覆压-注水作用下含瓦斯煤解吸特性试验研究

肖知国 ，郝 梅 ，唐志昊 ，刘永强

（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—省部共建国家重点试验室培育基地,河南 焦作 454003；3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心, 河南 焦作 454003）

0 引 言

众所周知，地壳运动及地球引力作用在岩体内部产生地应力。地应力由自重应力、构造应力和温度应力组成，其中，自重应力最为重要，其值与上覆岩层的厚度和容重成正比。随着煤炭资源开采的不断进行，我国煤矿逐步进入深部开采阶段[1]。在深部开采时，地应力随之升高，另外，由于采掘活动影响，易形成应力集中区。在地应力作用下，易形成地应力与瓦斯的耦合作用，形成地应力主导型的煤与瓦斯突出事故。为了提高矿井瓦斯灾害防治的精准性，亟需深入了解地应力作用下含瓦斯煤的解吸特性[2]。

在瓦斯解吸特性的研究方面，国内外学者最先以干燥煤为基础，通过研究，先后形成了巴雷尔式、文特式、艾黎式、博特式、乌斯基诺夫式、王佑安式和孙重旭式等计算公式，并广泛应用于煤层瓦斯含量测定和煤与瓦斯突出预测[3]。基于Fick 扩散定律，杨其銮等[4]导出了经典扩散模型的精确解及简化式，聂百胜等[5]导出了经典扩散模型的三角函数表达式。在经典单孔隙扩散模型的基础上，RUCKENSTEIN等[6]提出双孔隙扩散模型，CLARKSON[7]和SHI 等[8]提出了改进的双孔隙模型。在水分侵入后瓦斯解吸特性的研究方面，也取得比较丰硕的研究成果。张国华[9]、赵东等[10]、陈向军[11]、聂百胜[12]、肖知国[13]和陈学习等[14]采用不同的试验方法测试了水分侵入对瓦斯的抑制解吸效应。PAN 等[15]得出基质含水率对气体的扩散速率有显著的影响。WU等[16]研究了水阻对甲烷解吸扩散的抑制作用。魏建平等[17]研究表明随着含水率增加，含瓦斯煤的渗透率逐渐减小，整体呈负指数关系。刘永茜等[18]发现随有效应力增加，煤层气渗流速度呈非线性递减，随含水率增加，煤层气渗流速度变化的应力敏感点逐步降低。蒋长宝等[19]发现随着煤样原始含水率的增加，煤样的甲烷有效渗透率减小，发生煤与瓦斯突出的危险性减小。孟雅等[20]研究了覆压下煤的孔渗性，结果表明煤样孔隙率和渗透率随着有效应力的增加按负指数函数规律降低。一些学者还进行了应力对瓦斯解吸特性影响的试验研究，何满潮等[21]研究了单轴应力-温度作用下煤中瓦斯的解吸特征，结果表明，煤样在施加围压闭合裂隙过程中，由于储气空间减少可使分布于裂隙中大量游离气体迅速排出煤体。唐巨鹏等[22]考虑三维应力作用，发现同样荷载条件下，加载时解吸量大于卸载时解吸量。

由于煤、瓦斯和水三相作用问题的复杂性，覆压-注水作用下含瓦斯煤解吸特性的研究还有很多基础工作要做，这对于弄清真实采矿环境下煤层注水等水力化防突措施对瓦斯解吸的影响有十分重要的现实意义。笔者通过向试验煤样施加覆压，同时注入水分，研究覆压-注水作用下含瓦斯煤的解吸特性。

1 试 验

1.1 煤样制备及测试

试验煤样采自焦作矿区古汉山煤矿二l 煤层，以下简称为GHS，为煤与瓦斯突出煤层。该煤层煤岩类型以光亮型-半光亮型煤为主，块状煤呈亚金属光泽，干燥无灰基挥发分4.93%～9.37%，含碳量为91.7%～93.56%，煤质为无烟煤。

在采掘工作面采集新鲜暴露的块状原煤，密封后送入试验室，原煤样在试验室破碎、筛分，选取粒度3～6 mm 的颗粒煤作为试验煤样，充分干燥后放入干燥器备用。采用扫描电镜法测试了煤样的孔隙形态，采用直接法测试了煤样与纯水的接触角，如图1所示。另外，按照GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》和GB/T 217-2008《煤的真相对密度测定方法》的要求进行工业分析和孔隙率测试，见表1。

表1 煤样特征参数测试结果Table 1 Test results of coal sample characteristic parameters

图1 煤样扫描电镜与接触角测试Fig.1 Scanning electron microscope and contact angle

1.2 试验方法

1.2.1试验装置设计

试验需要建立一个覆压作用下含瓦斯煤吸附-解吸特性的模拟测试装置，试验装置设计难点主要为吸附罐的设计，如何使其既能保持密封，又能向试验煤样传递覆压。同时，由于覆压约10 MPa，密封是一个较大的技术问题。图2 为覆压作用下含瓦斯煤吸附-解吸模拟装置及吸附罐实物经过反复论证，决定采用如下方案：试验煤样装在一个圆柱形钢制罐体中，上罐盖与罐体之间采用法兰盘进行连接，并在其中设计一个油压活塞，通过油压活塞向试验煤样施加垂直压力，通过罐体壁面向煤样施加侧向应力；为了便于操作，下罐盖也采用法兰盘进行连接，并在其上设置进气管、排气管及注水管，如图2a 所示。另外，为了保证气密性，上下法兰盘与罐体之间均采用O 型密封圈进行密封。

图2 吸附罐实物及试验装置原理Fig.2 Schematic diagram of experimental device

在试验室建立了深部开采条件下压力水对煤体瓦斯解吸特性影响的模拟测试装置，如图2b 所示，试验装置主要由等温吸附-解吸系统、地应力施加系统和高压注水系统3 个子系统组成。装置通过向试验煤样施加覆压，模拟煤层受压条件，采用平流泵向预先吸附瓦斯的试验煤样注入高压水，吸附罐可放置在恒温水浴中保持恒温。

装置中吸附-解吸系统各部件之间通过细钢管连接，试验前进行了严格的气密性检查，并标定了吸附罐、充气罐及相关管线的自由体积。主要部件性能及精度如下：压力表精度为0.25 级，解吸仪最小刻度为2 mL，真空计测压范围0.1×105～1.0×105Pa，真空泵极限压力≤2×10-2Pa，恒温水浴控温精度±0.05 ℃。注水泵流量0.01～5 mL/min，工作压力0～42.0 MPa，精度±0.5%。油压活塞工作压力1～63 MPa，工作行程70 mm。

1.2.2 试验步骤

1）选取制备好的3～6 mm 粒度煤样适量，搅拌均匀，在105 ℃下连续干燥10 h 以上，均分为12 份，放入干燥器内冷却备用。

2）煤样称重后装入吸附罐，向罐内充入高压氦气后，放入水中进行气密性检查。

3）设定水浴温度为60 ℃，打开阀门C 和阀门D，对煤样抽真空至气压低于10 Pa 时，关闭阀门C 和D。

4）重新设定水浴温度为试验温度30 ℃，打开甲烷瓶阀门和阀门A，向充气罐中充入高压甲烷至所需压力后关闭阀门A；打开阀门B、D，向煤样罐充入高压甲烷气体，边充气边观察压力表7，当其压力降至预定的压力后，立即关闭阀门B 和D；煤样在恒温环境下吸附甲烷至压力表6 的读数不再变化。

5）打开阀门F，采用油压活塞向煤样施加覆压，当压力表4 达到设定的覆压时，关闭阀门F，同时记录瓦斯压力变化。

6）打开注水泵，设定注水压力和流量，根据煤样质量及设定水分，注入预定水量。之后，煤样罐在恒温水浴中平衡至压力表6 的读数不再变化。

7）快速打开煤样吸附罐的放气阀门，使压力表6瞬间归零，放出的气体收集在储气袋中。之后，进行120 min 的解吸试验，每隔一定时间读取瓦斯解吸仪读数，按照数据处理方法计算出每分钟瓦斯解吸量、解吸速度和残存瓦斯含量。

8)更换试验煤样，依次进行覆压为5、10、15 MPa，水分为0、2%、4%、6%条件下的解吸试验。

1.2.3试验数据处理

1）充气量计算。为了使试验数据具有可比性，充气量需要换算至标准状况下的体积，计算公式如下：

为了使试验结果具有可比性，每次试验的充气量相等。即每次充气罐初始压力均调整为4.0 MPa，当压力降至3.0 MPa 时，停止充气。经计算，充气量约为5 236.59 mL。

2）解吸量。从吸附罐解吸的气体需按照式(2)换算为标准体积。

4）甲烷解吸速度。文献[3]研究表明，当煤样粒度较小时，煤中瓦斯解吸主要为扩散过程，瓦斯解吸量随时间的变化可用文特式进行很好拟合，见式（4）：

式中：V1为初始瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；kt为瓦斯解吸速度衰减系数。

2 试验结果及结果分析

2.1 对累计瓦斯解吸量的影响

测试数据换算为标准体积后，绘制出相同覆压下水分对累计瓦斯解吸量的影响曲线，如图3 所示。在相同覆压下，干燥煤样的解吸曲线均处于最上方，随着水分增加，曲线均下移。说明水分介入后堵塞了瓦斯解吸的通道，抑制了瓦斯解吸。

根据测试数据，绘制出相同水分下覆压对累计瓦斯解吸量的影响曲线，如图4 所示。干燥煤样的累计瓦斯解吸量随覆压的增大而增大，说明覆压作用对瓦斯解吸起到促进作用；水分为2.0%时，不同覆压作用下的累计瓦斯解吸量的曲线较为集中，并且和干燥煤样相同，15 MPa 下解吸量最大；水分为4.0%和6.0%时，均是5 MPa 覆压作用下的累计解吸量最大，10 MPa 和15 MPa 的曲线差别不大。

图4 相同水分下覆压对累计瓦斯解吸量的影响Fig.4 Effect of overburden on cumulative gas desorption volume under the same moisture content

以上测试结果说明，对于干燥煤样，覆压作用整体上是促进煤体瓦斯解吸的，这和煤与瓦斯突出事故中地应力促进解吸的作用是类似的；随着水分的介入，覆压作用逐渐从促进瓦斯解吸过渡为抑制瓦斯解吸，覆压大的煤样累计瓦斯解吸量反而变小，分析原因，这是由于覆压增大使煤样中孔裂隙缩小，毛细管力增大，从而产生更强的抑制解吸作用，这对于认识煤层注水防治煤与瓦斯突出的机理具有一定意义。

2.2 对解吸速度的影响

根据测试结果，绘制出相同覆压下水分对瓦斯解吸速度的影响曲线，如图5。各种试验条件下，瓦斯解吸速度曲线均随着时间快速衰减；不同覆压作用下，瓦斯解吸速度曲线均随着水分的增大而下移。

图5 相同覆压下水分对瓦斯解吸速度的影响Fig.5 Effect of moisture content on gas desorption rate under the same overburden

采用文特式对图5 中的试验数据进行了拟合，结果见表2。覆压作用下，煤样瓦斯解吸速度均可以用文特式Vt=V1t-kt进行很好拟合，拟合系数R2均大于96%，说明采用文特式对试验数据进行拟合是合适的。

表2 不同覆压和水分作用下瓦斯解吸速度拟合结果Table 2 Fitting results of gas desorption rate under different overburden and moisture content

依据表2 中的拟合数据，做出相同覆压作用下V1和kt值随水分的变化曲线，如图6 所示。对于V1，在相同覆压下，其值均随着水分的增大而减小；覆压增大曲线整体上移，说明覆压作用促进瓦斯解吸，使V1增大，但水分注入后会降低V1，覆压和水分对V1的作用效果相反，当水分增加时，可以抵消覆压对V1的影响。对于kt值，在相同覆压作用下，其值随水分增大而减小的趋势较为明显；相同水分下，整体上随覆压增大而增大。

图6 相同覆压下V1, kt 与水分的关系Fig.6 Relationship between V1, kt and moisture content under the same overburden

依据表2 中的拟合数据，做出相同水分下覆压对V1和kt值的影响曲线，如图7 所示。

图7 相同水分下V1, kt 与覆压的关系Fig.7 Relationship between V1, kt and overburden under the same moisture content

对于干燥煤样，V1随覆压增大而增大；随着水分介入，各水分下，均表现出V1在覆压10 MPa 时略有下降，在15 MPa 时又略有增加。说明对于干燥煤样来说，覆压促进解吸，增大了V1；但水分介入后抑制了瓦斯解吸，与覆压作用相反，减小了V1，随着覆压增大，覆压作用重新占据优势，使V1增大。

对于干燥煤样，kt值随着覆压增大而减小，水分介入后，kt值变化趋势较为复杂。说明对于干燥煤样，覆压作用使煤样压实，减小了kt值；水分介入后，水锁效应可以降低了kt值，但由于覆压作用的动力效应可以使煤粒发生相对位移，破坏水锁效应，使kt增加，从而随着覆压增大kt的变化趋势较为复杂。

2.3 对V1 的影响系数

为了研究方便，引入影响系数β来衡量覆压作用下水分对瓦斯解吸速度特征参数V1的影响程度，影响系数β定义为水分作用下V1减小程度：

式中：v1为某一覆压下干燥煤样的初始瓦斯解吸速度，mL/( g·min)；v′1为某一覆压下含水煤样的初始瓦斯解吸速度，mL/(g·min)。

经计算，做出试验煤样在不同覆压下影响系数β随水分的变化曲线，如图8 所示。β均随水分增大而增大；在相同水分下，覆压5 MPa 时β最小，覆压10 MPa 和15 MPa 时β均增大。

图8 影响系数β 与水分的关系Fig.8 Influence coefficient β with moisture content

2.4 对残存瓦斯含量的影响

为了分析覆压作用下水分对瓦斯的封堵效果，经计算，得到各试验条件下解吸120 min 后煤样的残存的瓦斯含量。如图9 所示。残存瓦斯含量随水分的增大而增大；在相同水分下，煤样残存瓦斯含量随覆压增大而增大。

图9 覆压下残存瓦斯含量与水分的关系Fig.9 Relationship between residual gas content and moisture content under overburden

3 覆压-注水影响瓦斯解吸机理分析

通过以上试验研究，可以得到，覆压作用下，干燥煤样的累计瓦斯解吸量和V1均增大；随着水分的介入，覆压大的煤样累计瓦斯解吸量和V1反而变小；覆压增大后，整体上水分对瓦斯解吸的影响增大；煤样残存瓦斯含量随覆压和水分增大而增大。分析覆压-注水作用下含瓦斯煤的解吸机制包括：

1）覆压作用的活塞效应促进干燥煤样瓦斯解吸。试验中为了使煤样吸附瓦斯更加均匀，采用颗粒煤作为试验煤样，但是颗粒煤样和原始煤层相比还是存在较大区别，煤颗粒之间的胶结性不强，颗粒之间的间隙较大，渗透性对颗粒煤瓦斯解吸的影响较弱，初始阶段瓦斯解吸主要受到受到覆压的活塞效应影响。

当煤样受到覆压作用时，煤样中的颗粒间隙、基质孔隙等均受压缩小，孔隙率降低，覆压越大，煤体的孔裂隙缩小程度越大，导致孔裂隙间的游离气体被压缩并迅速排出，这是累积瓦斯解吸量和V1增大的主要原因之一；另一方面，孔隙裂隙尺寸缩小后，吸附瓦斯分子间作用力增大，促使吸附瓦斯向游离瓦斯转变，从而提高了解吸量。覆压作用促进瓦斯解吸，这和文献[2]的试验结果是相同的

2）注入水分的抑制效应降低了煤体瓦斯解吸速度。随着水分的注入，煤对水的吸附作用力、水在煤孔隙的黏滞阻力及气液界面的毛细管力均会对煤体瓦斯的解吸起到抑制效应，使累计瓦斯解吸量、V1和kt降低。

3）覆压-水分的耦合作用影响瓦斯解吸过程。水分介入后，随着覆压的施加，煤中孔隙被压实，进而煤样被压碎压实，煤中孔隙裂隙变小，毛细管阻力变大，因此，覆压达到一定值后，累计瓦斯解吸量和V1变小，覆压作用从促进瓦斯解吸过渡为抑制瓦斯解吸。随着覆压继续增加，V1和kt增加，覆压作用的动力效应可以使煤粒发生位移，破坏水锁效应，使瓦斯解吸速度增加，从而随着覆压增大kt增大。总体上，覆压和水分对瓦斯解吸的作用效果相反，当水分增加时，可以抵消覆压对瓦斯解吸的影响。

4 结 论

1）在相同覆压作用下，累计解吸量随水分增大而减小；在不同覆压作用下，干燥煤样的累计解吸量随覆压的增大而增大，随着水分的介入，覆压大的煤样累计瓦斯解吸量反而变小，覆压作用从促进瓦斯解吸过渡为抑制瓦斯解吸。

2）在相同覆压下，V1随着水分的增大而减小，kt随水分增大而减小的趋势较为明显。在相同水分下，对于干燥煤样，V1随覆压增大而增大；水分介入后，各水分下，V1均在覆压10 MPa 时略有下降，在覆压15 MPa 时又略有增加。说明对于干燥煤样覆压促进解吸，增大了V1，水分介入后抑制了瓦斯解吸，减小了V1，随着覆压增大，覆压作用重新占据优势，使V1增大。对于干燥煤样，kt随着覆压增大而减小，水分介入后，kt变化趋势较为复杂。

3）水分对V1的影响程度随水分的增大而增大，覆压增大后，整体上水分对瓦斯解吸的影响增大。

4）煤样残存瓦斯含量随水分的增大而增大，随覆压增大而增大。