渗透剂溶液对瓦斯解吸促进作用的实验研究

张国华， 梁 冰， 毕业武， 蒲文龙

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院，哈尔滨 150027; 2.辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院，辽宁 阜新 123000)

渗透剂溶液对瓦斯解吸促进作用的实验研究

张国华1，2， 梁 冰2， 毕业武1， 蒲文龙1

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院，哈尔滨 150027; 2.辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院，辽宁 阜新 123000)

为提高瓦斯解吸效率，利用自主设计的瓦斯解吸测定装置，进行外液后置侵入过程中的瓦斯解吸实验，分析了纯水和0.025%渗透剂溶液侵入后含瓦斯煤的瓦斯解吸规律。结果表明:渗透剂溶液能够促进瓦斯解吸，而纯水作用不明显;外液侵入后瓦斯快速解吸集中在前10 min之内，而后逐步变缓并趋于终止。该研究对解决工作面瓦斯抽采与回采之间的时间制约问题具有一定的参考价值。

瓦斯;解吸;渗透剂溶液

瓦斯抽采技术是预防瓦斯灾害的有效方法之一，在高瓦斯矿井和高瓦斯回采工作面得到了普遍推广与应用［1－7］。由于预采煤体的瓦斯抽采效果需要一定的时间作保证，与正常回采时间相互制约，致使抽采时间不足，从而使回采期间工作面瓦斯超限，在一定程度上影响了瓦斯抽采技术的推广与应用。其根本原因就在于含瓦斯煤中的瓦斯解吸效率偏低。

煤层气勘探与开采界有一条被公认的规律，即“有水则无瓦斯”［8］，意指勘探区域若存在大量水，则在该区域不存在瓦斯或存在的瓦斯很少。这说明地下水对吸附瓦斯有“竞位置换”作用，径流水对瓦斯具有排挤、驱动、携带作用。这无疑给我们一个启示，即对于原始含瓦斯煤体，若有外液后置侵入，将会对原处于吸附平衡状态的瓦斯产生置换脱附作用，进而促使瓦斯快速解吸与运移。这对提高瓦斯解吸效率具有积极作用。据此，笔者通过渗透剂溶液侵入过程中瓦斯解吸规律的实验研究，探讨了纯水和0.025%渗透剂溶液在不同瓦斯压力水平下，向含瓦斯煤体侵入过程中的瓦斯解吸规律，为依托注入外液提高瓦斯解吸效率的研究提供参考，同时为瓦斯抽采技术的推广应用提供了支持。

1 实验条件与操作过程

1.1 实验条件

1.1.1 样品

实验样品由煤样和外液两部分组成。煤样取自黑龙江龙煤控股集团七台河分公司桃山煤矿一采区85#层高瓦斯工作面，煤种为1/3焦煤，工业分析结果如表1所示，用量为2 kg。外液分别采用纯水和质量分数为0.025%的JFC渗透剂溶液，其用量均为500 mL。实测煤层原始瓦斯压力为2.2 MPa，温度为17℃。

表1 煤样工业分析结果Table 1 Industry analysis result of coal sample %

实验共进行两组，每组分别测定瓦斯平衡压力为2.5、2.0、1.5、1.0、0.5 MPa时的瓦斯解吸情况。环境温度为17℃。

1.1.2 装置

结合含瓦斯煤中瓦斯所处的原始环境状态，确定实验应同时满足三个条件:一是含瓦斯煤体必须处于瓦斯吸附平衡状态;二是实验过程中不会因外液的侵入而改变实验空间内含瓦斯煤所处的环境压力;三是外液的侵入对含瓦斯煤体中的瓦斯不具有动力驱动作用。

基于上述条件，自主研发了外液侵入条件下含瓦斯煤的瓦斯解吸实验装置，如图1所示。该装置主要由真空泵、高压连接软管、控制阀、压力表、参照缸、样品缸、内置外液联动装置等构成。其中，条件二和条件三依托内置外液联动装置(图2)实现。该装置由装液缸、均布扩散器、托架组成，利用液体自重并通过倾斜实现自动外液侵入。其原理是:在装液缸中装入配置好的外液，在煤样瓶中装入实验煤样，并按照图2将煤样瓶、均布分散器、装液缸分别放置在托架下部、中部、上部，然后将整个内置外液联动装置放在样品缸内。在实验过程中，当需要使外液侵入含瓦斯煤体时，只要使内置外液联动装置连同样品缸一起倾斜一个角度，球形控制阀门便会自动打开，外液就会沿着装液缸底部的孔进入均布分散器内部，然后通过均布分散器底部更小的孔均匀地淋洒在煤样上，从而实现外液侵入。为避免内置外液联动装置在密闭空间的压力作用下产生变形，采用刚性材质。

1.2 操作过程

利用实验装置进行外液侵入过程中的含瓦斯煤体瓦斯解吸规律实验，操作过程如下:

(1)制备实验样品，为使煤样尽可能保留原有的孔隙和裂隙，其粒度设定为20～30 mm。

(2)将整个内置外液联动装置按图2连接后，将外液、煤样等装入相应的容器内，整体置入样品缸内，而后按照图1进行系统连接，并检查系统的气密性，以保证实验在密闭条件下进行。

(3)参照GB/T 19560—2008《煤的高压等温吸附试验方法》中高压容量法的实验过程［9］，通过真空泵对系统进行真空脱气，而后注入氦气并测量样品缸内煤样的体积以及自由空间的体积。

(4)再次进行真空脱气，而后注入甲烷，经过24 h使样品缸内瓦斯吸附达到平衡状态，平衡后的压力记为p0。

(5)将样品缸倾斜一个角度，使内置外液联动装置的球形控制阀打开，将外液淋洒到煤样上，然后通过样品缸上的压力表分别记录不同时间点的压力值pi，并计算煤样在不同时间点时的瓦斯解吸量，即

式中:Δv为单位质量煤所解吸出来的瓦斯量，cm3/g; Vm为甲烷气体的摩尔体积，取22.4×103cm3/mol; m为煤样质量，g;V为样品缸内自由空间的体积，cm3;R为气体常数，R=8.735［10］，量纲1;T为实验温度，K;Zi、Z0分别为pi和p0压力时所对应的甲烷气体压缩因子。每次实验，从外液侵入时开始记录，整个记录时间持续4 h。

(6)绘制瓦斯解吸量与时间关系曲线并进行实验结果分析。在无外液侵入的条件下含瓦斯煤中的瓦斯处于吸附平衡状态，故样品缸内的瓦斯压力会始终保持不变。当有外液侵入时，外液分子与瓦斯气体分子在煤表面进行竞位吸附，若此时样品缸内的压力保持不变，表明瓦斯气体分子在竞位吸附时占有绝对优势，外液不对瓦斯解吸产生影响。若外液分子在竞争吸附位时占有绝对优势，则样品缸内瓦斯压力增加，吸附瓦斯产生解吸。这一规律可通过瓦斯解吸量与时间关系曲线直接反映出来。

2 结果与分析

2.1 实验结果

除外液为纯水时压力在各时刻几乎不变外，其他渗透剂溶液侵入条件下压力均发生了不同程度的变化。依据瓦斯解吸量计算公式获得了不同压力水平时不同时间点的瓦斯解吸量，如表2所示。根据表2，可获得0.025%渗透剂溶液侵入后，含瓦斯煤在不同瓦斯平衡压力下的瓦斯解吸对比曲线，如图3所示。

2.2 瓦斯解吸规律

由实验数据及瓦斯解吸变化曲线可知:

(1)在纯水侵入后，不同平衡压力条件下含瓦斯煤体未发生明显的瓦斯解吸现象，而在0.025%渗透剂溶液侵入后，则存在瓦斯解吸现象，总体表现为液体分子在与瓦斯气体分子竞争吸附位时占有绝对优势，存在促进瓦斯解吸脱附的液置气现象。

表2 渗透剂溶液侵入后含瓦斯煤的瓦斯解吸实验数据Table 2 Gas desorption experimental data of coal with gas after concentration penetrant solution invasion

(2)渗透剂溶液对瓦斯解吸的促进效果与所处的瓦斯平衡压力水平有关。瓦斯平衡压力水平越高，瓦斯解吸促进效果越明显。

(3)渗透剂溶液侵入后，在开始10 min内对瓦斯解吸的促进效果最为明显，而后逐步减缓并最终停止，其停止时间整体上随着瓦斯平衡压力水平的降低而缩短。这表明渗透剂溶液侵入对瓦斯解吸的促进作用仅发生在有限的时间之内。

结合吸附原理［11］，根据实验结果推断，外液侵入对瓦斯解吸的促进作用主要源于两个方面:一是对于大孔隙和裂隙表面，外液的侵入使原本处于吸附状态的瓦斯分子在竞争吸附位上产生置换，进而脱附解吸;二是对于中孔和微孔，外液的侵入在孔隙端部产生自然毛细现象，在毛细静力驱动作用下，孔内瓦斯向另一端移动并外排，进而促进了瓦斯的流动。纯水的表面张力大、浸润性差，在与煤表面接触时未形成浸润铺展效应，因此其侵入后对瓦斯解吸的促进作用不明显。相反，加入渗透剂后，水的表面张力大大降低，对煤的浸润性提高，在与煤表面接触时容易形成铺展效应，因此，对煤体表面吸附瓦斯分子所产生的竞位吸附置换作用明显。

通过外液侵入过程中瓦斯解吸实验研究可获得如下启示:为了提高含瓦斯煤中的瓦斯解吸效率，从根本上解决工作面瓦斯抽采与回采在时间上的相互制约问题，可以在瓦斯抽采的后期向含瓦斯煤层中注入渗透剂溶液，一方面利用渗透剂溶液对瓦斯气体分子在大孔隙和裂隙表面的竞位吸附作用促使吸附瓦斯加速脱附解吸，同时利用渗透剂溶液侵入后在中孔和微孔端部产生的毛细静力驱动作用促使瓦斯自然移动和外排;另一方面利用外液注入过程中液体的动力驱动作用使孔隙中的瓦斯产生定向移动［12］。在竞位脱附、毛细静力驱动、动力驱动三者的综合作用下，共同促使含瓦斯煤中的瓦斯快速解吸与运移，以此提高瓦斯的解吸效率。当然，在外液侵入并促使瓦斯快速解吸之后，会在煤体孔隙中产生水锁效应［13］，从而缩短瓦斯抽采的终止时间，但同样可利用这一水锁效应防治因工作面提前停止抽采而造成的工作面瓦斯超限。

3 结论

(1)向含瓦斯煤体注入渗透剂溶液，能够促进瓦斯的解吸。比较而言，纯水对瓦斯的解吸促进作用不明显。

(2)渗透剂溶液对含瓦斯煤体中的瓦斯解吸促进作用只发生在一段时间之内，之后逐步停止，快速解吸集中在前10 min以内。

(3)生产中以渗透剂溶液代替纯水并高压注入含瓦斯煤体，利用外液对瓦斯的竞位脱附、毛细静力驱动、动力驱动三者的共同作用，促使瓦斯快速解吸与运移，以此提高瓦斯抽采效率。

［1］翟 成，林柏泉，王 力.我国煤矿井下煤层气抽采利用现状及问题［J］.天然气工业，2008，28(7):23－26.

［2］袁 亮.留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术［J］.煤炭学报，2008，33(8):898－902.

［3］张国华，侯凤才.预留瓦斯抽放钻场中钻场间距及布孔参数的确定［J］.煤炭学报，2008(9):992－996.

［4］徐 超，辛海会，刘辉辉.我国煤矿瓦斯抽放技术现状及展望［J］.煤矿现代化，2010(1):3－4.

［5］黄旭超，孟贤正，傅昆岚，等.开采上保护层被保护煤层穿层钻孔抽采瓦斯技术［J］.煤炭科学技术，2009，37(9):38－40.

［6］张爱科.阳煤集团煤矿瓦斯治理状况与展望［J］.中国煤层气，2009，6(6):28－30.

［7］陶云奇，许 江，李树春，等.回采工作面瓦斯综合治理技术［J］.重庆大学学报，2008，31(9):1068－1073.

［8］张隧安，霍永忠，叶建平，等.煤层气的置换解吸实验及机理探索［J］.科学通报，2005，50(S1):143－146.

［9］煤炭科学研究总院西安研究院，中联煤层气有限责任公司.GB/T 19560—2008煤的高压等温吸附试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2009.

［10］马东民.煤层气吸附解吸机理研究［D］.西安:西安科技大学，2008:37－38.

［11］赵振国.吸附作用应用原理［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［12］张晓梅，宋维源.煤岩双重介质注水驱气渗流的理论研究［J］.煤炭学报，2006，31(2):187－190.

［13］张国华，鲁 婷，梁 冰，等.基于水锁机理的瓦斯超限防治理论［J］.黑龙江科技学院学报，2010，20(2):103－106.

Experiment on penetrant solution’s promoter action on gas desorption

ZHANG Guohua1，2， LIANG Bing2， BI Yewu1， PU Wenlong1
(1.College of Safety Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China; 2.College of Resources＆Environment Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

Aimed at improving gas desorption efficiency，this paper introduces the use of self-designed gas desorption experimental measuring device under external solution invasion for the experimental study of gas desorption during external solution invasion，and offers a summary of gas desorption law of coal with gas after water and 0.025%penetrant solution invasion.The results show that:penetrant solution invasion can improve gas desorption，without obvious pure water invasion;gas quick desorption is focused within 10 minutes，then gradually slows down and tends to be terminated.The study has some reference and application value for eliminating the mutual constraints in time between gas extraction and mining on coal face.

gas;desorption;penetrant solution

TD712.61

A

1671－0118(2011)04－0261－04

2011－07－02

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB201206－2)

张国华(1971－)，男，黑龙江省讷河人，教授，博士，研究方向:瓦斯灾害防治与瓦斯资源开采，E-mail:zgh710828131@163.com。

(编辑荀海鑫)