等压泄压装置测试含瓦斯煤渗吸效应可行性研究*

岳基伟，王兆丰,2，樊亚庆，陈金生,2，李皓伟

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000； 2.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南 焦作 454000)

0　引言

针对煤层低渗透条件，国内外学者开展了一系列水力化措施，如水力冲孔[1]、水力压裂[2]、水力割缝[3]、水力挤出[4]、水力掏槽[5]，其一方面增加了煤层透气性，提高了瓦斯抽采率；另一方面增加了煤体的水分，水分对煤中瓦斯产生驱替、置换、抑制作用，影响煤中瓦斯解吸。赵东[6]、李树刚[7]、肖知国[8]、陈向军[9]对煤层注水抑制瓦斯解吸效应进行了一些定性和定量研究，但其注水方式是加压注水综合作用的过程。王兆丰[10]、陈金生[11]等克服高压注水方式的缺陷，采用等压加水装置，单独研究水分对含瓦斯煤的渗吸效应，遗憾的是水分进入煤体后煤样罐内的瓦斯压力升高，导致置换出的瓦斯一部分被重新吸附，重新吸附的瓦斯会使微孔隙内瓦斯压力增高，阻碍水分在煤体中的运移，其不能准确模拟水分对煤层瓦斯的渗吸效应。研究含瓦斯煤渗吸效应可为明晰水力化措施防突机理提供理论指导。

目前主要通过安全阀来保证系统处于等压环境，安全阀一般安装在封闭系统的设备或管路中，可依据系统的压力变化自动的开启或者关闭，保护系统的安全[12]。目前泄压装置可以分为重锤杠杆式、弹簧式[13]，重锤杠杆式安全阀笨重、开启压力大且不易关闭等缺点[14]，弹簧式安全阀弹簧的阻尼过大会造成泄压过小，弹簧的阻尼过小会造成泄压过大[15]。

鉴于此，作者拟采用等压泄压装置，对含瓦斯煤在不同吸附平衡压力、不同含水率时的渗吸效应进行测试分析，以期为测试含瓦斯煤渗吸效应提供一种新的装备。

1　等压泄压及渗吸实验

1.1　等压泄压装置

等压泄圧装置是通过内置胶皮软管的张开、闭合来实现稳压作用，由于胶皮软管的壁厚较薄，胶皮软管能够实现快速的张开、闭合，对压力的灵敏度高，其作用原理是首先向等压装置中加入一定量的水，直至水能够淹

没胶皮软管，然后充入一定量的高压气体P0，利用水的不可压缩性，高压气体P0作用于水，水将胶皮软管压紧。外来气体P1通过等压装置时，当P1>P0，胶皮软管张开，外来气体P1通过胶皮软管排出，直至P1≤P0时，胶皮软管闭合，外来气体P1不能通过，等压泄压装置如图1所示。

图1　等压泄压装置Fig.1　Isobaric pressure relief device

1.2　渗吸实验装置

渗吸实验装置如图2所示，其主要包括以下6个单元：真空脱气单元、恒温单元、压力监控单元、充气吸附平衡单元、等压泄压单元、解吸单元。

1. 高压甲烷气瓶；2. 参考罐；3. 真空泵；4. 真空计；5，15. 数据采集器；6，7，13. 压力传感器；8. 可旋转针阀；9. 煤样罐；10. 型煤； 11. 尖端铁块；12. 储水玻璃瓶；14. 恒温水浴；16. 胶皮软管；17. 等压泄压装置；18. 解吸仪；a～i. 阀门；j～l. 三通。图2　渗吸实验装置Fig.2　The imbibition experimental device

1.3　渗吸实验步骤

1)将采集的新鲜煤样粉碎，筛选出粒径为0.25～0.5 mm、0.2～0.25 mm和小于0.2 mm的煤样，按照2∶1∶1的比例添均匀混合，添加20%的蒸馏水，充分搅拌，加入模具中；采用伺服压力机进行压制，压力为200 kN，稳压30 min，型煤的尺寸为φ50 mm×80 mm，中心孔洞尺寸为φ22 mm×80 mm，型煤中心预留孔洞，为了放入储水玻璃瓶。

2)将型煤放入GRX-9053A型热空气消毒箱中干燥，在105℃下干燥，每隔0.5 h进行称重，直至质量不变，视为干燥完成；将储水玻璃瓶加入水，加入水的量根据实验设置的含水率以及型煤质量决定(即型煤干燥后的质量乘以实验设置的含水率)，加入水后如果玻璃瓶还有剩余的空间，用液体石蜡进行填充，待石蜡凝固后，用A-B胶对固体石蜡上表面以及储水玻璃瓶盖进行密封；往型煤中心孔洞中依次放入带尖端的铁块、密封好的储水玻璃瓶。

3)对系统进行抽真空，抽至20 Pa以下时，关闭相应阀门c，打开阀门a，由高压甲烷气瓶1对参考罐2进行充气，待参考罐压力稳定后(由压力传感器6监测可得)，关闭阀门a。打开阀门b，e，g向煤样罐9充气，使煤样达到吸附平衡压力，关闭阀门b，e，g，吸附平衡时间不少于12 h。

4)向等压泄压装置17中加入水直至淹没装置内的胶皮软管16，通过打开高压甲烷气瓶1对参考罐2进行充气，待参考罐压力稳定后(由压力传感器6监测可得)，打开阀门b，d，i向等压泄压装置17充气，使等压泄压装置17的压力稳定到煤样吸附平衡压力。

5)煤样吸附平衡后，利用煤样罐9上部可旋转针阀8将内置的储水玻璃瓶12挤压，通过下部铁块尖端11将储水玻璃瓶打破，储水玻璃瓶12中水分等压加入煤样10中。

6)水分进入含瓦斯煤体的同时，打开煤样罐9与等压泄压装置17连接处g，f阀门，当煤样罐9内的压力超过吸附平衡压力时，等压泄压装置17打开，置换出的瓦斯逸散到煤样罐外；低于吸附平衡压力时，等压泄压装置17关闭，通过等压泄压装置17的打开、关闭，保证煤样罐内9的压力是一个相对稳定的值。通过与等压泄压装置17相连接的解吸仪18对排出的瓦斯进行收集，每隔一定时间记录解吸量，当2个小时内的解吸量小于0.007 mL/g时，视为实验结束。

2　等压泄压装置的可行性测试

等压泄压装置的可行性测试是指在一定时间内、在一定条件下保证煤样罐压力恒定的能力。按照上述渗吸实验步骤，测定等压泄压装置在含水率为2%，4%，6%，8%及10%，瓦斯压力为1，1.5，2，2.5，3 MPa条件下的装置内部的稳定压力；根据等压泄压装置测试结果，计算等压泄压装置的可行性。等压泄压装置的可行性R表示稳定压力P1与初始压力P0的比值，%，P0吸附平衡压力，MPa；P1渗吸开始后煤样罐的稳定压力，MPa，可行性测试结果如图3所示。

图3　等压泄压装置稳定后压力及可行性测试结果Fig.3　The stable pressure and feasibility test result of isobaric pressure relief device

由图3可知，对于初始压力为1，1.5，2，2.5 MPa，无论含水率为2%，4%，6%，8%及10%的测试，其稳定后压力分别为0.98，1.48，1.98，2.48 MPa；对于初始压力为3 MPa，含水率分别为2%，4%，6%，8%及10%的测试，稳定后压力分别为2.98，2.98，2.98，2.97，2.97 MPa；因此，由图3可知等压泄压装置的可行性R在98%～99.3%范围内波动，等压泄压装置可行性较高，其能够满足实验要求。

3　等压和非等压泄压环境下渗吸效应测试结果与分析

等压环境即图2中所描述，非等压环境即外加水分置换的瓦斯不能及时排出(不包含图2中的等压泄压装置)。不同含水率、不同吸附平衡压力下等压与非等压环境下瓦斯最大置换量，如图4、图5所示。

图4　不同含水率下等压与非等压环境最大置换量的对比Fig.4　Comparison of maximum displacement between isobaric and non isobaric environments at different moisture content

由图4可知，相同吸附平衡压力下，等压环境下的最大置换量比非等压环境下的最大置换量大，非等压环境下置换出的一部分瓦斯会因煤样罐内的压力的升高而重新吸附，其会使微孔内压力增高，微孔内瓦斯压力的增高阻碍水分在孔隙中的运移，影响置换效果，造成测试数据偏小。

随着含水率的增加，最大置换量的差值幅度有逐渐减小的趋势，因为煤对瓦斯的吸附能力随着含水率的增加逐渐降低，煤样含水率越大，非等压环境下因封煤样罐内压力升高引起重新吸附的瓦斯量越少。

图5　不同吸附平衡压力下等压与非等压环境最大置换量的对比Fig.5　Comparison of maximum displacement between isobaric and non isobaric environments at different adsorption equilibrium pressures

由图5可知，相同含水率下，等压环境下的最大置换量比非等压环境下的最大置换量大，这也是非等压条件下煤样罐内压力升高所产生的影响。相同含水率下随着吸附平衡压力的增大，最大置换量的差值逐渐减小，吸附平衡压力越大，瓦斯分子在煤体表面占据的吸附位就越多，排列的更加稠密，吸附能力越大，非等压环境下置换出的瓦斯重新吸附的难度增大，重新吸附的量也会随之减少。

由最大置换量的差值可知，等压环境下的最大置换量比非等压环境下的最大置换量大，研究外加水分对煤中瓦斯置换效应，需在等压环境下进行，其能够更准确的评价置换效果，得出的结果更具有工程指导意义。

4　结论

1)等压泄压装置的可行性R在98%～99.3%之间，其灵敏度高，能够用于测试含瓦斯煤渗吸效应。

2)采用等压泄压装置测试含瓦斯煤渗吸效应，其最大置换量大于非等压环境下的最大置换量。相同吸附平衡压力下，随着含水率的增加，最大置换量的差值有减小的趋势。相同含水率下，随着吸附平衡压力的增加，最大置换量的差值亦有减小的趋势。

3)采用等压泄压装置测试含瓦斯煤渗吸效应，排除了因煤样罐瓦斯内压力升高出现的反吸附的现象，其为研究含瓦斯煤渗吸效应提供可靠的工具，使得到的研究结果更具有工程意义。

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