外加水分对软硬煤瓦斯解吸特征影响研究

陈海栋，陈蒙磊，肖知国，安丰华

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院， 河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地， 河南 焦作 454003)

0 引言

我国多数井田在开采过程中受地质构造影响较大。在构造应力作用下，煤体不仅会发生变形，而且会产生不同程度的动力变质作用，从而在同一煤层会出现微观结构差异性较大的软硬煤[1-3]。目前，有关软硬煤的研究主要偏重于从微观结构差异角度分析其吸附和解吸特性。文献[4]认为软煤表面更粗糙，且比硬煤拥有更复杂的表面孔隙结构。文献[5]认为软煤比硬煤拥有更高的分形维数。文献[6]认为软煤微孔孔体积较为发育，有利于瓦斯的储存，但构成渗透容积的大孔、中孔及裂隙发育较少。文献[7-8]认为软煤较硬煤拥有更大的比表面积，软煤吸附性能也更强。文献[9]认为同等压降条件下，软煤比硬煤解吸量更大，软煤的解吸速率更快，累计解吸量更多。文献[10]分析了不同粒度软硬煤吸附性能的差异性，认为随着粒度的减小，软硬煤吸附常数均增大，且增大的趋势随着粒度的减小而减小。文献[11]认为软硬煤孔隙结构差异是导致瓦斯扩散速度和扩散系数随粒径变化而产生差别的根本原因。文献[12]基于吸附层厚度理论，分析了软硬煤吸附机理。

除了原生微观结构会影响软硬煤吸附和解吸特性外，外部环境的改变也会对其产生影响。近年来,水力冲孔、水力割缝、水力压裂等水力化方法[13-14]被广泛作为增透措施用于高瓦斯突出煤层强化抽采，从煤矿井下瓦斯抽采角度分析，外部环境中最重要的影响因素是外加水分。已有研究表明，外加水分会对瓦斯的解吸扩散特征产生较大影响[15-16]。文献[17]认为随着注水压力的增加，最终瓦斯解吸率逐渐呈非线性规律衰减，在注水压力达到一定极值后解吸率会保持稳定。文献[18]得出了外加水分对瓦斯解吸可起到抑制作用的结论。文献[19]发现煤对瓦斯的吸附能力随着煤中水含量的增加而减小，且煤中水含量越大，瓦斯解吸越慢。文献[20]认为注水煤样的解吸等温线明显处于干燥煤样解吸等温线上方。外加水分会对煤体瓦斯解吸产生较大影响，软硬煤在不同外加水分条件下也会表现出不同的瓦斯解吸特征。

综上所述，外加水分会影响煤体瓦斯的解吸特征，而现有研究重点分析了软硬煤微观结构差异对其瓦斯吸附解吸特征的影响，而对外加水分条件下软硬煤的瓦斯解吸特征研究较少。基于此，本文采用煤层高压注水模拟实验装置开展不同外加水分条件下软硬煤瓦斯解吸实验，研究外加水分对软硬煤瓦斯解吸特征的影响。

1 高压注水实验

1.1 实验方法

1.1.1 煤样制备与基本物性参数测试

实验煤样取自河南焦煤集团古汉山煤矿。该矿二1煤层由于受地质构造的影响，软硬煤分层现象明显。软煤分层坚固性系数为0.21，硬煤分层坚固性系数为1.46。现场采集软硬煤煤样后放入密封袋，带回实验室分别对软硬煤煤样进行粉碎和筛选，制成粒径为0.2～0.25 mm颗粒煤。将制作好的颗粒煤放入真空干燥箱中，在105 ℃环境中连续干燥8 h，装入密封袋放至阴凉处备用。同时，对实验煤样的基本物性参数进行了测试，测试结果见表1。

表1 实验煤样基本物性参数Table 1 Basic physical property parameters of experimental coal samples

1.1.2 实验仪器

实验仪器采用自主研制的煤层高压注水模拟实验装置，装置主要由真空脱气模块、吸附/解吸模块、恒温水浴模块及高压注水模块等组成，如图1所示。

1.1.3 实验方案与实验过程

选择吸附平衡压力为0.75，1.40，2.10，2.80 MPa，外加水分含量为0，10%(左右)，20%(左右)开展软硬煤瓦斯解吸正交实验。

具体实验过程如下：

(1) 煤样抽真空：称取质量为60 g的干燥煤样，放入煤样罐中；开启恒温水浴，设定水浴温度为40 ℃；启动真空泵，对整个系统抽真空，抽真空时间不少于12 h。

1-高压CH4；2,5,6,9,15-阀门；3-参考罐；4,11,12,16-压力表；7-真空泵；8-真空计；10-解吸仪；13-煤样罐；14-恒温水浴；17-平流泵。图1 煤层高压注水模拟实验装置组成Fig.1 Composition of coal seam high pressure water injection simulation experimental device

(2) 瓦斯吸附平衡：对煤样罐充入纯度为99.999%的CH4，进行瓦斯吸附平衡，吸附平衡时间不少于12 h，记录吸附平衡压力及温度。

(3) 对煤样进行高压注水：将一定量的蒸馏水倒入烧杯中并称重，记为m1；利用平流泵将烧杯中的蒸馏水注入煤样罐中；设定注水压力比吸附平衡压力大1 MPa，注水流量为2 mL/min，根据煤样质量及所设定需注入的外加水分含量确定注水时间。

(4) 外加水分含量的确定：注水结束后，称量烧杯及剩余蒸馏水的质量，记为m2；所注入水的质量即为m1-m2；根据煤样质量及所注入水的质量确定外加水分含量。

(5) 注水后的瓦斯吸附平衡：注水结束后，继续对煤样罐进行瓦斯吸附平衡，直至煤样罐压力表读数不再变化。

(6) 煤样解吸：打开煤样罐出气口阀门，当压力表读数为0时，立刻连接解吸仪进行瓦斯解吸，记录瓦斯解吸量、温度及大气压力。

1.2 实验数据处理

为使实验数据具有可比性，需将实验过程中所记录的解吸量换算成标准状态下的解吸量，换算公式为

(Pa-9.81hw-PS)×Q′(t)

(1)

式中：Q(t)为标准状态下t时刻瓦斯累计解吸量，mL/g；T1为实验过程中解吸仪量筒内溶液的温度，℃；Pa为大气压，Pa；hw为实验过程中所测定的解吸仪量筒液面高度，mm；Ps为温度为T1时的饱和水蒸气压力，Pa；Q′(t)为室温下t时刻所测定的瓦斯累计解吸量，mL/g。

2 实验结果分析

由于实验数据较多，鉴于篇幅限制，只列出吸附平衡压力为0.75，2.80 MPa的实验数据。

2.1 外加水分对软硬煤瓦斯解吸量的影响

不同吸附平衡压力、不同外加水分含量条件下软硬煤瓦斯解吸实验结果如图2、图3所示。

(a) 吸附平衡压力为0.75 MPa

从图2可看出，软煤试样在吸附平衡压力为0.75 MPa，外加水分含量分别为0，10.68%和18.89%时，120 min内瓦斯解吸总量分别为7.48，5.74，4.23 mL/g；外加水分含量从0增加至10.68%和18.89%时，瓦斯解吸总量分别减少27.3%和47.4%。吸附平衡压力为2.80 MPa，外加水分含量从0增加至7.86%和20.76%时，瓦斯解吸总量分别减少33.69%和73.26%。

(a) 吸附平衡压力为0.75 MPa

从图3可看出，硬煤试样在吸附平衡压力为0.75 MPa，外加水分含量分别为0，10.74%和20.80%时，120 min内瓦斯解吸总量分别为4.40，3.94，2.75 mL/g；外加水分含量从0增加至10.74%和20.80%时，瓦斯解吸总量分别减少10.45%和41.87%。吸附平衡压力为2.80 MPa，外加水分含量从0增加至10.01%和20.58%时，瓦斯解吸总量分别减少11.33%和39.57%。

根据前人已有的研究结果[21]，软煤的总孔容、总比表面积均比硬煤大数倍，说明软煤吸附能力更强，且在瓦斯解吸时能提供更多的运移通道。所以，相同条件下，软煤的瓦斯解吸量大于硬煤。此外，外加水分进入煤基质后，会产生毛管阻力，阻碍瓦斯解吸[20]，也就出现了图2和图3中出现的情况，即随着外加水分含量的增大，软硬煤的瓦斯解吸量均减小，外加水分对软硬煤瓦斯解吸均起到了抑制作用。同时，由于软煤的微孔孔容和比表面积大于硬煤，外加水分进入软煤试样后，形成的毛管阻力要远大于硬煤，即外加水分对软煤产生的解吸阻力更大，外加水分对软煤瓦斯解吸抑制效应强于硬煤。

2.2 外加水分对软硬煤瓦斯解吸速度的影响

不同吸附平衡压力、不同外加水分条件下软硬煤瓦斯解吸速度的计算结果如图4、图5所示。从图4、图5可看出，不同吸附平衡压力、不同外加水分含量条件下，软硬煤的瓦斯解吸速度都是在初始时刻最大，随着时间的延长而逐渐减小。由于软煤试样有更短的解吸路径和更多的解吸通道，所以，在吸附平衡压力相同、外加水分含量相近的情况下，软煤瓦斯解吸速度始终大于硬煤；外加水分的进入减少了软硬煤瓦斯解吸通道，随着外加水分含量的增加，软硬煤瓦斯解吸速度均呈减小趋势。当软煤试样解吸至20 min后，吸附平衡压力及外加水分对解吸速度的影响较小，随后，不同实验条件下的瓦斯解吸速度大致相同。然而，对于硬煤试样，该时间节点约延长至30 min。该结果也与前一节所分析的外加水分对软煤瓦斯解吸抑制效应强于硬煤相吻合。

(a) 吸附平衡压力为0.75 MPa

(a) 吸附平衡压力为0.75 MPa

2.3 外加水分对软硬煤扩散系数的影响

扩散系数是表征外加水分对软硬煤扩散能力影响的重要参数，其计算公式为[22]

(2)

式中：Vt为t时刻瓦斯的累计解吸量，mL/g；V为t趋向于无穷大时，瓦斯的极限解吸量，mL/g；n为基数项数;D为扩散系数，m2/s；r0为煤颗粒平均半径，m。

对式(2)进行简化[23]，得

(3)

表2 软硬煤瓦斯扩散系数计算值Table 2 Calculation values of gas diffusion coefficient of soft and hard coal

3 结论

(1) 外加水分含量、吸附平衡压力相同时，软煤瓦斯解吸量大于硬煤；随着外加水分含量的增大，软硬煤的瓦斯解吸量均减小；相同条件下，软煤的瓦斯解吸量始终大于硬煤；外加水分对软硬煤瓦斯解吸均起到了抑制作用，但对软煤的瓦斯解吸抑制效应强于硬煤。

(2) 不同吸附平衡压力、外加水分含量条件下，软硬煤的瓦斯解吸速度都是在初始时刻最大，随着时间的延长及外加水分含量的增加，呈现出减小趋势；吸附平衡压力相同、外加水分含量相近的情况下，软煤瓦斯解吸速度始终大于硬煤。

(3) 吸附平衡压力、外加水分含量对软硬煤瓦斯扩散系数影响显著；吸附平衡压力相同、外加水分含量相近的情况下，软煤的扩散系数大于硬煤；同一吸附平衡压力下软硬煤的瓦斯扩散系数均随着外加水分含量的增大而减小。