覆压及水分对含瓦斯煤体渗吸特性的影响研究*

孙永鑫，王兆丰,尉 瑞，岳基伟，陈海栋

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000;2.山西中煤华晋集团有限公司 王家岭煤矿，山西 运城 043300)

0 引言

煤层注水是煤矿井下最有效的工作面防尘措施。通过向煤体注入压力水，使水分充分湿润煤体，能有效降低粉尘的生成量。随着对煤层注水的深入研究，学者们发现煤层注水能促进瓦斯解吸，降低煤层瓦斯含量[1]。煤层注水对瓦斯解吸特性的影响主要表现为压力水对瓦斯的驱替作用和渗吸过程中水对瓦斯的置换作用[2-6]，其中，驱替只存在于注水阶段，而渗吸在停止注水后仍会对瓦斯的解吸造成影响[7-8]。因此，对含瓦斯煤体渗吸特性的研究可为明确注水消突机理提供理论指导。

渗吸是指在毛细管力作用下，湿润相流体进入多孔介质并排出非湿润相的过程。陈向军等[9]通过煤体注水的实验，发现外加水分能够置换吸附的瓦斯，且外加水分越大，水分对吸附瓦斯的置换量和置换率越大；王兆丰等[10]通过等压吸水试验研究了含瓦斯煤体的渗吸效应，结果表明，煤样罐中的瓦斯压力在煤体吸水后会开始增大；瓦斯置换量和渗吸率会随着含水率的增加而增大，且存在1个可使渗吸效应最强的极限含水率；陈金生[11]开展了不同变质程度含瓦斯煤体渗吸效应实验研究，分析了水分、吸附平衡压力和变质程度等因素对渗吸过程中瓦斯解吸的影响；陈海栋等[12]利用煤层高压注水模拟实验装置，分析了外加水分对软硬煤瓦斯解吸特征的影响；赵东等[13]通过不同条件下煤体注水实验，发现煤体的孔隙分布、瓦斯压力、注水压力等都会影响煤体内部瓦斯解吸；傅贵等[14]通过渗吸实验，发现影响煤体吸收纯水速度的主要因素是煤体的平均毛细管力和过渡孔与半大孔的孔隙的总体积。

以上研究均表明，煤层注水会影响瓦斯的解吸特征，现有的研究重点分析了外加水量、注水压力和煤体的变质程度对煤体渗吸特性的影响。在实际工程应用中，煤层注水前煤体吸附着大量的瓦斯，在注水后，由于水分的影响促进了瓦斯的解吸，且随着矿井开采深度的不断增加，煤层受到的上覆压力也在不断增加，而目前关于覆压对煤体渗吸特性的影响研究较少。基于此，本文通过外加水分等压渗吸实验装置，对吸附平衡后的重塑煤体开展不同覆压、不同水分含量条件下的渗吸特性实验研究。

1 实验方法及过程

1.1 煤样的制备及基本参数测试

实验煤样选用焦作古汉山矿二1煤。该矿为煤与瓦斯突出矿井，最大瓦斯含量18.88 m3/t，最大瓦斯压力为1.75 MPa，结合该矿实际条件，选用吸附平衡压力1.5 MPa。现场采集新鲜煤样装入密封袋，在实验室将采集的新鲜煤样粉碎和筛选，筛选出粒径为0.25 mm以下和0.25～0.5 mm的煤样；将筛选出来的煤样放置于105 ℃的干燥箱中干燥12 h，完成后冷却至室温；将粒径0.25 mm以下和0.25～0.5 mm的煤粉按照质量比1∶2混合，加入适量蒸馏水，在搅拌均匀后用压力机在90 MPa下对煤样进行分层压制，完成后放入干燥箱中烘干备用。同时，根据GB/T 212—2008对煤样的基本物性参数进行了测定，测试结果见表1。

表1 煤样工业分析Table 1 Industrial analysis of coal sample %

1.2 实验设备及原理

实验所用的设备为自主设计研发的含瓦斯煤体等压渗吸实验系统，该系统主要由覆压加载模块、真空脱气模块、吸附/等压解吸模块、等压加水模块及电阻率测试模块组成，如图1所示。

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

该实验系统可实现不同覆压及水分含量条件下对煤样的吸附、等压解吸以及对煤体电阻率的测定功能。其中，煤体不同水分含量的实现是指利用平流泵、吸水杯、阀门5及阀门6的控制向煤体中加入不同质量的水分，且这些水分在自重作用下将全部进入煤体；等压解吸是指通过压力探头P3和电磁阀V1的控制来实现煤体在设定的恒定压力下的解吸；电阻率测定功能的原理是将电极片通过分层压制煤样的方法安装在煤体不同高度处，根据干燥煤体和湿润煤体电阻率的不同，来反映煤体中外加水分的渗吸距离。

其中，为方便计算电阻率，假定煤体中的电阻测段为1长度为8 mm，直径为电极线直径的圆柱体，其电阻率通过公式(1)计算而得：

(1)

式中:ρ为材料电阻率，Ωm；R为材料电阻，Ω；S为材料横截面积，m2；l为材料长度，m。

1.3 实验步骤

选择吸附平衡压力为1.5 MPa，覆压大小为6，9，12，15 MPa，外加水分含量为6%，9%，12%，15%来开展含瓦斯煤的等压渗吸实验，具体实验过程：

1)施加覆压。打开电脑上的实验操作系统，开启覆压泵，给煤样罐中的重塑煤体施加覆压条件。

2)对煤样抽真空。打开真空泵阀门，开启真空泵对煤样罐抽真空，当罐内压力低于30 Pa后关闭真空泵阀门和真空泵。

3)瓦斯吸附平衡。打开阀门2，向煤样罐中充入浓度为99.999%的甲烷，使煤样吸附平衡，吸附平衡时间不低于12 h，结束后关闭阀门2。

4)向吸水杯中加水。打开手动阀3和阀门4，在平流泵上设置流速10 mL/min，根据煤样质量和外加水分含量可计算出平流泵向吸水杯中注入的水分总量，并在平流泵上进行设置，启动平流泵。注水完成后关闭阀门3和阀门4。

5)对煤样进行注水。打开阀门5，使吸水杯和煤样罐的压力一致。打开阀门6，此时水在自重作用下由吸水杯进入煤样罐，并逐渐全部进入煤体。

6)开始实验并记录实验数据。在阀门6打开后迅速设置解吸压力并打开自动阀门，此时水分置换的瓦斯将被气体计量仪记录并保存。同时，水分进入煤体到达电极片测点位置后将被电阻率测试装置检测到煤体电阻突变并记录时间。

7)结束实验。当气体计量仪示数长时间不再变化时视为渗吸结束，保存数据并关闭系统所有打开的阀门。

2 实验结果及分析

2.1 覆压对含瓦斯煤体渗吸特性的影响

2.1.1 覆压对含瓦斯煤体渗吸距离和速度的影响

在渗吸过程，煤样不同测点处电阻先后发生突变，根据各测点与渗吸初始界面的距离和各测点突变的时间，采用origin对其拟合，即可得到不同条件下含瓦斯煤样渗吸距离随时间的变化趋势，如图2所示。

图2 不同覆压条件下渗吸距离与时间的关系Fig.2 Relationship between imbibition distance and time under different overburden pressures

由于实验数据繁多，以外加水分含量为12%不同覆压条件下煤样的渗吸特性为例，分析覆压对煤体渗吸特性的影响。

由图2(c)可知，在外加水分含量为12%、覆压为6，9，12，15 MPa条件下，水分自上而下渗吸距离为30 mm时，所用的渗吸时间分别为152，141，130，119 min，覆压6 MPa与9，12，15 MPa煤样的渗吸时间差分别为11，22，33 min；水分渗吸距离为150 mm时，所用渗吸时间分别为1 258,1 197,1 118，1 060 min，覆压6 MPa与9,12，15 MPa煤样的渗吸时间差分别为61,140，198 min。由此可知，在相同外加水分条件下，水分达到相同渗吸的距离所用时间随着覆压的增大而减小，即渗吸速度随着覆压的增大而增大；通过渗吸距离随时间的变化曲线可知，随着渗吸时间的延长，水分在煤样中的渗吸速度逐渐变小。

分析上述现象的原因主要是由于毛细管中液体上升(下降)的高度会随着其直径的减小而增大，而覆压的增大会导致煤样孔隙率的下降，即覆压的增大会导致煤样中毛细管直径的减小。因此，渗吸过程中，不同覆压下，渗吸速度会随着覆压的增大而增大。随着渗吸时间的增加，同一覆压下煤体的渗吸速度逐渐下降，这主要是由于煤体中的水分会随着渗吸距离的延长而逐渐减少所造成的。

2.1.2 渗吸过程中覆压对煤体瓦斯解吸的影响

由上述分析可知，不同覆压条件下受载含瓦斯煤体的渗吸速度有所不同。同时，水分的进入可以置换出煤体的瓦斯，通过实验设备中的等压解吸系统，可对水分置换出的瓦斯量进行计量，从而得到不同覆压条件下瓦斯置换量随时间的变化曲线。当外加水分含量为12%时，不同覆压条件下瓦斯置换量随时间的变化曲线如图3所示。

图3 覆压对渗吸过程中瓦斯置换量的影响Fig.3 Influence of overburden pressure on gas replacement amount during imbibition process

由图3可知，煤样在外加水分含量为12%条件下，覆压从6 MPa增加至9 MPa时，实验结束时最大瓦斯置换量从4.1 cm3/g增加至4.32 cm3/g，增幅为5.4%；当覆压从9 MPa增加至12 MPa时，最大瓦斯置换量从4.32 cm3/g增加至4.68 cm3/g，增幅为8.3%；当覆压从12 MPa增加至15 MPa时，最大瓦斯置换量从4.68 cm3/g增加至5.2 cm3/g，增幅为10%。覆压15 MPa比覆压6 MPa条件下的最大瓦斯置换量增加了27%。

显然，在外加水分不变条件下，瓦斯置换量随着覆压的增大而增大。且水分在渗吸过程中置换出来的瓦斯量随着时间的变化分为3个阶段：快速增加阶段，水分的进入置换出大量瓦斯，不同覆压条件下瓦斯置换量差别不大；缓慢增加阶段，瓦斯置换量随覆压的增加而增加，且这种趋势越来越明显；维持稳定阶段，此时，随着时间的增加，瓦斯置换量逐渐保持稳定。

通过上述分析可知，在井下对煤体实施煤层注水等水力化措施后，由于渗吸作用，水分会在煤体中继续运移并置换煤体中的瓦斯，降低煤层瓦斯含量。在一定覆压范围内，水分对瓦斯的置换量随着覆压的增加而增加，在应用煤层注水等水力化措施时，要充分考虑到煤层埋深及采动对煤体覆压的影响，从而合理地调整煤层注水参数。

2.2 水分对含瓦斯煤体渗吸特性的影响

由于实验数据较多，以覆压为12 MPa，外加水分质量分别为煤样质量的6%，9%，12%，15%的条件下的含瓦斯煤样渗吸实验数据为例进行分析。

2.2.1 水分对含瓦斯煤体渗吸距离和速度的影响

在覆压12 MPa，不同外加水分含量条件下，含瓦斯煤样的渗吸距离随时间的变化趋势如图4所示。

图4 不同外加水分条件下渗吸距离与时间的关系Fig.4 Relationship between imbibition distance and time under

从图4可看出，覆压12 MPa，外加水分为煤样质量6%的条件下，外加水分渗吸距离为30，70，110，150 mm时，所对应的渗吸时间分别是155,374,649,1 466 min；外加水分为煤样质量15%的条件下，当外加水分渗吸距离为30，70，110，150 mm时，所对应的渗吸时间分别为114，283，550，1 071 min。由此可知，在相同覆压，不同外加水分条件下，水分自上而下到达同一渗吸的距离时所用的时间，随着外加水分的增大而减小，即渗吸速度随着外加水分的增大而增大；随着渗吸时间的继续增加，水分在煤样中的渗吸速度逐渐变慢。

分析上述现象的原因可知，在自上而下渗吸中，水分在煤体中的渗吸动力主要为重力和毛细管力。在同一覆压条件下，渗吸速度随着外加水分的增大而增大，这主要是由于重力的不同而产生的。水分从煤样顶部向下运移过程中，一部分外加水分被煤体以吸附态或游离态所束缚而无法继续向下移动。因此，当水分运移至煤体同一位置时，外加水分较多时未被煤体束缚的水分也较多，重力对其向下运动的促进作用也更加明显。随着渗吸时间和距离的延长，未被煤体束缚的自由水分逐渐减少，渗吸作用逐渐衰减，渗吸速度逐渐变慢。

2.2.2 渗吸过程中水分对煤体瓦斯解吸的影响

在覆压12 MPa、不同外加水分条件下，渗吸过程中的瓦斯置换量随时间的变化曲线如图5所示。

图5 外加水分对渗吸过程中瓦斯替换量的影响Fig.5 Influence of additional moisture content on gas replacement amount during imbibition process

从图5可看出，外加水分为煤样质量的6%时，随着时间的增加，瓦斯置换量从0 cm3/g逐渐增加至3.73 cm3/g左右；外加水分为9%，12%，15%条件下的瓦斯置换量随时间也分别从0逐渐增加至4.32，4.68，5.25 cm3/g。外加水分15%条件下的瓦斯置换量比外加水分为6%时增加了40%左右。因此，在相同覆压条件下，瓦斯置换量随着外加水分的增大而增大。由前文分析可知，外加水分的增加，导致当渗吸时间相同时，水分渗吸距离的增大，从而水分可置换出更多煤体中的瓦斯。同时，水分子的增多，会占据煤样中更多的空间与吸附位，由此置换出更多的瓦斯。

通过上述分析可知，在煤层注水时，适当地增加注水量能够增加水分在煤体中的渗吸速度，扩大水分对煤体的润湿范围，从而置换出更多的瓦斯。

3 结论

1)在相同外加水分、不同覆压条件下，水分在煤体中到达相同渗吸距离所用时间随覆压的增大而减小，即渗吸速度随覆压的增大而增大；随渗吸时间的延长，水分在煤样中的渗吸速度逐渐减小。

2)在相同覆压，不同外加水分条件下，水分在煤体中的渗吸速度随外加水分的增大而增大；随渗吸时间的延长，水分在煤样中的渗吸速度逐渐减小。

3)渗吸过程中水分置换出来的瓦斯量随时间变化分为3个阶段，在第1 个阶段覆压和外加水分的变化对瓦斯置换量影响不大，之后2个阶段瓦斯置换量随着外加水分和覆压的增大而增大，并逐渐达到1个极限值。