外加水分對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的影響分析

張東旭

(1.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

煤層瓦斯壓力是指原始煤體孔隙中所含游離瓦斯的氣體壓力，即氣體作用于孔隙壁的壓力。煤層瓦斯壓力是煤層瓦斯賦存的重要參數(shù)之一[1]，是煤與瓦斯突出鑒定、預(yù)測(cè)、評(píng)估和防突措施效果檢驗(yàn)的重要指標(biāo)之一，因此準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力對(duì)于瓦斯災(zāi)害防治具有重要意義[2-10]。

煤層瓦斯壓力測(cè)定方法分為間接法和直接法[10-15]。間接法是先測(cè)定煤層瓦斯含量，根據(jù)煤的吸附特性，采用朗格繆爾方程進(jìn)行計(jì)算得出。由于公式中涉及瓦斯含量、吸附常數(shù)、煤的真假密度、煤的水分、煤的揮發(fā)分等多個(gè)參數(shù)，而影響這些參數(shù)測(cè)定準(zhǔn)確性的因素較多，因此，間接法存在較多的不可控因素，一般只做為對(duì)比和參考。現(xiàn)場(chǎng)常用直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力，該方法是通過(guò)向需要測(cè)壓的煤層施工鉆孔，利用封孔材料將鉆孔封堵后留有一定測(cè)壓氣室，鉆孔外用鋼管連接壓力表與測(cè)壓氣室，最終平衡后的瓦斯壓力被傳遞到壓力表上，所測(cè)壓力即為煤層瓦斯壓力。煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，多數(shù)煤層或地層中含有水，水可能是裂隙水也可能是承壓水。水影響煤層瓦斯壓力的測(cè)試，因此開展水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響分析，并尋求減少水對(duì)煤層瓦斯壓力的影響解決方案，為準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力提供指導(dǎo)。

1 煤層瓦斯壓力直接測(cè)定方法

煤層瓦斯壓力直接測(cè)定方法是從巖巷或煤巷中(只針對(duì)穿層鉆孔測(cè)定煤層瓦斯壓力)向所測(cè)煤層里打鉆孔并穿過(guò)煤層，封孔后進(jìn)行測(cè)壓。根據(jù)施工地點(diǎn)在煤層的位置不同，分為上向鉆孔和下向鉆孔測(cè)壓。鉆孔施工完后將測(cè)壓管和注漿管送入鉆孔預(yù)定位置，固定后用速凝水泥將其在孔口處進(jìn)行封堵，封孔完畢將壓力表安裝在測(cè)壓管上，當(dāng)壓力變化在3 d內(nèi)小于0.015 MPa時(shí)，測(cè)壓工作結(jié)束，壓力表所顯示壓力即為測(cè)定的煤層相對(duì)瓦斯壓力。

2 水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響研究現(xiàn)狀

水具有較好的流動(dòng)性和吸附性，煤礦井下水存在于煤巖層的裂隙或者微觀孔隙中，在施工瓦斯測(cè)壓鉆孔時(shí)不可避免要遇到含水煤巖層。而這些水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的影響，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者開展了相關(guān)的研究。

2.1 水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的宏觀影響

煤巖層中含水會(huì)經(jīng)過(guò)裂隙或者微觀孔隙滲透至觀測(cè)氣室并通過(guò)測(cè)壓管流至壓力表，上向鉆孔水柱的壓力直接作用于壓力表，由于水不可壓縮，測(cè)壓氣室中瓦斯壓力通過(guò)水的作用傳遞至壓力表。因此，此種情況下測(cè)出的表壓要大于煤層的實(shí)際瓦斯壓力，需要減去作用于表上部水的靜壓壓力。鉆孔中的水來(lái)源于溶洞水、含水層水或者承壓水，根據(jù)《煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測(cè)定方法》中規(guī)定，該測(cè)壓鉆孔應(yīng)作廢。

下向孔中瓦斯一般在水的上部，瓦斯壓力直接作用于壓力表，水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的影響較小。

2.2 水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的微觀影響

關(guān)于水與煤體瓦斯微觀相互作用主要存在2種觀點(diǎn)：一是水與瓦斯共存時(shí)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，由于煤對(duì)水的吸附能力強(qiáng)于對(duì)瓦斯的吸附能力，水分會(huì)搶占煤基質(zhì)表面更多的吸附位，排擠瓦斯，降低煤對(duì)瓦斯的吸附量[16-18]；二是水在微孔隙中發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象，阻礙瓦斯運(yùn)移，從而封存微孔隙內(nèi)瓦斯，抑制解吸，降低瓦斯涌出量[19-21]。第一種觀點(diǎn)體現(xiàn)了水置換瓦斯作用，從根本上降低煤層瓦斯含量，有利于瓦斯解吸；第二種觀點(diǎn)體現(xiàn)了水鎖作用，水能夠封存煤體內(nèi)瓦斯，降低生產(chǎn)期間瓦斯涌出量。在生產(chǎn)應(yīng)用中，水自身的微觀置換作用可以增加煤層的游離瓦斯量，但該過(guò)程比較緩慢，液體置換瓦斯能力究竟有多大，對(duì)瓦斯壓力測(cè)定影響多大，目前還無(wú)定量研究。

3 水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響研究分析

3.1 水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的宏觀影響

甲烷在水中的溶解度是3.5 mg，不易溶于水。因此忽略甲烷溶于水對(duì)煤層瓦斯壓力的影響。上向鉆孔有水時(shí)可以根據(jù)《煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測(cè)定方法》中提出的方法進(jìn)行修正:

1)當(dāng)V>V1，并且V-V1

(1)

式中：p′為修正后煤層瓦斯壓力，MPa;p1為壓力表測(cè)定煤層瓦斯壓力，MPa；l為測(cè)壓管的長(zhǎng)度，m;θ為鉆孔傾角，(°)；V為測(cè)壓鉆孔內(nèi)流出的水量，m3；V1為測(cè)壓管內(nèi)空間的體積，m3；V2為鉆孔內(nèi)預(yù)留氣室的體積，m3；D為測(cè)壓鉆孔的直徑，m。

2)當(dāng)V>V1，并且V-V1≥V2時(shí):

p′=p1-0.01Lsinθ

(2)

式中L為測(cè)壓鉆孔的長(zhǎng)度，m。

3)當(dāng)0

(3)

式中d為測(cè)壓管的直徑，m。

3.2 水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的微觀影響

3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響，搭建了煤層水置換瓦斯實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。

1—高壓甲烷氣瓶;2— 參考罐;3— 顯示器;4—復(fù)合真空計(jì);5—真空泵;6～7—壓力傳感器;8—特制型煤;9—特制煤樣罐;10—內(nèi)旋螺母;11—內(nèi)置鋼瓶;12—針閥;13—恒溫箱;14—解吸儀;a～e—閥門;f—四通;g—壓力表。

煤層水置換瓦斯實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)行水置換煤中瓦斯及瓦斯解吸規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，由脫氣裝置(真空泵、復(fù)合真空計(jì)等)、充氣吸附平衡裝置(高壓甲烷氣瓶、參考罐等)、恒溫/變溫裝置(恒溫箱等)、壓力監(jiān)控儀器(壓力表及壓力傳感器)、等壓加水裝置(針閥及特制煤樣罐)、解吸裝置(解吸儀)等構(gòu)成。

為了能夠較真實(shí)地掌握水對(duì)煤樣瓦斯置換效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)采用了原煤開展水置換瓦斯實(shí)驗(yàn)。原煤選取硬度較大的塊煤，根據(jù)自主搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)，制備直徑0.050 m、高度0.100 m的柱煤，煤的密度1.33 kg/m3，煤的質(zhì)量0.224 9 kg，用于考察不同吸附平衡壓力、不同含水率條件下的液體置換瓦斯和瓦斯解吸規(guī)律。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)流程

1)煤樣干燥。將實(shí)驗(yàn)煤樣放入烤箱，待充分干燥后，放置于干燥皿中備用。

2)儲(chǔ)水鋼瓶加水。利用注射管將水從鋼瓶上預(yù)留的小孔注入鋼瓶，注入定量的水后，旋轉(zhuǎn)螺母使液面到達(dá)小孔位置，這樣水充滿鋼瓶?jī)?nèi)部空間，排除鋼瓶?jī)?nèi)部氣體，之后旋緊針閥將鋼瓶上的小孔封住，防止液體在注液時(shí)由于壓力影響流出或漏氣。

3)真空脫氣。將干燥后的煤樣放置在煤樣罐內(nèi)，密封后，將煤樣罐放在超級(jí)恒溫水浴內(nèi)，設(shè)置溫度恒定為30 ℃。將煤樣罐與真空脫氣裝置相連，打開真空脫氣裝置對(duì)煤樣罐進(jìn)行脫氣，當(dāng)真空度降為20 Pa以下時(shí)停止脫氣。

4)吸附平衡。打開高壓甲烷氣瓶的閥門，將高壓甲烷注入?yún)⒖脊拗校?dāng)參考罐內(nèi)達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，關(guān)閉氣瓶閥門，再打開參考罐后方的閥門c，使甲烷充入特制煤樣罐，充氣過(guò)程中不斷開關(guān)閥門c，當(dāng)特制煤樣罐內(nèi)壓力穩(wěn)定在預(yù)定的平衡壓力值時(shí)停止充氣[22-23]。

5)等壓加水。當(dāng)特制煤樣罐內(nèi)煤樣瓦斯吸附平衡后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)內(nèi)旋螺母來(lái)調(diào)節(jié)鋼瓶?jī)?nèi)部水的壓力與吸附平衡后的瓦斯壓力相等，倒置特制煤樣罐，旋開針閥，使鋼瓶?jī)?nèi)的水通過(guò)小孔流出進(jìn)入煤樣中，實(shí)現(xiàn)等壓加水。

6)置換測(cè)試。通過(guò)置換作用，水逐漸進(jìn)入煤樣內(nèi)部，置換吸附態(tài)瓦斯，使之變?yōu)橛坞x態(tài)瓦斯，這樣煤樣罐內(nèi)瓦斯量增多，通過(guò)瓦斯壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并傳給電腦記錄煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力變化。當(dāng)壓力穩(wěn)定后，結(jié)束測(cè)定。

7)解吸測(cè)試。置換測(cè)試瓦斯壓力達(dá)到最大值并穩(wěn)定后，打開煤樣罐與氣袋連通的閥門，將游離瓦斯放至氣袋收集。當(dāng)煤樣罐內(nèi)壓力降為0時(shí)，旋轉(zhuǎn)四通使煤樣罐的解吸瓦斯進(jìn)入解吸測(cè)定裝置，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，記錄解吸量。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在恒溫條件下，利用煤層水置換瓦斯實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了相同瓦斯吸附平衡壓力下不同吸水率的置換實(shí)驗(yàn)，即設(shè)定瓦斯吸附平衡壓力分別為1.5、2.5 MPa，實(shí)驗(yàn)煤樣是在吸水率未達(dá)到煤樣的飽和吸水率情況下開展的，煤的吸水率分別為2%、6%、10%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及記錄的瓦斯壓力數(shù)據(jù)，得到瓦斯壓力變化曲線。通過(guò)對(duì)外加水分后瓦斯壓力變化、瓦斯置換速度和吸附平衡后的瓦斯解吸量來(lái)進(jìn)行外加水分對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響進(jìn)行分析。不同吸水率下置換過(guò)程瓦斯壓力變化如圖2所示。

圖2 不同吸水率下置換過(guò)程瓦斯壓力變化曲線

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，煤樣吸水前后，煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力迅速升高，隨著吸水時(shí)間增長(zhǎng)，煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力增高的趨勢(shì)減弱，直至曲線趨于水平。在煤樣吸水過(guò)程中煤樣罐內(nèi)的自由體積未發(fā)生變化，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，在等溫條件下，煤樣罐內(nèi)的瓦斯壓力與游離狀態(tài)的瓦斯量有關(guān)。煤樣罐中的煤樣在吸入水后，煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力呈增高趨勢(shì)，說(shuō)明水進(jìn)入煤樣內(nèi)部，將煤樣內(nèi)的吸附態(tài)瓦斯置換為游離態(tài)瓦斯，煤樣罐內(nèi)的游離態(tài)瓦斯增多，煤樣罐內(nèi)的瓦斯壓力隨之增大。隨著置換時(shí)間增長(zhǎng)，壓力增高趨勢(shì)減緩，煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力最終趨于穩(wěn)定，再次達(dá)到平衡。從煤的含水率來(lái)看，含水率越高煤的最終平衡瓦斯壓力越大。含水率高的煤樣，瓦斯吸水量大，擠占的煤樣內(nèi)部微孔隙空間越大，煤樣內(nèi)的吸附瓦斯變?yōu)橛坞x瓦斯的量越多，在體積不變的情況下，煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力越大。如初始平衡壓力在1.5 MPa下，吸水率為2%的煤樣置換后瓦斯平衡壓力為1.64 MPa；吸水率為6%的煤樣置換后瓦斯平衡壓力為2.03 MPa；吸水率為10%的煤樣置換后瓦斯平衡壓力為2.35 MPa。從初始平衡壓力來(lái)看，不同初始平衡壓力，相同吸水率的瓦斯置換趨勢(shì)相差不大，吸水后通過(guò)最終平衡壓力計(jì)算瓦斯置換率，吸附平衡壓力低的瓦斯置換率要比吸附平衡壓力高的大。綜上所述，煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力升高是煤樣的微觀孔隙對(duì)水產(chǎn)生毛細(xì)力，煤樣的吸水能力大于對(duì)瓦斯的吸附能力，水置換出煤中瓦斯，煤樣罐內(nèi)游離瓦斯量增多，瓦斯壓力增大。故外加水分對(duì)煤樣罐內(nèi)煤的瓦斯壓力有增大效應(yīng)。

不同吸水率下的煤樣瓦斯置換速率如圖3 所示。

圖3 不同吸水率下置換速率變化曲線

從圖3中可以看出，煤樣在吸水過(guò)程中，水在毛細(xì)力作用下迅速進(jìn)入煤體內(nèi)微孔隙空間，置換吸附態(tài)瓦斯，該過(guò)程中置換速率首先以突增趨勢(shì)達(dá)到最大值，之后即刻進(jìn)入衰減期，衰減趨勢(shì)比較符合指數(shù)衰減規(guī)律。從不同吸水率的置換速率來(lái)看，吸水率高的煤樣置換速率大，且置換速率上升的趨勢(shì)明顯。3種實(shí)驗(yàn)方案置換速率達(dá)到最大置換速率的時(shí)間為6～34 min。實(shí)驗(yàn)加水過(guò)程是將儲(chǔ)水鋼瓶?jī)?nèi)全部的水量在煤樣罐倒置后，整體一下加入到煤樣上，水直接淋在圓柱體煤的表面，之后未進(jìn)入煤體內(nèi)的水流入煤體底部積存，吸水初期接觸面較大，吸水速度最大，水與吸附瓦斯的置換作用也最強(qiáng)，隨后水在毛細(xì)力作用下逐漸向煤體內(nèi)部運(yùn)移，沿程不斷置換解吸瓦斯，水分被吸附到煤基質(zhì)內(nèi)，水的接觸面積也從初期的整個(gè)柱面到底部的少部分面積，供水量減少，煤體內(nèi)部復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)也增加了水分運(yùn)移阻力，煤體內(nèi)部的吸水速度會(huì)逐漸減慢，置換作用也隨之減弱。從煤體吸水過(guò)程看，煤體的吸水速度反映了水分對(duì)煤體中吸附瓦斯的置換速率。從不同初始平衡壓力的置換速率來(lái)看，初始平衡壓力為1.5 MPa的煤樣，置換速率最大達(dá)到31 m3/(t·h)；初始平衡壓力為2.5 MPa的煤樣，置換速率最大達(dá)到14 m3/(t·h)。由于煤樣罐自由空間都充滿了瓦斯，煤樣初始平衡壓力與煤樣罐內(nèi)游離瓦斯壓力相同，游離瓦斯壓力越大，瓦斯從煤樣內(nèi)部釋放到煤樣罐自由空間的阻力越大，因此，初始平衡壓力越大的煤樣置換速率越小。

不同含水率煤樣吸水置換后瓦斯解吸量曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，相同初始平衡壓力條件下，不同含水率煤樣在同一時(shí)間內(nèi)的瓦斯累計(jì)解吸量不同。與干燥煤的瓦斯累計(jì)解吸量相比，水浸濕后的煤樣隨著含水率的增加，瓦斯累計(jì)解吸量逐漸減小。從瓦斯解吸規(guī)律來(lái)看，煤樣的含水率越大，解吸量越小。由于煤樣中水分含量越大，擠占吸附位的瓦斯越多，置換出的游離態(tài)瓦斯越多，剩余的吸附態(tài)瓦斯量也就越小。

綜上所述，水進(jìn)入煤樣內(nèi)部，可以將煤樣內(nèi)的吸附態(tài)瓦斯置換為游離態(tài)瓦斯，在體積不變的情況下，增大了煤樣罐內(nèi)的瓦斯壓力，且在未飽和吸水狀態(tài)下，隨著水分的增加，瓦斯壓力增大；瓦斯置換速率呈先增大后減小的趨勢(shì)；外加水分后瓦斯解吸量隨著含水率增加而減小。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證水對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響，選擇八連城煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。施工3個(gè)下向穿層鉆孔，穿過(guò)煤層2 m后停止施工。鉆孔見煤長(zhǎng)度均為3 m，施工完成后利用壓風(fēng)對(duì)鉆孔進(jìn)行清洗，孔1、2未注水，孔3進(jìn)行注水，注水深度為6 m。封孔后安裝壓力表進(jìn)行測(cè)壓，測(cè)壓結(jié)果見表1。

表1 瓦斯壓力測(cè)定鉆孔參數(shù)及測(cè)壓結(jié)果

從表1可以看出，注水鉆孔的瓦斯壓力比未注水鉆孔瓦斯壓力偏大。受測(cè)壓氣室體積、煤的潤(rùn)濕范圍、煤的含水率及煤層透氣性等不確定影響因素較多，無(wú)法定量分析水分對(duì)直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力的影響。但從實(shí)際測(cè)定的結(jié)果來(lái)看，水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定有增大效應(yīng)。

5 結(jié)論

1)水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的宏觀影響，是水自身重力產(chǎn)生的，可以通過(guò)減除重力進(jìn)行修正。

2)水對(duì)煤層壓力測(cè)定的微觀效應(yīng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定可以進(jìn)行定量研究。水的微觀置換效應(yīng)能夠促進(jìn)煤層中吸附瓦斯變?yōu)橛坞x瓦斯，在體積不變的情況下可使煤層瓦斯壓力增大，隨著煤層含水率增高瓦斯壓力呈增大趨勢(shì)。

3)受測(cè)壓氣室體積、煤的潤(rùn)濕范圍、煤層含水率等不確定影響因素較多，因此工程上尚不能定量確定水對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定的影響。