煤體含水量對瓦斯解吸特性影響規律實驗研究

王曉東

(陽泉煤業集團公司 生產技術中心，山西 陽泉 045000)

對煤體進行水力壓裂措施后，大量的水被高壓壓入煤體內部，隨著煤體內的孔隙被水分侵入，將導致瓦斯解吸特性發生變化。煤體的瓦斯解吸特性在一定程度上決定了煤層突出風險的大小，對確定瓦斯壓力和突出風險具有重要作用。煤體中裂隙水擠走煤體中的部分瓦斯，同時阻礙煤體中瓦斯的移動[1]。水在進入煤體的過程中有置換效應，大約可置換掉煤體中10%的瓦斯含量[2-3]，置換的量和液體性質有關[4]；水在煤體中產生毛細管力，對瓦斯的移動起到阻礙作用，孔隙壓力使游離態瓦斯轉變成吸附態瓦斯[5-6]。含水量的增加對瓦斯解吸起到抑制作用，并且和煤的變質程度相關[7-8]。

本文以新景礦3號低透氣性煤層為對象，通過實驗測試不同含水量煤體的飽和吸附量、解吸量和解吸速度來研究瓦斯解吸特性規律。

1 實驗裝置及煤樣制備

1.1 實驗裝置

含水量對煤的瓦斯解吸特性的影響規律直接決定了含水煤層的瓦斯涌出規律，也是水力壓裂等技術措施的理論基礎。水分含量對煤中瓦斯解吸特征的影響實驗裝置由真空脫氣、恒溫、吸附平衡、煤樣注水及解吸測量五個單元構成，各單元具體組成及功能如下。

1) 真空脫氣單元。由真空泵、真空管、復合真空計和玻璃三通閥等組成，可完成煤樣的脫氣和體積測定。

2) 恒溫單元。由恒溫水浴、恒溫器、煤樣罐和充氣罐、精密壓力傳感表組成。該單元可保持煤樣罐中煤樣在吸附和解吸過程中恒溫，由水浴和超級恒溫器實施。

3) 吸附平衡單元。由精密壓力傳感表、瓦斯氣、煤樣罐和充氣罐以及連通閥門組成。

4) 煤樣注水單元。由精密壓力表、平流泵、量杯測定儀組成。

5) 解吸測量控制單元。該單元由壓力調控閥、自制瓦斯解吸測定儀組成。

1.2 煤樣制備

1) 稱取方盤重量，計為M0′；

2) 取新景礦3號煤層，制成粒度為0.17～0.25 mm的樣品200 g，裝入容器中均勻攤開，在105 ℃下烘干24 h；

3) 用天平稱取煤樣和容器的總質量，為M0；

4) 向煤樣噴灑水霧并均勻攪拌，浸潤4 h，稱煤樣和容器的質量，計為M1；

5) 將上述含水煤樣裝入吸附罐，稱剩余煤樣和容器的質量，計為M′；

6) 每次控制向煤樣噴水霧的量，可控制煤樣的含水量，煤樣的含水量按式(1)計算：

(1)

式中：Wt為煤樣的全水分含量，%；M1為加入水分后的煤樣和方盤的質量，g；M0為干燥煤樣和方盤的質量，g；M0′為方盤的質量，g。

吸附罐內裝樣量按式(2)計算：

M=M1-M′

(2)

式中：M為裝罐含水煤樣質量，g；M′為剩余含水煤樣和方盤的質量，g。

2 吸附量

為了研究煤體含水量對瓦斯吸附能力的影響，把不同含水量的煤樣放入吸附罐，用高壓容量法測試其瓦斯吸附等溫線。煤樣的含水量分別為0%、1.55%、2.60%、3.80%和4.58%情況下瓦斯吸附等溫線見圖1。

圖1 不同煤體含水量的瓦斯吸附等溫線

由圖1可以看出，新景礦3號煤層煤體對瓦斯的吸附能力隨著煤中含水量的增加而減小。含水量對煤體的瓦斯吸附量的影響是非線性的，隨著煤體含水量的增加，煤體含水量對瓦斯吸附量的影響越來越小。

3 解析量和解吸速度

3.1 瓦斯解吸總量的影響研究

為了考察煤體含水量對新景礦3號煤層煤樣瓦斯解析量的影響，吸附平衡壓力設置為1 MPa，溫度設置為30 ℃，分別對不同含水量的實驗煤樣進行瓦斯解吸過程測試。不同含水量煤體的瓦斯解吸量隨時間的變化關系曲線見圖2。

圖2 不同煤體含水量在1.0 MPa壓力下

由圖2可以看出：煤體含水量越大，瓦斯解吸量越小，含水量對瓦斯的解吸起著阻礙作用；當煤體含水量達到11.5%后，隨著煤體含水量的增加其瓦斯解析量減小的非常少，影響可忽略不計；瓦斯解吸量隨著時間的增加逐漸增加，但增加幅度越來越小。

為了研究水分含量與3號煤層煤樣瓦斯解吸量之間的關系，統計分析煤體不同含水量在1.0 MPa壓力下、前150 min時間的瓦斯解吸量(Q150)見表1。

表1 不同煤體含水量前150 min解吸量統計

由表1可知，不同水分含量的煤樣在吸附平衡壓力1.0 MPa條件下，其解吸量隨著水分的增加是逐漸遞減的。通過比較可以發現，在吸附平衡壓力相同的情況下，水分愈大，Q150值越小。

3.2 瓦斯解吸速度的影響研究

不同水分含量對瓦斯解吸速度影響的考察是在水分對瓦斯解吸量影響的基礎上，分別計算每2 min的解吸量。試驗選取同一粒度(0.17～0.25 mm)煤樣在30 ℃條件下測試，吸附平衡壓力為1.0 MPa。不同含水量煤體的瓦斯解吸速度隨著時間的變化曲線見圖3。

圖3 不同煤體含水量在1.0 MPa壓力下

實驗結果表明：解吸速度隨時間迅速衰減，煤樣從開始解吸到第10 min時，煤體的瓦斯解吸速度平均降幅達到80%及以上，從第15 min以后，解吸速度變化緩慢；煤體含水量越高，其初始的瓦斯解吸速度越小；當煤體含水量達到11.5%時，其解吸速度就不再隨煤體含水量的增加而減小，且解吸速度基本趨于一致。

4 結 語

1) 煤體對瓦斯的吸附能力隨著煤體含水量的增加而減小；隨著煤體含水量的增加，煤體含水量對瓦斯吸附量的影響越來越小。

2) 水分對瓦斯解吸起著明顯地抑制作用。煤體含水量越大，瓦斯解吸量越小；當煤體含水量達到11.5%后，其解析量隨著含水量的增加變化非常小。

3) 煤體含水量越高，其初始的瓦斯解吸速度越小；當煤體含水量達到11.5%時，其解吸速度就不再隨煤體含水量的增加而減小，且解吸速度基本趨于一致。