自吸水分对煤中瓦斯解吸的综合影响_吴家浩.pdf

第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. State Key La- boratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China Abstract In order to research the influence of self-adsobed water on gas desorption in coal, the spontaneous imbi- bition was realized by self-designed experimental device, the replacement effect of water for gas was researched alone, the amount of gas replacement desorption, the relief-pressure desorption and the residual gas in different water content were measured. The results indicated that the moisture could promote the replacement desorption of absorbed gas, the amount of replacement desorption increased with water content. In the process of desorption after gas pressure-relief, the gas desorption amount of moist coal was less than that of the dry coal during the same time, and decreased with increase of water content, residual gas content of moist coal was also less than that of dry coal after sufficient desorption, in water content range of 4～10, residual gas content decreased with increase of wa- ter content.For Yonghong anthracite in Jinchengg, self-adsorbed water content manifests overally acceleration ef- fect for gas desorption. The influence of moisture on gas desorption is the combined influence of replacement effect and water-locking effect. Keywords imbibition; replacement effect; gas desorption; residual gas content 自发渗吸是多孔介质在毛细管力驱动下自发 地吸入某种润湿液体的过程[1]。煤是典型的多孔介 质，当与水接触时也会发生渗吸，这种现象在煤储 层中较为常见。煤矿生产现场常利用煤层注水[2-3]、 水力压裂[4]、水力冲孔[5]等水力化措施对煤体进行 改造,达到消除瓦斯突出危险性或提高瓦斯抽采效 果的目的。压力水在进入煤体过程中，首先克服煤 体内部阻力进入裂隙通道，随着注水压力消耗殆 尽，水分开始依靠毛细作用运动[6]，即发生渗吸。 水力化措施实施以后不但会使煤体力学性质发生 变化， 而且进入煤体的水分会对煤中瓦斯解吸产生 重要影响。郭红玉等[7]发现煤储层在水力化措施实 施以后含水饱和度增加，渗透性降低，注水对瓦斯 涌出起到抑制作用。肖知国等[8]在新景矿进行现场 试验发现，注水后浅部煤样的瓦斯解吸速度慢，深 部煤样瓦斯解吸速度增大， 并认为是煤对水的吸附 ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 45 卷 能力更强，吸附的水分限制了瓦斯解吸。李平等[9] 发现注水过程中瓦斯涌出量较注水前有不同程度 的增加，注水后瓦斯涌出量降低，认为注水封堵了 煤中瓦斯。 赵东[10]从实验模拟的角度证实了高压注 水对解吸的抑制作用和抑制程度。 牟俊惠等[11]也认 为水分会封堵煤体中的一部分孔隙通道， 减缓煤中 瓦斯的放散速度。 无论是压力水还是煤层自吸水，水分进入煤体 后都会吸附在煤基质表面。由于煤对水和甲烷的吸 附能力不同，对水分子的吸附能力更强，因此有学 者认为水分能通过竞争吸附将甲烷置换出来[12]，且 水分越高，置换瓦斯量越大，卸压后注水煤样的总 解吸量增大，水分能够促进吸附态瓦斯解吸。张国 华等[13-14]在实验中也发现了外液侵入含瓦斯煤后有 液置气现象， 同时外液会对瓦斯解吸起到抑制作用， 并认为抑制作用是由于水锁效应造成的。在煤层气 开发领域的研究也发现，水的侵入会造成水相圈闭 损害，抑制甲烷解吸，同时液置气现象也对煤层气 解吸产生影响[15-16]。 由此可见，水分既能通过水锁效应抑制瓦斯解 吸，又能通过置换效应促进瓦斯解吸，其对瓦斯解 吸的影响是单一作用机制，还是二者综合作用的结 果，目前的研究尚不明确。因此笔者试图通过改进 实验方法，实现煤自发吸水，分别研究渗吸条件下 水分对煤中瓦斯置换解吸和卸压解吸的影响，并在 此基础上综合分析水分对瓦斯解吸的整体影响效 果，以期为进一步认清水分对瓦斯解吸的影响机理 提供借鉴。 1 实验室模拟实验 1.1 实验条件分析 在模拟实验中，首先应保证煤样被水湿润前处 于瓦斯吸附平衡状态，即先吸附平衡，后加水。其 次，由于瓦斯压力的存在，传统的实验通常采用高 压注水的方式将水注进煤内，然而这一做法存在一 定的问题，即高压水不但能置换煤中瓦斯，同时还 会驱替孔隙内的瓦斯，不利于单独考察水分对瓦斯 的置换效应。因此需采用等压注水的方式，即注水 压力与瓦斯吸附平衡压力相等，实施注水后水分仅 仅在毛细管力作用下依靠缓慢渗吸湿润煤体，排除 注水压力驱替瓦斯的干扰。 为了满足以上实验要求，设计了一套含瓦斯煤 外加水分渗吸/解吸模拟测试装置，可实现高压甲烷 吸附、等压注水、渗吸/解吸、数据自动采集等功能， 实验系统原理如图 1 所示。 1高压甲烷气瓶；2参考罐；3显示器；4复合真 空计；5真空泵；6～7压力传感器；8特制煤样罐； 9特制型煤；10内旋螺母；11内置钢瓶；12针阀； 13恒温箱；14解吸仪；a～e阀门；f四通；g压力表 图 1 实验系统原理图 Fig.1 Principle diagram of experimental system 1.2 实验过程 a. 实验样品制备 煤样取自晋城矿区永红煤矿 的 3 号煤层，属于高变质无烟煤。将所取煤样粉碎， 筛分出 3 种不同粒度0.25～0.5 mm、0.2～0.25 mm 及 0.2 mm 以下，按照 2 ∶ 1 ∶ 1 的配比，添加蒸馏水 混合均匀，利用特制模具，在压力加载机上压制成 Φ50 mm80 mm 的型煤，型煤中央开一孔洞，用于 套在内置钢瓶上。 b. 真空脱气 煤样经干燥后称重， 记录煤样质 量，根据事先设定的含水率计算所需水量，旋开内 置钢瓶上的针阀将量取的蒸馏水加入到钢瓶中，旋 转螺母排出钢瓶内部除水以外剩余空间的空气，然 后将针阀旋紧密封钢瓶底部的小孔。将煤样倒扣在 内置储水钢瓶上，密封煤样罐，置于恒温箱内，设 定温度 30C。连接真空泵对煤样罐进行脱气，当真 空计显示真空度降为 20 Pa 以下时，关闭煤样罐阀 门及真空脱气装置。 c. 充气吸附平衡 打开甲烷气瓶，使高压甲烷 气体先进入参考罐，随后关闭气瓶，通过参考罐向 煤样罐内充入甲烷气体，通过不断补充气体，使其 稳定在吸附平衡压力。记录充气前参考罐压力、充 气前实验室温度，吸附平衡以后再次记录参考罐压 力、实验室温度。根据甲烷吸附平衡前后参考罐压 力差计算标准状况下的充气量。 d. 等压加水 吸附平衡以后， 利用水的不可压 缩性，继续旋紧内旋螺母调节内置储水钢瓶内部压 力，使之与煤样罐内瓦斯吸附平衡压力相等，然后 倒置煤样罐，旋开针阀，使水分通过小孔流进煤中， 实现等压加水，水分在煤中开始渗吸。 e. 自发渗吸 水与煤接触后发生渗吸作用，煤 中瓦斯不断被置换，煤样罐内游离瓦斯增多，压力 升高，当压力稳定在最大值不变时，认为置换作用 结束，记录新的平衡压力。根据置换前后煤样罐内 压力差计算标准状况下的置换瓦斯量。 ChaoXing 第 1 期 吴家浩等 自吸水分对煤中瓦斯解吸的综合影响 37 f. 卸压解吸 置换过程结束以后，打开煤样罐 与解吸测量装置之间的阀门，首先用气袋收集游离 气体，当煤样罐压力降为 0 时，迅速旋转解吸仪上 的三通并启动计时器，使解吸的瓦斯进入解吸仪量 管，定时记录累计解吸量，充分解吸至在一个大气 压下 2 h 内的解吸量小于 0.007 mL/g 时结束。为了 使实验数据具有可比性，将测试的解吸数据换算为 标准状态下的体积，换算公式为 0wS 273.2 9.81 101325273.2 ′−− Q tPhPQ t T 1 式中 Qt为标准状态下瓦斯解吸量，mL/g；Qt为 实测的瓦斯解吸量，mL/g；T 为实验时量管内水的温 度，℃；P0为环境大气压力，Pa；hw为实验时量管内 水柱高度，mm；PS为温度 T 时水的饱和蒸气压，Pa。 g. 解吸结束 取出煤样，清理煤样罐，用新煤 样重复以上步骤，进行下一组实验。 2 水分对煤中瓦斯解吸过程的影响 由于解吸条件的不同， 煤中瓦斯解吸类型分为置 换解吸、卸压解吸、升温解吸和扩散解吸等[17]。本 文模拟的煤层注水实验，包括置换解吸和卸压解吸 2 种类型。 水分进入煤样以后， 首先会在竞争吸附作用 下促使煤中瓦斯发生置换解吸， 当置换解吸结束后使 煤样与外界大气相连， 由于存在压力差， 瓦斯开始大 量解吸， 此时的解吸类型属于卸压解吸。 置换解吸和 卸压解吸是两个本质不同的解吸过程， 下面分别从这 两方面阐述水分对瓦斯解吸规律的影响。 2.1 水分对煤中瓦斯置换解吸规律的影响 根据以上实验方法，设置两个瓦斯吸附平衡压 力为 1.5 MPa 和 2.5 MPa，含水率分别为 4、6、 8、10，渗吸过程中各组实验煤样罐内瓦斯压力 变化情况如图 2 所示。 实验采用等压注水湿润煤样的方法，水进入煤 样罐后不带压力，完全依靠毛细作用进入煤中，排 除了注水压力的干扰；再者，由于水是预先装在煤 样罐内置钢瓶中，水倒出后，虽然占据了煤样罐内 一部分自由空间，但是钢瓶中原先装水的部分又转 换成了煤样罐自由空间的一部分， 所以水分倒出后， 不会增加煤样罐内部自由空间的体积。排除以上因 素，煤样罐内压力升高完全是因为水分通过渗吸作 用进入煤中使吸附态瓦斯发生置换解吸，导致游离 瓦斯增加造成的，这就证明了水分能够置换煤中吸 附态瓦斯。水分子是极性分子，煤与水分子之间除 了范德瓦尔斯力作用，还存在着更强的作用力-氢 键，由于氢键键能较强，再加上范德瓦尔斯力，就 使得煤与水分子间的作用力远大于煤与甲烷分子之 间的作用力[18]。因此煤更容易吸附水分子，这是水 分能使煤中瓦斯发生置换解吸的本质原因。 图 2 渗吸过程压力变化 Fig.2 The change of pressure in the process of imbibition 由图 2 可知， 水与煤接触后， 煤样罐内气体压力 逐渐升高，前期升高速度快，后期速度逐渐衰减，最 终趋于稳定，达到渗吸平衡。吸附平衡压力 1.5 MPa 下， 含水率为 4～10时煤样罐内最终的平衡压力分 别为 2.044 MPa、 2.256 MPa、 2.352 MPa、 2.248 MPa； 吸附平衡压力 2.5 MPa 下， 含水率为 4～10时煤样 罐内最终的平衡压力分别为 3.24 MPa、3.35 MPa、 3.468 MPa、3.668 MPa。 煤中瓦斯置换解吸量与自吸水量密切相关，煤是 非均质体，内部孔隙结构十分复杂，制作型煤时虽经 压力加载机压制，其内部孔隙仍难被压实，装入煤样 罐后，煤中未被压实的孔隙都属于煤样罐内部自由空 间的一部分，由于各煤样内部孔隙存在差异，导致煤 样罐内部剩余自由空间体积不相等，因此不能利用压 力数据比较置换效应的强度，需将压力数据转换成标 准状态下的气体体积量。不同含水率下置换解吸气体 总量见表 1，从置换解吸气体量变化情况来看，在 4～10含水率范围内，随着含水率增加，置换解吸气 ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 45 卷 体量越大，说明在一定的吸附平衡压力下和一定的含 水率范围内，煤样自吸水分越多，置换解吸作用越强。 表 1 不同含水率条件下瓦斯解吸量与残余量 Table 1 The amount of desorption and residual gas con- tent at different moisture contents 吸附平衡 压力/MPa 煤样 质量/g 吸附 瓦斯量/ mLg-1 外加含 水率/ 置换 解吸量/ mLg-1 卸压 解吸量/ mLg-1 残余 瓦斯量/ mLg-1 127.77 23.45 0 0 17.98 5.47 134.66 23.29 4 2.62 16.03 4.64 138.85 23.61 6 3.92 15.87 3.82 126.47 23.71 8 4.72 15.62 3.37 1.5 118.21 22.90 10 4.91 15.34 2.65 128.46 26.42 0 0 21.37 5.05 125.11 26.91 4 3.63 19.66 3.62 127.66 26.99 6 4.89 19.57 2.53 131.83 26.42 8 5.21 19.32 1.89 2.5 141.11 25.64 10 5.39 18.32 1.93 2.2 水分对煤中瓦斯卸压解吸规律的影响 置换解吸测定结束后， 使煤样与外界大气相连， 进行卸压解吸气体量的测定，根据解吸仪量管的读 数，测得 600 min 内干燥煤样和不同含水率煤样卸 压瓦斯累计解吸量随时间变化曲线图 3。 图 3 不同含水率条件下卸压瓦斯解吸曲线 Fig.3 Desorption curve of relief-pressure gas at different moisture 由图 3 可知，各解吸曲线符合典型的瓦斯解吸 规律，即累计卸压解吸量与时间的关系为单调有上 限增函数。初始阶段解吸曲线斜率较陡，解吸速度 快，随着解吸的进行，斜率变平缓，解吸速度逐渐 衰减，卸压瓦斯解吸经历了急剧解吸、缓慢解吸和 终止解吸 3 个阶段。在同一吸附平衡压力下，相同 时间内干燥煤样的卸压解吸量明显高于注水煤样的 卸压解吸量，且含水率越高，相同时间内卸压解吸 量越少。各煤样解吸终止时间不同，解吸终止时各 煤样累计卸压解吸总量测定结果见表 1。由表 1 可 以看出，干燥煤样的卸压解吸总量最大，含水煤样 解吸总量随着含水率增加而减少。 3 水分对煤中瓦斯解吸的综合影响效果评价 3.1 评价指标的选取 由于渗吸作用的存在， 在整个实验过程中， 含水 煤样中的瓦斯解吸包括 2 种类型， 即渗吸过程中的置 换解吸和卸压以后的自然解吸。 对于卸压前的置换解 吸，吸附平衡压力相同时，含水率越大，置换解吸量 越多。 卸压以后， 相同时间内干燥煤样的解吸量大于 含水煤样，且最大解吸量也随着含水率的增加而减 少， 从这一点来看， 水分的存在确实减少了煤中瓦斯 解吸量， 这与前人研究结论是一致的， 但是如果据此 认为水分对瓦斯解吸具有抑制作用， 则忽视了卸压前 一部分吸附态瓦斯已经被水分所置换出来这一事实。 置换作用也是一种解吸类型， 且对煤中瓦斯的整体解 吸过程起到促进作用， 经过置换以后， 煤中的吸附瓦 斯量改变，且含水率越高，剩余吸附瓦斯量就越少， 吸附量不同， 则卸压后的解吸量必然不同， 忽略吸附 量不一致这一前提， 利用卸压解吸量的差异来分析水 分对瓦斯解吸是促进还是抑制显然不够准确。因此， 评价水分对瓦斯解吸是促进还是抑制， 必须结合整个 实验过程来考察， 将卸压前的置换解吸量以及卸压以 后的解吸量都考虑在内， 在此基础上分析水分对煤中 瓦斯解吸的综合影响。 我国防治煤与瓦斯突出规定中指出，突出矿 井应当对突出煤层进行区域突出危险性预测，可根据 瓦斯压力进行预测，如果没有或者缺少煤层瓦斯压力 资料，也可根据煤层瓦斯含量进行预测；对预抽煤层 瓦斯区域防突措施进行检验时，可采用残余瓦斯压力 指标进行检验，如果没有或缺少残余瓦斯压力资料， 也可根据残余瓦斯含量进行检验[19]。可见，瓦斯含量 是预测突出危险性和评价抽采效果的重要指标。对于 本实验，利用残余瓦斯含量评价水分对瓦斯解吸综合 影响最为直观，如果含水煤样的残余瓦斯含量大于干 燥煤样的残余瓦斯含量，表明水分对煤中瓦斯解吸整 ChaoXing 第 1 期 吴家浩等 自吸水分对煤中瓦斯解吸的综合影响 39 体上表现为抑制作用，相反，如果含水煤样的残余瓦 斯含量小于干燥煤样的残余瓦斯含量，表明水分对煤 中瓦斯解吸整体上表现为促进作用。 3.2 不同含水率条件下残余瓦斯含量变化规律 每组实验煤样卸压后均解吸至在一个大气压下 2 h 内的解吸量小于 0.007 mL/g 时结束，残余瓦斯 含量即为实验煤样经过长时间充分解吸后煤中所剩 余的瓦斯含量。可通过实测方法确定，也可利用计 算方法确定，为了减少实测误差，便于数据对比分 析，利用式2计算煤中的残余瓦斯含量。 cycsqa QQQQ−− 2 式中 Qcy为标准状态下残余瓦斯含量，mL/g；Qc 为标准状态下充气总量，mL/g；Qsq为加水前煤样 罐内标准状态下游离瓦斯量，mL/g；Qa为标准状态 下煤中瓦斯置换解吸和卸压解吸总量，mL/g。 各煤样残余瓦斯含量测定结果见表 1，根据测 定结果绘制不同含水率条件下煤样充分解吸后的残 余瓦斯含量变化规律图 4，由图中可知，当吸附平 衡压力为 1.5 MPa 时，干燥煤样的残余瓦斯含量为 5.47 mL/g，4、6、8和 10含水率煤样的残余 瓦斯含量分别为 4.64 mL/g、3.82 mL/g、3.37 mL/g、 2.65 mL/g，都小于干燥煤样，且随着含水率增加逐 渐减少。吸附平衡压力为 2.5 MPa 时，干燥煤样的残 余瓦斯含量为 5.05 mL/g，4、6和 8含水率煤样的 瓦斯含量分别为3.62 mL/g、2.53 mL/g、1.89 mL/g，都 小于干燥煤样，而且同样表现出随含水率增加而减小的 规律；当含水率为10时，残余瓦斯含量为1.93 mL/g， 与 8含水率的接近。 图 4 不同含水率条件下残余瓦斯含量变化 Fig.4 The change of residual gas content at different moisture contents 3.3 自吸水分对煤中瓦斯解吸的综合影响效果 从煤体吸水后残余瓦斯含量的变化规律可知， 不 同含水率煤样的残余瓦斯含量均低于干燥煤样， 表明 自吸水分对晋城永红煤样中的瓦斯解吸整体上表现 为促进作用。理论上讲，水分进入煤体以后，会通过 渗吸作用置换煤中瓦斯， 促进瓦斯解吸； 同时水分也 会进入一些孔隙通道形成水锁， 降低渗透率， 封堵部 分瓦斯，抑制瓦斯解吸。从置换解吸规律看，型煤自 吸水分越多， 置换出的瓦斯量越多， 表现出水分对瓦 斯解吸的促进作用； 从卸压以后的解吸规律来看， 相 同时间内含水煤样的解吸量少于干燥煤， 表现出水分 对卸压解吸速度的抑制作用。 可见，从水分对煤中瓦斯解吸的综合影响过程来 看，单靠卸压解吸规律认定水分对瓦斯解吸起到抑制 作用是不全面的，因为卸压解吸前经过置换作用，煤 的吸附瓦斯量小于吸水前吸附瓦斯量，卸压解吸过程 中，相同时间内含水煤样的瓦斯解吸量必然会减少。 因此，自吸水分对煤中瓦斯解吸的影响是置换效应和 水锁效应两者综合作用的结果，如果置换作用较大， 而水锁作用较小时，水分对瓦斯解吸整体上表现为促 进作用；反之，水分对瓦斯解吸整体上表现为抑制作 用，具体哪一种作用更强，与煤种、煤的孔隙结构和 液体性质等因素有关。对于晋城矿区永红煤矿煤样， 当含水率为 4～10时，水分对煤中瓦斯的置换效应 较强，水锁效应较弱，水分对瓦斯解吸的综合影响表 现为促进作用。 4 结 论 a. 自吸水分对煤中瓦斯具有置换作用， 相同瓦斯吸 附平衡压力下的煤样， 自吸水分越多， 置换瓦斯量越大。 b. 卸压解吸过程中，相同时间内含水煤样瓦斯 解吸量小于干燥煤样瓦斯解吸量，且随着含水率增 加，解吸量逐渐减小。 c. 晋城矿区永红煤矿煤样，含水煤样解吸后的 残余瓦斯含量比干燥煤样的残余瓦斯含量小，且随 着含水率增加残余瓦斯含量逐渐减小，水分对煤中 瓦斯解吸整体上表现为促进作用。 d. 水分对煤中瓦斯解吸的影响是置换效应和 水锁效应的综合作用， 当置换效应大于水锁效应时， 水分对瓦斯解吸的影响整体上表现为促进作用，当 置换效应小于水锁效应时，水分对瓦斯解吸的影响 整体上表现为抑制作用。 参考文献 [1] 蔡建超，郁伯铭. 多孔介质自发渗吸研究进展[J]. 力学进展， 2012，426735-753． CAI Jianchao，YU Boming. 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