陈学习，张 凯，张 亮，胡金涛,2

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

不同注水压力条件影响含瓦斯煤解吸特性实验研究

陈学习1，张 凯1，张 亮1，胡金涛1,2

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

为了研究不同注水压力条件影响含瓦斯煤的解吸特性，利用自主研制的高压注水煤层气恒温解吸试验台，对含瓦斯煤在自然解吸和不同注水压力条件下的解吸特性进行了实验研究，并结合孔隙结构特征对其影响机理进行了讨论分析。结果表明：①加压注水抑制了含瓦斯煤的解吸效应，瓦斯累计解吸量和解吸速度均降低；②注水改变了煤体的孔隙结构特征，总孔容、平均孔径、孔隙率都出现显著增大；③压力水扩孔产生的毛细管力降低作用小于孔隙尺度变小产生的毛细管力增加作用，从而抑制了瓦斯解吸。

加压注水；解吸量；解吸速度；孔隙结构；机理分析

0 引言

煤层注水作为一种煤与瓦斯突出的防治措施，它是以高压水作为防突介质，可以起到防突和降尘的双重功效，技术上有其优越性[1]，但是在煤层注水防突机理的认识上还存在较大分歧，其中一方面就表现在注水影响煤的解吸效应方面。

近年来，针对煤层注水对瓦斯解吸特性的影响及机理，国内外学者进行了相关研究。李平、牟俊慧[2-3]等认为由于压力水封堵了一部分瓦斯释放的孔隙通道导致煤中瓦斯释放速度变缓。郭红玉[4]等提出了启动压力梯度对注水抑制瓦斯解吸程度的描述。李晓华[5]等认为水分会湿润煤体并产生湿润界面能，对吸附瓦斯产生封堵作用，从而抑制瓦斯解吸。肖知国[6]等通过实验和理论分析得出注水抑制瓦斯解吸的宏观现象，并提出毛管力和贾敏效应是抑制瓦斯解吸效应的根本原因。赵东[7-8]等结合孔隙结构实验研究了注水对煤体瓦斯解吸的影响规律，并结合临界孔隙尺度的概念对影响的机制进行了分析和讨论。陈向军[9-10]等通过自制的高压注水搅拌实验装置测试表明，总体上外加水对中高变质程度煤的瓦斯解吸具有促进作用，而对低变质程度煤的瓦斯解吸具有抑制作用。

目前，对于压力水影响含瓦斯煤解吸特性的研究多停留在抑制解吸的宏观现象上，微观机理的探索较少且还不够深入，本文进行了不同注水压力条件下含瓦斯煤的解吸实验，并结合理论分析讨论压力水影响含瓦斯煤解吸特性的机理，对研究注水防治煤与瓦斯突出机理有一定的借鉴意义。

1 实验介绍

1.1 实验煤样

本次实验所用煤样取自江西某矿区高变质程度的无烟煤，在现场大块取样后立刻进行蜡封，包裹完好运抵实验室，加工成Ø50 mm×100 mm标准原煤柱，该原煤柱保留了煤体原有的孔裂隙，能够较好地模拟原始煤层条件。实验开始前，先将煤样放入鼓风干燥箱中，在106℃下烘干6 h，保证煤中原有水分彻底蒸发。

1.2 实验装置

实验采用的是自主研制的高压注水煤层气恒温解吸试验台，进行所选煤样在不同注水压力下的解吸实验，实验装置原理图如图1所示，主要由真空脱气系统、恒温系统、吸附平衡系统、高压注水系统和解吸测量系统组成。

1.3 实验过程

在利用高压注水煤层气恒温解吸试验台进行实验之前，均需进行气密性检验，本次实验采用的是高压氮气法来检验装置的气密性，然后对系统内部的自由空间体积进行标定，测定完毕后开始进行实验。所有实验分4个阶段进行，(1)真空脱气阶段，开启真空泵进行脱气2 h；(2)瓦斯吸附阶段，向煤样罐中充入一定压力的高压瓦斯气体，当煤样罐中压力值显示达到实验所需压力并24 h无变化时，就认为已经达到吸附平衡状态；(3)加压注水阶段，打开手动试压泵，向煤样罐中注水，待上端出口有水排出时，即可认为水充满整个罐体，然后关闭出水口，继续加压至指定注水压力并保持12 h；(4)瓦斯解吸阶段，卸载水压后，打开集气装置进行常压解吸，解吸平衡的判定依据是解吸速率v≤10 mL/h。

2 实验结果及分析

2.1 不同注水压力下煤样的瓦斯解吸特性

将吸附平衡压力设定在1.0 MPa对煤样进行吸附，吸附平衡后分别在自然解吸(干燥煤样)、1.5 MPa、5 MPa、9 MPa注水压力条件下进行瓦斯解吸实验，瓦斯累计解吸量和解吸速度随时间的变化曲线如图2所示。

由图(2-1)可知，自然解吸煤样和注水煤样的瓦斯累计解吸量随时间变化曲线形状具有较好的一致性，都是单调递增，且最终都趋向于一个稳定值，其形状与王佑安式[11]的曲线相似，因此可以用王佑安式来描述不同注水压力下累计解吸量随时间的变化关系，公式为：

Qt=ABt/(1+Bt)

(1)

式中：Qt为煤样的瓦斯累计解吸量，mL/g；t为累计解吸时间，h；A为最大瓦斯解吸量，mL/g；B为解吸常数，h-1。

1—高压氮气瓶；2—高压甲烷气瓶；3—手动试压泵；4—煤样罐；5—恒温水浴；6—解吸测量装置7—真空泵；8—压力传感器；9—精密压力表；10,11—减压阀；A～E—截止阀图1 实验装置原理图

图2 不同注水压力条件下累计解吸量和解吸速度随时间的变化曲线

以解吸时间为横坐标，累计解吸量为纵坐标进行拟合，所得各参数如表1所示。结合图(2-1)可以得出，注水煤样的累计解吸量曲线始终处于自然解吸煤样累计解吸量曲线下方，说明注水煤样的最大瓦斯解吸量(A值)小于自然解吸煤样，且随着注水压力的增大，A值越来越小，与自然解吸煤样相比，A值降低幅度越来越大，从20.02%到35.14%，由此可知，煤层注水后，能够有效降低煤层瓦斯的最大解吸量，压力水的侵入可以有效抑制瓦斯解吸。

表1 不同注水压力下累计解吸量与时间变化曲线拟合结果

从图(2-2)可以看出，注水煤样和自然解吸煤样的瓦斯解吸速度曲线均符合幂函数式：

Vt=at-b

(2)

式中：Vt为解吸速度，mL/(g·h)；t为时间，h；a，b为拟合系数。

以解吸时间为横坐标，解吸速度为纵坐标，利用Origin软件进行拟合，拟合结果如表2所示。根据表2和图(2-2)可以得出，无论是否有压力水侵入，含瓦斯煤的解吸速度均随着时间的增加而降低；自然解吸煤样相比于注水煤样，初始解吸速度较大，衰减速度较快；注水煤样随着注水压力的增大，a值缓慢单调递减，从0.5040 mL/(g·h)下降到0.2680mL/(g·h)，降低比例从21.81%增加到58.42%，b值单调递减，从1.3237降低到0.8539，降低比例从9.01%增加到35.49%，这表明注水使瓦斯初始解吸速度变小，衰减速度变慢。因此，煤层注水可以达到降低和延缓瓦斯释放速度、降低煤层突出危险性的目的。

表2 不同注水压力下解吸速度与时间变化曲线拟合结果

2.2 不同注水压力下煤样的孔隙结构特征

为了了解不同注水压力下煤样孔隙结构特征的相关参数，分析讨论压力水抑制含瓦斯煤解吸特性的影响机理，采用国内外通用的压汞法来测定煤的孔隙结构特征，本次实验采用的是由美国康塔公司生产的PoreMaster60RT-17型全自动压汞仪，可测定总孔体积、孔体积分布、孔表面积及其分布等参数。

解吸实验完成后，将原煤柱取出进行破碎，然后放入真空干燥箱中干燥，确保水分完全蒸发，干燥完成后进行筛分，取1～3 mm粒径煤样约1.5 g进行压汞实验。压汞实验大致分为3个阶段：低压测试、高压测试、数据导出与处理。根据进汞、退汞曲线以及导出的数据进行统计分析可以得到各煤样的主要孔隙特征参数，见下表3。

表3 不同注水压力煤样主要孔隙特征参数

从表3可以看出，注入压力水后，含水煤样的总孔容、平均孔径、孔隙率等参数和自然解吸煤样相比都出现了不同程度的增大，并且随着注水压力的增大，各参数增加的幅度越来越大，这是由于注入压力水之后，在压力水动力的条件下，会在煤体孔隙表面内产生一定的张应力，克服煤层本身破裂所需应力后，就会对原有的煤层孔隙产生张开、扩展和延伸作用，促进了煤体内孔裂隙的演化，同时也有可能在压力水的冲蚀作用下形成新的孔隙[12]，从而导致煤样的总孔容、平均孔径、孔隙率随着注水压力的增大而增大。

3 注水影响含瓦斯煤解吸特性机理的分析和讨论

通过煤层注水，压力水在进入煤层后，从原生裂隙通道中不断压裂贯通封闭状态的孔隙进入煤体，直到渗入细微孔隙中，其运动过程大致可以分为3个过程，即进水过程、贮水过程和吸附水过程[13]。在以上运动过程中，主要受3种作用力：

一是注水压力，是外在动力，取决于泵注压力。

二是孔隙、裂隙对水的毛细管力，是内在动力，主要取决于孔隙直径、水的表面张力以及接触角，计算公式为：

Pc=2σcosθ/r

(3)

式中：Pc为毛细管力，MPa；σ为表面张力，10-3N/m；θ为接触角，(°)；r为孔隙半径，nm。

三是煤体内的瓦斯压力，是注水阻力，其值并不完全等于瓦斯吸附平衡压力，因为注水过程实质上是水在煤层中流动的水—气驱替过程[14]，随着水驱气过程的进行，前端一定范围内的瓦斯气体会被压缩，导致局部瓦斯压力的升高。

当水压卸载后，孔隙内瞬时的瓦斯压力会大于毛细管力，因此会推动水流向注水相反的方向流动，可以认为是气驱水过程，此时毛细管力为气驱水过程的阻力，当瓦斯压力下降到与毛细管力相等时，达到平衡状态，由于无法继续驱替过程导致瓦斯被水封堵在煤体中。因此，毛细管阻力越大，被封堵在煤体中的瓦斯就越多，瓦斯的解吸量越少，解吸速度越慢。

通过上述的实验可知，加压注水后改变了煤体原有孔隙结构，由于压力水的扩孔作用，增大了煤样的总孔容、平均孔径和孔隙率，起到降低一定毛细管力作用，但是另一方面，随着注水压力的增加，压力水进入到煤体的孔隙尺度加深，孔隙半径变小，毛细管力增加。扩孔产生的毛细管力降低作用小于孔隙尺度减小产生的毛细管力增加作用[7,12]，导致水对瓦斯的抑制封堵作用越明显，即注水抑制瓦斯解吸效应越明显。

4 结论

采用高变质程度无烟煤，针对不同注水压力条件，对煤体在自然解吸状态和加压注水后的瓦斯解吸规律进行了测试，并结合孔隙结构特征对注水抑制瓦斯解吸特性的机理进行了理论分析和讨论，得出以下主要结论：

(1) 对含瓦斯煤体而言，在加压注水后，降低了瓦斯累计解吸量并延缓了瓦斯的解吸速度，即注水抑制了含瓦斯煤的解吸效应，且注水压力越大，抑制解吸效应越明显。

(2) 加压注水对本次实验用煤样孔隙结构特征影响显著，煤体的总孔容、平均孔径、孔隙率都出现大幅增加。

(3) 高压水侵入后，由于扩孔产生的毛细管力降低作用小于孔隙尺度变小产生的毛细管力增加作用，导致水对瓦斯的抑制封堵作用明显，即抑制瓦斯解吸效应明显。

[1] О.И.切尔诺夫,Е.С.罗赞采夫[前苏].瓦斯突出危险煤层井田的准备[M].宋世钊，于不凡译.北京：煤炭工业出版社，1980.

[2] 李平.水力挤出技术在突出煤层中的应用[J].煤炭科学技术，2007，35(8)：45-47.

[3] 牟俊惠，程远平，刘辉辉.注水煤瓦斯放散特性的研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29(5)：746-749.

[4] 郭红玉，苏现波.煤层注水抑制瓦斯涌出机理研究[J]. 煤炭学报，2010，35(6)：928-931.

[5] 李晓华.水分对阳泉3号煤层瓦斯解吸规律影响的实验研究[D].焦作：河南理工大学，2010.

[6] 肖知国，孟雷庭.压力水影响煤层瓦斯解吸的试验研究及机理分析[J].中国安全科学学报，2015，25(1)：122-127.

[7] 赵东，赵阳升，冯增朝.结合孔隙结构分析注水对煤体瓦斯解吸的影响[J].岩石力学与工程学报，2011，30(4)：686-692.

[8] 赵东，冯增朝，赵阳升.高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(3)：547-555.

[9] 陈向军，程远平，王林.外加水分对煤中瓦斯解吸抑制作用试验研究[J].采矿与安全工程学报，2013，30(2)：296-301.

[10] 陈向军，程远平，何涛，等.注水对煤的瓦斯扩散特性影响[J].采矿与安全工程学报，2013，30(3)：443-448.

[11] 王佑安，杨思敬.煤和瓦斯突出危险煤层的某些特征[J].煤炭学报，1980，(1)：47-53.

[12] 倪冠华.脉动压裂过程中瓦斯微观动力学特性及液相滞留机制研究[D].徐州：中国矿业大学，2015.

[13] 王青松，金龙哲，孙金华.煤层注水过程分析和煤体润湿机理研究[J].安全与环境学报，2004，4(1)：70-73.

[14] 孙超，宋维源.煤层注水水气驱替的理论分析[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2005，24(S1)：93-95.

Experimental Study of Effects of Different Pressure Water Injection on DesorptionCharacteristic of Coal with Gas

CHEN Xue-xi1, ZHANG Kai1, ZHANG Liang1，HU Jin-tao1,2

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China；2.SchoolofEngergyandSafety,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,232001,China)

In order to study the effects of different pressure water injection on desorption characteristic of coal with gas, a series of experiments have been designed and conducted used independent research and development gas desorption experimental measuring device. And the effect mechanism was discussed and analysed combining pore structure. The results show that:①Pressure water injection has an inhibitory effect on gas desorption and can reduce gas desorption quantity and desorption velocity;②Water injection changes the pore structure characteristic of coal and makes pore volume, average pore diameter, porosity increase;③The reducing effect of capillary force generated by pressure water which expands pore is less than increasing effect from the decrease of pore size, which causes that the inhibitory effect on gas desorption is obvious.

pressure water injection；desorption quantity；desorption velocity；pore structure；mechanism analysis

2016-12-03

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015020，3142015134，3142015135)

陈学习(1972-)，男，江苏邳州人，博士，教授，华北科技学院安全工程学院副院长，主要从事煤矿瓦斯治理方向研究。E-mail：xuexichen1210@163.com

TD712

A

1672-7169(2017)01-0001-05