注水對煤體瓦斯解吸綜合影響的試驗研究及分析

程紅林(山西華陽集團新能股份有限公司二礦, 山西 陽泉 045000)

1 前言

煤層注水防塵是廣為有效的礦井綜合防塵技術,在煤層被高壓注水潤濕的過程中,孔裂隙中有水分充分進入,存在宏觀上的瓦斯驅替以及微觀上的瓦斯競爭吸附。 相關的學者已經深入研究了水分對煤體中瓦斯的解吸影響,學者們認為水和瓦斯在煤體孔隙中存在兩種作用關系:一是認為水能充分置換出吸附在孔裂隙表面的瓦斯,另一種是認為水能堵塞瓦斯滲流通道阻礙煤體中的瓦斯解吸。

在理論研究方面,國內外專家對煤層氣的解吸以及定量化的表征[1-3],數值模型以及數學模型[4-6],不同粒徑構造以及孔隙的煤層氣解吸實驗研究[7-9],煤層氣采排技術以及影響因素方面作了大量研究[10-13]。 但是眾多學者在不同的水分含量以及不同的注水量對瓦斯解吸的影響研究有所欠缺,因此,本文在陽泉二礦的15 號煤層注水應用的基礎上,提出不同條件下的注水對煤層瓦斯解吸實驗,分析水分對煤體內瓦斯解吸的綜合影響。

2 實驗系統及方法

2.1 實驗系統

吸附—注水—解吸實驗裝置主要包括真空脫氣單元、溫度控制單元、充氣吸附單元、高壓注水單元、壓力監測單元、瓦斯解吸單元。 實驗裝置實物如圖1 所示。 其中的充氣吸附單元主要包括:甲烷氣瓶;蓄氣罐內部容積為2.5 L,耐壓20 MPa,一端連接高壓甲烷氣瓶,另一端連接精密壓力表;煤樣罐耐壓20 MPa,且分別與蓄氣罐、注水泵和壓力監測裝置連接;氣體減壓閥輸入壓力0 ～25 MPa,輸出壓力0 ～6 MPa;壓力量程0 ～10 MPa,精確度等級為0.25%。連接管路選用耐壓值不低于15 MPa。

圖1 實驗系統實物圖

瓦斯解吸單元中采用排水集氣法測定不同時間煤的瓦斯解吸量,解吸單元包括兩根量程1 200 mL的解吸量筒,精度為4 mL。 連接解吸量筒和煤樣罐的管路可以根據實驗系統的管路需要隨意彎曲變形,且氣密性好,能夠保證在實驗過程中不漏氣,不影響實驗測量。 實驗原理圖如圖2 所示。

圖2 實驗系統原理圖

2.2 實驗樣品

實驗煤樣取自陽煤二礦81201 工作面15#煤。采集新鮮暴露的塊狀煤樣,剔除夾矸密封送至實驗室。

通過對采集的塊狀煤樣破碎和研磨篩分(粒徑<200 目),將煤粉與少量純凈水均勻混合,煤樣質量控制在260 g 左右,利用自制的高壓成型裝置在單軸壓力試驗機上制備了標準煤樣試件,壓制過程緩慢升壓(50 N/s),成型壓力196 kN,穩壓4 ～5 h。高壓成型裝置及壓制的型煤試件如圖3 所示。

圖3 高壓成型裝置及壓制的型煤試件

2.3 實驗步驟

(1)將制備好的一定質量煤樣(根據實驗目的有干燥煤樣和不同含水量煤樣)裝入煤樣罐中后輕微震平,旋緊螺釘密封煤樣罐并對系統進行氣密性檢查。

(2)開啟真空泵,對實驗系統進行長時間抽真空后將常壓氦氣充入實驗裝置,通過測量充入氦氣的體積獲得系統的自由體積,測定3 次取平均值為最終測定值。 煤樣罐內自由體積為

式中,Vd為煤樣罐內部自由體積,cm3;Vs為煤樣罐容積,cm3;G為實驗煤樣質量,g;ρt為煤的真相對密度,cm3/g。

(3)經過氣密性檢查后釋放高壓瓦斯,恒溫進行真空脫氣,脫氣時間視不同煤樣、煤樣質量及泵的能力而定。

(4)煤樣充氣包括常壓充氣吸附和高壓充氣吸附,兩個階段后進行高壓注水吸附平衡,在向吸附平衡煤樣高壓注水,注水壓力及注水量根據實驗水分確定,記錄注水壓力、時間及流量。 利用壓力監測系統實時采集不同時間的氣體壓力值和最終吸附平衡壓力。

(5)瓦斯解吸量測定。 瓦斯解吸時間為8 h,解吸時間1 ～10 min 每1 min 讀取一次觀測值,10 ～20 min 每2 min 讀取一次數據,隨著解吸速度降低,逐漸增大續取時間間隔,180 ～480 min 每60 min 讀取一次數據。 當氣體解吸量小于0.05 cm3/h 時,終止解吸測定。 將不同階段的解吸量換算為標準狀態下單位質量煤的體積,計算公式為

式中,Qt為解吸時間t的標準狀態下累積氣體解吸量,cm3;為解吸時間t 的實測累積氣體解吸量,cm3;P0為實驗室大氣壓力,Pa;hw為實驗時量筒內水柱高度,mm;Ps為溫度T時的飽和水蒸氣壓力,Pa;T為實驗室環境溫度,℃;G為實驗煤樣質量,g。

3 實驗結果分析

3.1 不同含水量對煤體瓦斯解吸影響

本文為探討水分含量大小對煤吸附瓦斯量的影響,高壓容量法測試了不同含水量煤樣30 ℃條件下的吸附等溫線。 依據朗格繆爾方程計算煤的吸附常數a, a 為煤的極限(飽和)瓦斯吸附量,表征煤的瓦斯吸附能力強弱。 2 組煤樣的吸附常數a 與水分含量的關系曲線如圖4 所示。

圖4 不同含水量煤樣瓦斯吸附等溫線

由圖4 可知,不同含水量煤樣的瓦斯吸附等溫線均表現為先快速增長后趨于平緩的變化趨勢;在低壓段(吸附平衡壓力<0.3 MPa)各煤樣吸附瓦斯量的差異不顯著,隨著吸附平衡壓力增大,差異性逐漸顯著。

隨著煤樣含水量增加,相同吸附平衡壓力下,煤樣的瓦斯吸附量變小,但存在一個臨界水分含量值(平衡水分),當超過該值時,水分含量的增加對瓦斯吸附量的變化基本無影響。

由圖5 可知,隨著煤樣含水量增加,極限瓦斯吸附量(a值)先快速下降,之后下降趨勢變緩,最終趨于一穩定值,即水分含量再增加對煤樣的極限吸附瓦斯量無影響。 15 #煤樣的極限瓦斯吸附量a與水分含量m的關系多項式擬合公式為

圖5 極限吸附量與水分含量關系曲線

上述擬合公式的相關系數均大于0.9。 煤吸附瓦斯的能力隨水分含量增加降低,但存在水分含量臨界值,與相關學者研究結果一致。 對于CHC 煤,干燥煤的a值為37.08 m3/t,水分含量為6.75%,a值為25.14 m3/t,吸附能力降低32.20%。 當水分含量為10%時,煤樣的吸附能力降低近40%。 預制水分侵入對煤體瓦斯吸附量影響顯著,能夠降低煤的瓦斯吸附量,但水分含量的影響作用存在一個極限值。

3.2 水分對煤體瓦斯微觀置換解吸作用

煤的瓦斯解吸類型主要有降壓解吸、升溫解吸、置換解吸、擴散解吸和混合解吸等。 置換解吸是指向含瓦斯煤體注入比CH4吸附性更強的氣體或液體時,該流體與CH4展開競爭吸附,促使部分煤吸附的CH4解吸。 置換解吸作用示意圖如圖6 所示。

圖6 置換解吸作用示意圖

實驗室注水實驗不同實驗條件水分置換解吸瓦斯量見表1。

由表1 可知,再平衡后的罐內氣體壓力高于初始狀態吸附平衡壓力,最大增加32%;在相同注水量條件下,隨著吸附平衡壓力增大,水分置換解吸瓦斯量增加;在相同吸附平衡壓力條件下,隨著注水量的增大,水分置換瓦斯量增加。 吸附平衡壓力為0.5 MPa,注水量為50 mL,YE 煤的置換解吸瓦斯量為1.34 m3/t。 實驗表明注水卸壓后再平衡過程(時間較長)中,水分緩慢充分潤濕煤樣,并與甲烷展開競爭吸附,水分置換解吸了部分吸附瓦斯,瓦斯由吸附態轉化為游離態,進而導致再平衡氣體壓力升高,進一步驗證了水分對煤體瓦斯的置換解吸作用。

表1 不同實驗條件置換解吸瓦斯量結果

3.3 注水對煤體瓦斯宏觀驅趕作用

實驗室對含瓦斯煤體注水實驗時,注水壓力、流量及潤濕煤體區域均較小,壓力水克服滲流阻力進入煤體內部孔裂隙,導致煤樣罐內自由空間體積減小,罐內游離CH4氣體被壓縮導致氣體壓力升高。由于注水時間較短(10 min),且注入煤體水量可知,忽略注水過程中氣體壓力變化影響煤對CH4的吸附和水分的蒸發,不考慮壓力水對煤體孔隙的溝通作用引起的罐內自由空間變化,則可認為氣體壓力升高值引起游離氣變化值即為驅趕瓦斯量Qq,計算公式為

式中,m為煤樣罐內煤樣質量,g;V0為煤樣罐內自由空間體積,可采用式(1)計算,mL;Vw為注入煤樣罐水的體積,可采用實際注水量計算,mL;P0、P1分別為初始平衡氣體壓力和注水后再平衡壓力,MPa;Z0、Z1分別為恒溫條件對應P0、P1的甲烷氣體壓縮因子,MPa;T為實驗時恒溫溫度,K;R為摩爾氣體常數,9.314 J/mol。

煤樣不同注水條件實測的驅趕瓦斯量見表2,下文表中,為方便標記,均使用YE 煤代表陽泉二礦煤樣。

由表2 可知,在相同注水量條件下,隨著吸附平衡壓力增大,注水驅趕瓦斯量增加;相同吸附平衡壓力條件下,隨著注水量的增大,注水驅趕瓦斯量增加。 吸附平衡壓力為0.5 MPa,注水量為50 mL,YE煤的驅趕瓦斯量為0.89 m3/t。 煤的瓦斯吸附平衡壓力大,吸附瓦斯量和游離瓦斯量均增大,相同注水量條件(占據的自由空間體積相同)驅趕的瓦斯量較大。 注水量增大時,注入水占據的煤體自由空間體積大,相同的游離瓦斯量被壓縮升壓排出量更大。實驗結果驗證了高壓注水對煤層游離瓦斯的驅趕作用。

表2 不同實驗條件驅替瓦斯量結果

3.4 注水對含瓦斯煤體瓦斯影響綜合分析

注水是抑制含瓦斯煤體瓦斯解吸還是促進解吸,可通過對比注水煤樣和初始條件煤樣的瓦斯解吸量驗證。 以YE 煤樣吸附平衡壓力0.5 MPa 量為例,注水煤樣不同階段瓦斯解吸量和注水后煤樣的平均含水量見表3 和圖7 所示。

表3 不同實驗條件下的YE 瓦斯總解吸量結果

圖7 解吸量注水量與水分含量關系曲線

由圖7 可知,隨著注水量的增大,煤樣的平均水分含量增大,注水量為100 mL,煤樣的含水量超過6.5%;含瓦斯煤樣注水后的總瓦斯解吸量均大于原始煤樣的卸壓解吸量,且注水量越大增值越明顯;YE 煤不同注水條件總瓦斯解吸量增加0.90 ～1.36 m3/t,最大增加18.01%;實驗表明注水能夠增加含瓦斯煤體的瓦斯解吸量,注水驅替瓦斯(驅趕作用和置換解吸作用)效應明顯。

在煤層氣領域,采用卸壓解吸原理的排采技術最多能開采出50%的煤層氣資源。 為提高煤層氣產出率,基于置換解吸原理提出了注氣驅替煤層氣工藝技術,采用比CH4吸附性更強的氣體注入煤層,促使煤層中的CH4解吸。 理論與實踐研究均表明,煤吸附CH4、CO2和N2能力不同,由強到弱順序為CO2> CH4> N2。 研究表明,從吸附能角度考慮,CH4分子在煤表面吸附時,約釋放12.29 kJ/moL 的能量, H2O 分子在煤表面吸附時, 約釋放20.06 kJ/moL 的能量,煤吸附瓦斯時釋放的能量小于吸附水釋放的能量,煤吸附水的系統穩定性更強;另外從吸附趨勢以及分子間作用力估算,煤對水的作用力強于對瓦斯的作用力,在煤注水置換解吸瓦斯規程中的瓦斯解吸量要大于直接注水驅替量。

4 結論

(1)預制的水分侵入對煤體瓦斯吸附量影響顯著,能夠降低煤的瓦斯吸附量,水分含量與瓦斯極限吸附量之間存在函數關系。 但水分含量對瓦斯極限吸附量的影響作用存在一個極限值。

(2)在相同注水量條件下,隨著吸附平衡壓力增大,注水驅趕瓦斯量增加。 相同吸附平衡壓力條件下,隨著注水量的增大,注水驅趕瓦斯量增加。

(3)再平衡后的罐內氣體壓力高于初始狀態吸附平衡壓力,最大增加32%;在相同注水量條件下,隨著吸附平衡壓力增大,水分置換解吸瓦斯量增加;在相同吸附平衡壓力條件下,隨著注水量的增大,水分置換瓦斯量增加。

(4)隨著注水量的增大,煤樣的平均水分含量增大。 含瓦斯煤樣注水后的總瓦斯解吸量隨注水量越大而增大。 實驗表明注水能夠增加含瓦斯煤體的瓦斯解吸量,注水對瓦斯的驅趕作用和置換解吸作用效應明顯。