，王春光，申曉靜

(1.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；3. 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室(河南理工大學)，河南 焦作 454000；4 煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

煤層注水是一種綜合災害防治措施，被廣泛用于煤層瓦斯治理、防止沖擊地壓及煤礦粉塵防治[1-3]。當煤層注水應用于煤層瓦斯治理時，水分對煤中瓦斯的作用主要包括以下3個方面：水進入裂隙及大孔隙中驅(qū)替游離態(tài)瓦斯；水在毛細管力、重力、瓦斯壓力的作用下進入煤體微小孔中，將吸附態(tài)瓦斯置換；當水分停止運移后，一部分瓦斯會被封堵在煤體孔隙中，抑制了孔隙內(nèi)瓦斯的運移。當煤層注水被用于預防沖擊地壓時，孔隙、裂隙內(nèi)儲存一定量的水，煤顆粒間的黏聚力減小、摩擦力減小，煤的沖擊傾向減小。當煤層注水被用于防塵時，注入煤體裂隙中的水分在毛細管力、重力等作用下向煤體內(nèi)部運移，增加煤體水分。煤層注水治理瓦斯、防止沖擊地壓及降塵的效果與煤體是否被有效潤濕緊密相關。張曉梅等[4]、王青松等[5]、秦文貴等[6]提出煤層注水過程中煤體的潤濕過程是注入煤層中的水逐漸進入煤體孔隙并儲存于孔隙的過程，煤層注水過程中水分在煤體內(nèi)流動過程包括滲透的過程及自發(fā)滲吸的過程。滲透的過程迫使煤層內(nèi)部原有裂隙相互溝通或在煤層內(nèi)部形成新的裂隙網(wǎng)，提供水在煤層內(nèi)流動的網(wǎng)絡通道，滲透過程濕潤煤體的效果差，該過程主要以驅(qū)替游離瓦斯為主，驅(qū)替瓦斯量呈現(xiàn)很快的衰減性。自發(fā)滲吸是指潤濕相流體依靠毛細管力的作用驅(qū)替非潤濕相流體的過程[7-8]，煤體具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)[9-10]，組成了毛細管網(wǎng)絡系統(tǒng)，煤體內(nèi)的瓦斯是非濕潤相流體，而水為濕潤相流體，因而會發(fā)生自發(fā)滲吸效應。

自發(fā)滲吸過程中滲流通道中的水為煤基質(zhì)的自發(fā)滲吸提供水源，毛細管網(wǎng)絡為水的運移提供通道，水分在毛細管力、瓦斯壓力等共同作用下進入煤基質(zhì)潤濕含瓦斯煤體，同時水與瓦斯發(fā)生相互作用，吸附態(tài)瓦斯被置換形成游離態(tài)瓦斯，游離態(tài)瓦斯在抽采負壓的作用下排出煤層。自發(fā)滲吸過程具有有效濕潤煤體及提高濕潤效果的特點。

CHANG等[11]、ZHOU等[12]研究認為滲吸過程分為快速階段和緩慢階段，吸附孔主導著滲吸過程。LU等[13]采用X射線mu-CT研究了煤體的自發(fā)滲吸行為，煤中孔隙、裂隙及礦物的含量對煤體的滲吸行為起著主要作用，氣體相對滲透率隨自發(fā)滲吸時間的增加呈指數(shù)衰減。LIU等[14]通過反向自發(fā)滲吸實驗探討了不同變質(zhì)程度顆粒煤內(nèi)水分的運移過程，研究表明變質(zhì)程度越低，滲吸作用越明顯，粒徑為100～297 μm的顆粒滲吸作用最大。王兆豐等[15]、樊亞慶等[16]、YUE等[17]、WU等[18]開發(fā)了一套具備等壓加水及等壓解吸模塊的含瓦斯煤自發(fā)滲吸實驗系統(tǒng)，等壓加水模塊剝離了高壓注水造成煤樣罐內(nèi)壓力升高、煤體被壓裂等因素的影響，將水等壓地加入煤樣罐，由于水分無法預先置入煤體裂隙通道中，水分在裂隙通道中主要以驅(qū)替游離瓦斯為主，等壓解吸模塊可以保證被置換的瓦斯及時逸出煤樣罐，研究結(jié)果表明自發(fā)滲吸過程可以提高吸附態(tài)瓦斯向游離態(tài)瓦斯的轉(zhuǎn)變率。以上研究主要側(cè)重于不含瓦斯煤體的滲吸過程、含瓦斯煤體自發(fā)滲吸過程水分對瓦斯的置換效果。然而自發(fā)滲吸對含瓦斯煤體的潤濕效果主要體現(xiàn)在瓦斯的置換效應及潤濕距離2個方面。目前，含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分對煤體的潤濕距離鮮有研究，煤體被潤濕的距離與濕潤空白帶、瓦斯局部富集及防塵的效果緊密相關。

基于此，筆者研發(fā)了一套受載煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠保證受載含瓦斯煤等壓加水后實驗系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力不變化，以相似模擬煤層注水所引入水分的滲吸過程。

采用該系統(tǒng)開展了不同氣體壓力、不同受載應力條件下煤樣的自發(fā)滲吸實驗，并對受載不含瓦斯煤與受載含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離差異性的影響機理進行了分析。研究結(jié)果為明晰煤層注水所引入水分的滲吸過程，潤濕含瓦斯煤體的機理提供理論指導。

1 受載煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離測試系統(tǒng)及流程

筆者研發(fā)了一套受載煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離測試系統(tǒng)，系統(tǒng)的原理及實物如圖1所示。

圖1 受載煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離測試系統(tǒng)Fig.1 Test system for the transport distance during spontaneous imbibition in loaded coal

實驗系統(tǒng)最關鍵的2個單元是等壓加水單元、等壓解吸單元。等壓加水單元能夠排除壓力水導致煤體滲透率改變、壓力水驅(qū)替瓦斯效應的干擾。等壓解吸單元能夠保障被置換的瓦斯及時逸出解吸儀(煤樣罐內(nèi)的壓力大于吸附平衡壓力時，等壓解吸閥門打開；煤樣罐內(nèi)的壓力等于吸附平衡壓力時，等壓解吸閥門自動關閉)。

受載含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離測試流程如下：

(1)把新鮮煤樣粉碎、篩選，篩選出粒徑為0.25～0.50 mm和0.25 mm以下的煤樣，篩選后對煤樣干燥，干燥完畢冷卻后，分別稱取粒徑為0.25～0.50 mm和0.25 mm以下的一些煤樣，兩者的質(zhì)量比為1∶2，均勻混合后，添加10%的蒸餾水，攪拌均勻。

圖2 組裝完成的制樣模具Fig.2 Assembled sample making mould

(2)將煤樣罐筒體與煤樣罐上蓋固定，而后倒置，即制樣模具(制樣模具共有4層孔，每層具有2個水平孔，2個水平孔的夾角為90°)，如圖2所示。

(3)將均勻攪拌后的一部分煤樣加入制樣模具中，對煤樣加載，加載應力為90 MPa，穩(wěn)壓時間為180 min。穩(wěn)壓結(jié)束后，測量煤樣是否到達制樣模具第4層孔處，如果未達到，繼續(xù)加入煤樣壓制，直至煤樣達到制樣模具的第4層孔處。而后將已穿好漆泡線(端頭導電，周圍不導電)的測試電極插入煤樣罐筒壁的第4層孔中。

(4)按照以上實驗步驟，安裝其他3層孔的測試電極(測試電極安裝如圖3所示，圖3中所標記的數(shù)字代表每對測點之間的距離，單位為cm。煤樣內(nèi)共4層測試電極，每層安裝2對測試電極，每個測試電極有4對測點，共32對測點，如A-1，…，B-1，…，C-1，…，D-1，…)，測試電極全部安裝完成后，將煤樣罐放入干燥箱中干燥，干燥完畢后冷卻備用。

(5)將制作好煤樣的煤樣罐筒體安裝在實驗系統(tǒng)中，同時將漆泡線與Agilent 34970A電阻測試儀連接，打開恒溫箱電源，設定實驗溫度為30 ℃，打開軸壓加載泵，設定加載軸壓(0，5，10，15 MPa)。

(6)死體積標定。關閉管路中的所有閥門，打開氦氣瓶的閥門，然后調(diào)節(jié)氦氣減壓閥，使減壓閥的出口壓力等于P1，打開閥門9向緩沖罐8充入一定量的氦氣，待壓力傳感器7示數(shù)穩(wěn)定后，讀出其示數(shù)P1，關閉閥門9，打開閥門6，將氦氣緩沖罐8中的氦氣充入煤樣罐，待壓力傳感器7示數(shù)穩(wěn)定后，讀出其示數(shù)P2，閥門9至閥門6之間的體積(V1)已知，則煤樣罐內(nèi)的游離體積(Vy)可采用式(1)表示。打開閥門11，放出管路中的氣體，關閉閥門11及6。

Vy=P1V1Z2/(Z1P1)-V1

(1)

式中，Z1，Z2分別為壓力P1，P2所對應的壓縮因子；V1為閥門9至閥門6間的體積，mL。

(7)按照煤的高壓等溫吸附量測定方法，進行煤的等溫吸附實驗，單位質(zhì)量煤樣的吸附量為

(2)

式中，P3，Pn為充氣前、后緩沖罐內(nèi)的瓦斯壓力，MPa；P為吸附平衡壓力，MPa；Z3，Zn及Z為壓力P3，Pn及P所對應的壓縮因子；T為實驗溫度，30 ℃；V為閥門2～5之間的體積，mL；M為實驗煤樣的質(zhì)量，g。

(8)活塞內(nèi)加水。通過平流泵43設置一定的加水質(zhì)量，打開閥門25，啟動平流泵，當閥門32出口有水流出時，記錄流出水的質(zhì)量，關閉閥門32，此時說明導桿30、加水活塞27內(nèi)空氣排除完畢，由于水具有不可壓縮性，水推動加水活塞27向上移動，加水活塞27停止移動后說明設置的加水量已加入完畢，由于排除空氣流出一部分水，需再次補償流出水的質(zhì)量，補償完畢后，將下并帽31和上并帽29分別擰至法蘭36的上下端面固定導桿30。

(9)設置解吸壓力及加水滲吸：通過電腦20設置解吸壓力，設置為P+0.01；打開閥門34，煤樣罐與加水活塞容器成為一體，此時體系壓力仍為吸附平衡壓力，打開Aligent電阻測試儀19及加水閥門38，加水活塞容器內(nèi)的水通過煤樣罐的下加水口進入煤樣罐，自發(fā)滲吸開始進行。當煤樣罐內(nèi)壓力等于設置壓力時，氣動閥41自動打開，同時多通道Aligent電阻測試儀可測得滲吸過程中每對電極之間的電阻，通過式(3)可算出每對電極之間的電阻率：

ρ=RcS/L

(3)

式中，Rc為每對電極之間的電阻，Ω；S為電極的橫截面積，m2；L為每對電極之間的距離，m。

受載不含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離與受載含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離的測試流程相似，這里不再詳細贅述，受載不含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離測試流程如圖4所示。

圖4 受載不含瓦斯煤滲吸過程水分運移距離測試流程Fig.4 Process for measuring water transport distance during spontaneous imbibition in loaded non gas-bearing coal

2 受載煤樣的瓦斯吸附特性及多分支毛細管束模型

2.1 重塑煤樣孔隙結(jié)構(gòu)測試

采用ASAP2020比表面積分析儀進行煤樣的比表面積及孔徑分布測試，測試步驟如下：

(1)制作壓制應力為50，70，90，110 MPa的重塑煤體試樣，制作完成后將試樣切割并打磨成各個方向長度不大于1.0 cm的試塊，采用塊狀煤樣目的是為了與實驗煤樣孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)保持一致。

(2)對上述處理過的煤樣進行干燥，將干燥后的煤樣裝入樣品管中測試，不同壓制應力試樣的低溫液氮吸/脫附曲線如圖5所示。

圖5 不同壓制應力試樣的低溫液氮吸/脫附曲線Fig.5 Liquid nitrogen adsorption-desorption curves of coals with different pressing stresses

不同壓制應力的煤樣，各階段孔容及孔容占比見表1。不同壓制應力的試樣，同一孔徑階段的孔容差別不大。小孔孔容占比最大，微孔次之，中孔最小，各階段孔容的變化趨勢基本相同。4個壓制應力煤樣的總孔容差別不大，因為低溫液氮吸附實驗只能測試出微小孔及部分中孔的孔容和比表面積。不同壓制應力煤樣各階段孔的比表面積見表2，微孔比表面積所占比例最大，小孔次之，中孔最小。隨著壓制載荷的增大，煤樣的比表面積變化不大，說明壓制應力對煤樣的微小孔影響不大。

表1 不同壓制應力煤樣的孔容及孔容占比

表2 不同壓制應力煤樣的比表面積及比表面積占比

2.2 受載煤樣的瓦斯吸附特性

按照上述實驗過程測試了不同受載煤樣的瓦斯吸附量，每個吸附平衡壓力點的吸附時間不低于24 h，保證煤對瓦斯充分吸附，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同受載應力條件下試樣的等溫吸附曲線Fig.6 Isothermal adsorption curves of coal samples under different loading stress conditions

由圖6可知，在0～7 MPa內(nèi)，煤對瓦斯的吸附量隨吸附平衡壓力的增加而增加，增加的速率逐漸減小。主要原因是吸附平衡壓力增加導致甲烷分子撞擊煤孔隙表面的概率增加，甲烷分子在煤孔隙表面的撞擊次數(shù)、個數(shù)及撞擊面積增加，因此氣體分子在煤孔隙表面的吸附相密度增加，最終導致煤對瓦斯的吸附場所逐漸減小。吸附瓦斯量Qx與吸附平衡壓力滿足Langmuir吸附模型(式(4))，Langmuir吸附模型的擬合參數(shù)見表3。

(4)

式中，a和b為吸附常數(shù)。

由圖6可知，不同受載應力條件下煤樣的吸附瓦斯量差別不大。由表3可知，不同的受載應力(0～15 MPa)條件下吸附常數(shù)a值差別不大，原因如下：① 實驗煤樣預先通過90 MPa的壓制應力壓制，壓制完成后不退模，而后加載，不同于前人研究的直接對原煤加載；② 在0～15 MPa的受載應力條件下，受載應力對煤體微小孔不產(chǎn)生影響，而微小孔是煤體吸附瓦斯的主要場所；③ 實驗結(jié)果與胡愛軍等[19]研究結(jié)果具有一致性。以上結(jié)果表明：在一定的應力范圍內(nèi)靜載應力不足以改變煤的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，一般流體沖擊(高壓氣致裂)[20]、物理場的激勵[21]、沖擊荷載(爆破，SHPB沖擊)[22]可在一定程度上改變煤的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。

表3 Langmuir吸附模型的擬合參數(shù)

2.3 重塑煤的多分支毛細管束模型

基于加載應力對煤體微小孔不產(chǎn)生影響的認識及散體堆積的特點，對重塑煤構(gòu)建多分支毛細管束模型，假設：① 由于受載煤樣由顆粒煤堆積壓制而成，將煤樣等效為多個等直徑帶有水平支管的豎向迂曲毛細管組成(圖7)所示，即“非”字形毛細管，水平毛細管由微小孔組成，其來源于顆粒內(nèi)部的微小孔，豎向迂曲毛細管由顆粒與顆粒之間的孔、裂隙及顆粒內(nèi)部的中、大孔、裂隙組成，孔隙的分類參照Hodot法[23]；② 同一受載應力條件下，煤樣中豎向迂曲毛細管等直徑且迂曲度相等，不同受載應力條件下水平毛細管等直徑、等長度且迂曲度為1；③ 對于水平毛細管，其中一部分為一端開口，另一部分為兩端開口；④ 上下2層水平毛細管之間的垂向間距相等。

圖7 重塑煤的多分支毛細管束模型Fig.7 Multi branch capillary bundle model of remolded coal

3 受載不含瓦斯煤自發(fā)滲吸水分運移距離測試結(jié)果與分析

3.1 受載不含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程中電阻率隨時間的演化特性

按照受載不含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離的測試流程，測試每對測點之間的電阻率。通過分析每對測點電阻率的變化獲得受載不含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離的演化規(guī)律。實驗中加載的應力分別為0，5，10，15 MPa。自發(fā)滲吸過程中每對測點之間的電阻率隨時間的變化規(guī)律如圖8所示(以加載應力5 MPa為例)，由于干燥煤樣的電阻值為無窮大(9.0×1037Ω)，超出Aligent電阻測試儀的測試量程(0～120 MΩ)，所以在圖8中只繪制了電阻率突變后的散點。例如，圖8中A-3～A-2代表1對測點。

由圖8可知，每對電極之間煤樣的初始電阻超過了Agilent電阻測試儀的量程(最大測試值為120 MΩ)，每對電極之間的電阻非常大，可以被看為一個非導體。水是一種良性導體，當液態(tài)水與多孔介質(zhì)材料為一個體系時，多孔介質(zhì)材料的電阻會迅速發(fā)生變化[24-25]。突變過程是因為隨著滲吸時間的增加，裂隙、大孔中存在水分，水分吸附在部分煤顆粒的表面，顆粒與顆粒之間的部分氣體被水驅(qū)替，水的電阻遠小于氣體的電阻，因此電阻發(fā)生突變?？熳冞^程是因為大孔及裂隙中的水分含量逐漸增加，吸附在煤顆粒表面的水分逐漸被中孔、小孔及微孔吸附。漸變過程是指微小孔中的水分含量逐漸增加，同時大孔及裂隙中的水分含量也繼續(xù)增加，由于顆粒與顆粒之間已被有效地連通，對電阻率的影響較小[26]。煤樣的電阻率發(fā)生3個變化過程的共同原因是：① 煤樣發(fā)生了潤濕現(xiàn)象；② 在外加電場的作用下，隨著濕潤程度的增加，煤水體系中載流子數(shù)目和運輸速率逐漸增大。

圖8 自發(fā)滲吸過程中兩測點之間的電阻率隨時間的變化規(guī)律Fig.8 Variation of resistivity between two measuring points with time during spontaneous imbibition

同一受載應力條件下，隨著滲吸時間的增加，水分逐漸向上運移，第1層～第4層內(nèi)測點逐漸發(fā)生突變，而后發(fā)生快變與漸變。將4層內(nèi)的電阻率值互相對比，發(fā)現(xiàn)電阻率值沿高度方向沒有明顯的變化規(guī)律。存在的原因：① 各對測點之間煤體自身存在差異；② 潤濕的煤體兩測點之間的電阻可能是多個電阻串聯(lián)、并聯(lián)的結(jié)果或具有電容、電感特性；③ 電阻測點位于煤體內(nèi)部，當煤體兩測點之間發(fā)生潤濕后，兩測點之間的電流不能簡單地認定為電流從兩測點之間直線流過，其與王彬[27]、趙晨光等[28]對含水煤體電阻率的研究不同，其原因是研究中將電極布置在柱狀煤體的2個端面，測試整個柱狀煤體的電阻率，其呈現(xiàn)出電阻率與含水率負相關的關系。

3.2 受載不含瓦斯煤自發(fā)滲吸水分運移距離測試結(jié)果

由受載不含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程兩測點之間電阻率隨時間的變化規(guī)律可獲得不同受載應力條件下(0，5，10，15 MPa)不同層及同一層內(nèi)不同測點的突變時間，如圖9所示。

由圖9可知，同一層內(nèi)8對測點的突變時間存在一些差別且同一層內(nèi)沿半徑方向突變時間無明顯的變化規(guī)律(圓心為起始點)，如圖9(a)所示第1層沿半徑方向突變時間呈現(xiàn)忽大忽小的現(xiàn)象，原因如下：① 由單根毛細管理論可知，液體在毛細管中呈凹液面形狀，然而實驗煤樣是由縱橫交錯的毛細管組成，毛細管網(wǎng)絡呈現(xiàn)空間網(wǎng)絡狀，因此突變時間沿半徑方向無明顯的變化規(guī)律，該現(xiàn)象與岳基偉[29]沿徑向取樣并采用切片干燥法測試的規(guī)律具有一致性；② 王彬等[30]將定量的水放置在煤體的偏心孔內(nèi)并采用核磁共振測試技術(shù)測試水分在煤體內(nèi)的運移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)濕潤鋒呈現(xiàn)月牙形狀，原因是偏心孔具有一定的弧度，在初始狀態(tài)水分不在同一水平面；③ 張鵬等[31]基于中子成像技術(shù)對混凝土毛細吸水過程的濕潤鋒進行研究，發(fā)現(xiàn)濕潤鋒界面(沿著半徑方向)無明顯的變化規(guī)律。

圖9 不同受載應力、不同層及同一層內(nèi)不同測點的突變時間Fig.9 Mutational time of different loading stresses，different layers and different measuring points in the same layer

由于濕潤鋒界面沿半徑方向無明顯的變化規(guī)律，為了減小實驗誤差，對同一層內(nèi)不同測點的突變時間取平均值，該平均值被視為到達該層的滲吸時間。對圖9中不同受載應力、同一層內(nèi)的突變時間求取平均值，即可獲得不同受載應力σ條件下自發(fā)滲吸過程水分運移距離隨時間的變化規(guī)律，如圖10所示。

圖10 不含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程中水分運移距離隨時間的變化規(guī)律Fig.10 Variation of water transport distance duringspontaneous imbibition in non gas-bearing coal

等壓滲吸過程中，同一時刻，在所測試的范圍內(nèi)，受載應力越大，自發(fā)滲吸過程水分運移距離越大；等壓滲吸過程中，同一受載應力條件下，水分運移距離隨著時間的增加而增加，增加的速率逐漸減?。浑S著時間的增加，水分的重力逐漸增加，導致水分運移距離的增加速率逐漸減小，原因如下：

圖11均表示豎向迂曲毛細管及水平毛細管的剖面(根據(jù)多分支毛細管束模型可得)。圖11(a)表示豎向迂曲毛細管平均管徑大的試樣，在極短的一段時間內(nèi)(Δt)，豎向毛細管中液體達到了高度Δh1，濕潤水平毛細管的層數(shù)為n1。圖11(b)表示豎向迂曲毛細管平均管徑小的試樣，在極短的一段時間內(nèi)(Δt)，豎向毛細管中液體達到了高度Δh11，包含的水平毛細管的層數(shù)為n11。在相同的時間內(nèi)，由于同層內(nèi)的毛細管結(jié)構(gòu)相同，同一層內(nèi)水平毛細管的濕潤情況相同。受載應力越大，豎向迂曲毛細管的平均孔徑越小，其毛細管力越大，在相同的時間內(nèi)，豎向迂曲毛細管上升的高度越大，即Δh11>Δh1，在每個Δt內(nèi)，受載應力越大，其包含的水平毛細管層數(shù)越多，即n11>n1。因此在實驗測試的范圍內(nèi)，受載應力越大，自發(fā)滲吸過程水分運移距離越大。

圖12表示豎向迂曲毛細管及水平毛細管的剖面(根據(jù)多分支毛細管束模型可得)。圖12(a)表示，在極短的一段時間內(nèi)(Δt)，豎向毛細管中液體達到了高度Δh1-0，包含水平毛細管的層數(shù)為n1-0，在Δh1-0范圍內(nèi)水平毛細管的擴散長度為l1。圖12(b)表示，在2Δt內(nèi)，豎向毛細管中液體高度又增加了Δh2-0，包含水平毛細管的層數(shù)為n2-0，由于豎向迂曲毛細管內(nèi)重力的作用造成Δh1-0>Δh2-0及n1-0>n2-0；然而Δh1-0范圍內(nèi)的水平毛細管在2Δt時間內(nèi)水分擴散長度為l2，Δh2-0范圍內(nèi)的水平毛細管擴散長度為l1；圖12(c)表示，在3Δt時間內(nèi)，豎向毛細管中液體高度又增加了Δh3-0，包含水平毛細管的層數(shù)n3-0，由于豎向迂曲毛細管內(nèi)重力的作用造成Δh1-0>Δh2-0>Δh3-0及n1-0>n2-0>n3-0，Δh1-0范圍內(nèi)的水平毛細管在3Δt時間內(nèi)水分擴散長度為l3，Δh2-0范圍內(nèi)的水平毛細管擴散長度為l2，Δh3-0范圍內(nèi)的水平毛細管擴散長度為l1；圖12(d)表示，在4Δt時間內(nèi)，豎向毛細管中液體高度又增加了Δh4-0，包含水平毛細管的層數(shù)為n4-0，由于豎向迂曲毛細管內(nèi)重力的作用造成Δh1-0>Δh2-0>Δh3-0>Δh4-0及n1-0>n2-0>n3-0>n4-0，依次類推；因此出現(xiàn)了自發(fā)滲吸過程中水分運移距離隨時間的增加而增加，增加速率逐漸減小的現(xiàn)象。

4 受載含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離測試結(jié)果與分析

按照受載含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離的測試流程，測試不同吸附平衡壓力(0.74，1.5，2.5 MPa)、不同受載應力(0，5，10，15 MPa)條件下實驗煤樣內(nèi)各測點的突變時間，根據(jù)同一層內(nèi)測點突變時間的平均值獲得水分運移距離隨時間的變化規(guī)律。

4.1 應力對受載含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離的影響

通過對同一層內(nèi)不同測點的突變時間求平均值，即可獲得不同受載應力下受載含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離隨時間的變化規(guī)律，如圖13所示。

圖13 含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程中水分運移距離隨時間的變化規(guī)律Fig.13 Variation of the water transport distance duringspontaneous imbibition in gas-bearing coal with time

等壓滲吸過程中，同一吸附平衡壓力、同一受載應力條件下，水分運移距離隨著時間的增加而增加，然而增加的速率逐漸減小。由于隨著時間的增加，水分的重力逐漸增加，導致水分運移距離的增加速率逐漸減小，其原因如圖12所做的解釋；等壓滲吸過程中，同一吸附平衡壓力條件下，水分運移距離隨受載應力的增加而增加，其原因如圖11所做的解釋。

4.2 受載不含/含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離的差異性分析

受載不含/含瓦斯煤(0，0.74，1.5，2.5 MPa)自發(fā)滲吸過程水分運移距離隨時間的變化曲線如圖14所示。

由圖14可知，同一受載應力條件下，水分運移距離隨滲吸時間的增加而增加，增加的速率逐漸減小。因為隨著時間的增加，水的重力逐漸增加；等壓滲吸過程中，同一受載應力條件下，同一時間，水分運移距離隨著吸附平衡壓力的增加而增加，即吸附平衡壓力越大，滲吸得越快。在同一受載應力條件下，相同的滲吸時間內(nèi)，吸附平衡壓力2.5 MPa試樣的水分運移距離最大，其次是吸附平衡壓力1.5，0.74 MPa，最小的是常壓條件下試樣的水分運移距離。含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離大于不含瓦斯煤的水分運移距離，其原因如下：① 實驗是在等壓滲吸的條件下進行的，自發(fā)滲吸過程中煤樣罐內(nèi)壓力始終不變，吸附平衡壓力對多分支毛細管束模型中兩端開放的水平毛細管，從一端向另一端滲吸影響不大，對于從兩端同時吸水的水平毛細管，水平毛細管會出現(xiàn)封堵效應；② 對于多分支毛細管束模型中一端封閉的水平毛細管(圖15)，水的自發(fā)吸入會壓縮毛細管內(nèi)的氣體，毛細管內(nèi)的壓縮氣體會給水的吸入帶來一個反作用力，該作用力與毛細管周圍的壓力差為Px。對于一端開放的水平毛細管，滲吸過程中受毛細管力、黏性力，壓縮氣體的反向作用力，如式(5)所示：

(5)

式中，σs為表面張力，N/m；μ為黏度，Pa·s；θ為接觸角，(°)；L為毛細管的長度，m。

由于實驗過程是等溫的，根據(jù)氣體狀態(tài)方程可得式(6)，由于壓縮因子差別不大，可忽略壓縮因子的影響。

PwL=(Pw+Px)(L-x)

(6)

其中，x為吸入水的長度，m；L-x為壓縮氣體的長度，m。將式(6)代入式(5)可得

(7)

對式(7)進行無因次處理，令t*=t/T，x*=x/l，T為水平毛細管達到平衡需要的時間，l為毛細管力與黏滯力平衡時液柱的長度。

(8)

由式(8)可得

(9)

將式(9)，t*=t/T及x*=x/l代入式(7)可得

(10)

式中，t*為無因次時間；x*為無因次長度。

將式(10)兩邊同時除以Pc=(2σscosθ)/r，式(10)可變化為

圖14 受載不含瓦斯煤與含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程水分運移距離對比Fig.14 Comparison of the water transport distance during spontaneousimbibition in loaded non gas-bearing coal and gas-bearing coal

圖15 一端封閉的毛細管自發(fā)吸水示意Fig.15 Schematic diagram of spontaneous imbibition ofcapillary with one end closed

(11)

令Pw/Pc=λ，則式(11)可變化為

(12)

對式(12)進行求解可得

(13)

圖16 一端封閉的毛細管無因次自發(fā)滲吸長度Fig.16 Dimensionless spontaneous imbibitionlength of capillary with one end closed

對λ賦值，同時對式(13)進行求解可得圖16。由圖16可知，隨著毛細管周圍的壓力與毛細管力比值的增加，水平毛細管內(nèi)吸水長度逐漸減小，x*和t*均減小。對于底水自發(fā)滲吸多分支毛細管束，氣體壓力越大，多分支毛細管束模型中一端封閉的水平毛細管吸水長度越小，減小了水平毛細管的滲吸時間，多分支毛細管束模型中豎向毛細管所占用的滲吸時間就多，導致多分支毛細管束模型中豎向毛細管的吸水高度大。由理論分析可知，等壓滲吸過程中，吸附平衡壓力越大，水分在多分支毛細管束模型的豎向毛細管中運移越快，水分在多分支毛細管束模型的水平毛細管中吸液長度越短。由于多分支毛細管束模型中水平毛細管由微小孔組成，因此等壓滲吸過程中，吸附平衡壓力越大，微小孔的濕潤效果越差。等壓滲吸過程中，吸附平衡壓力越小，水分在多分支毛細管束模型的豎向毛細管中運移越慢，水分在多分支毛細管束模型的水平毛細管中吸液長度越長。因此，等壓滲吸過程中，吸附平衡壓力越小，微小孔的濕潤效果越好。

本文的實驗過程相似模擬了水侵技術(shù)中毛細自發(fā)侵入煤體的過程，實驗結(jié)果為了解外加水分毛細自發(fā)滲吸治理煤層瓦斯及抑制開采過程煤塵的產(chǎn)生提供了一個新的視角。在工程應用中，采用煤層注水治理瓦斯及粉塵時，應適當調(diào)整注水工藝，給予煤體充分的潤濕時間。對于瓦斯壓力高的低滲煤層，可以采用壓裂技術(shù)先行、注水滲吸及瓦斯抽采技術(shù)作為補充治理煤層瓦斯及抑制開采過程煤塵的產(chǎn)生。壓裂措施(氣相壓裂、爆破壓裂等)將煤層破裂成無數(shù)個尺度較小的塊體，大幅度增加了煤體與水的接觸面積，同時減小了煤層瓦斯壓力。而后將注水滲吸技術(shù)及瓦斯抽采技術(shù)聯(lián)合實施，水分在毛細管力、重力及瓦斯壓力的作用下發(fā)生滲吸，一方面置換出吸附態(tài)瓦斯變成游離態(tài)瓦斯，游離態(tài)瓦斯在抽采負壓的作用下流入瓦斯抽采管路。另一方面，壓裂措施使煤層的瓦斯壓力降低，增加了水分對煤體孔隙的濕潤效果，從而降低瓦斯災害及粉塵災害發(fā)生的可能性。

5 結(jié) 論

(1)水分逐漸侵入煤體，水分與煤成為一個體系，煤樣的電阻率會發(fā)生突變、快變、漸變，不同受載應力條件下(0～15 MPa)的煤樣吸附瓦斯量差別不大。

(2)受載煤自發(fā)滲吸過程中水分運移距離隨滲吸時間的增加而增加，增加的速率逐漸減小。在一定的受載應力范圍內(nèi)，受載應力越大，多分支毛細管束模型中豎向迂曲毛細管平均孔徑越小，豎向迂曲毛細管中水分的運移距離越大，多分支毛細管束模型中水平毛細管的濕潤層數(shù)越多。

(3)等壓滲吸過程中，同一受載應力、同一時間條件下，受載不含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程中水分運移距離小于受載含瓦斯煤自發(fā)滲吸過程中水分運移距離。等壓滲吸過程中，對于水分的運移距離，吸附平衡壓力大的試樣大于吸附平衡壓力小的試樣；一端封閉的水平毛細管及兩端開放且從兩端同時滲吸的水平毛細管，會出現(xiàn)封堵效應。

(4)一端開放的孔從開放端向封閉端擴散，封閉端產(chǎn)生封堵效應。毛細管周圍的氣體壓力越大，封堵效果越明顯，吸水長度越短，豎向迂曲毛細管吸水越快。等壓滲吸過程中，瓦斯壓力越小，多分支毛細管束模型中豎向迂曲毛細管吸水越慢，多分支毛細管束模型中水平毛細管吸水長度越長，水分對微小孔的潤濕效果越好。