水驱气中驱动液侵入对瓦斯解吸的影响

张国华,　寿纪鹏

(黑龙江科技学院 安全工程学院, 哈尔滨 150027)



水驱气中驱动液侵入对瓦斯解吸的影响

张国华,寿纪鹏

(黑龙江科技学院 安全工程学院, 哈尔滨 150027)

针对水驱气的实施时间和驱动液的选择问题,利用外液侵入条件下含瓦斯煤的瓦斯解吸实验装置,开展了纯水和质量分数为0.025%JFC渗透剂溶液侵入过程中和侵入后对瓦斯解吸影响实验研究。结果表明:在煤层高压注液过程中对瓦斯的解吸和运移具有促进作用,且促进作用的表现程度与液体的性质有关,而在注液之后则对瓦斯解吸与释放具有延缓与阻碍作用。为了充分利用上述两种作用,在水驱气的实施时间上宜选在抽采末期,而在驱动液的选择上则宜在纯水中添加一定量的渗透剂,变“水驱气”为“液驱气”。在抽采钻孔利用上,注液孔与抽采孔宜分开使用。该研究可以为水驱气的利用提供参考。

瓦斯抽采; 水驱气; 实施时间; 驱动液

0　引　言

煤矿井下回采工作面瓦斯抽采与工作面正常回采之间相互制约问题一直存在。欲达到应有的抽采效果,必须有足够的抽采时间来保证,否则就会因抽采时间不足而导致在回采过程中工作面仍然存在瓦斯超限;反之,若过分追求抽采效果则势必会影响工作面正常回采,导致生产能力难以正常发挥。归根结底,该问题主要是由于瓦斯的抽采效率和抽采率比较低而造成的[1]。

为了提高瓦斯的抽采效率和抽采率,学者们做了大量研究工作:一是通过深孔松动爆破、水力压裂、水力割缝等技术措施,增加储层内部的裂隙通道,从而提高储层的渗透率[2-7];二是优化抽采工艺和布孔参数[8];三是采用气驱气或水驱气等措施,促进瓦斯脱附并加快瓦斯在孔道中的运移[9-10];四是采用外加电磁场来促进瓦斯解吸[11]。前两者在应用上较多,但其效果因地而异。关于气驱气,在应用上主要集中在地面钻井煤层气开采领域,在井下回采工作面瓦斯抽采中应用极少。对于后者,尚处于实验室研究阶段。

水驱气是近年来提出的一种提高瓦斯抽采效率的方法。该方法不仅能够促进煤体内瓦斯的运移,同时还能够从源头上起到降低产尘的作用。然而,在实施过程中,往往由于水的后置侵入而导致瓦斯抽采效果不好,甚至出现抽不出来的现象。

据此,笔者在不考虑水对瓦斯动力驱动影响的条件下,开展了纯水和JFC渗透剂溶液侵入过程、侵入之后对含瓦斯煤体瓦斯解吸影响的实验研究,力求探寻出相应的规律。

1　实验过程

实验所用煤样取自七台河桃山煤矿85#高瓦斯煤层,实测煤层温度为17 ℃,瓦斯压力为2.2 MPa。通过实验室分析,煤质为1/3焦煤,水分1.12%、灰分5.49%、挥发分30.51%、固定碳为62.88%。实验过程中的煤样用量为2 kg,粒径为2～3 cm,外液则分别为纯水和质量分数为0.025%的JFC渗透剂溶液。结合工作面未采煤体在瓦斯抽采过程中所处的环境压力连续变化的特点,实验过程中的瓦斯吸附平衡压力选设了2.0、1.5、1.0 MPa三个压力水平。

整个实验在外液侵入条件下含瓦斯煤的瓦斯解吸实验装置上进行,装置如图1所示。

图1　外液侵入条件下瓦斯解吸实验装置

Fig. 1Gas desorption experimental device under conditions of external liquid invasion

实验过程如下:

(1)将外液、煤样装入内置外液联动装置中的相应容器内,并将整体放入样品缸内,按图1连接整个实验系统。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[12],进行系统气密性检测。

(2)通过真空泵对系统进行真空脱气,之后注入氦气并求测样品缸内煤样的实体体积和自由空间的体积。

(3)重新真空脱气后注入甲烷,并使样品缸内瓦斯吸附达到平衡,平衡后的压力记为p0。

(4)外液侵入过程中瓦斯解吸量测定。操作实验装置使内置外液联动装置中的外液淋洒到煤样上,然后开始通过样品缸上的压力表分别记录不同时间点的压力值p1i。若p1i始终等于p0,表明外液侵入过程中无瓦斯的解吸。否则,按式(1)计算在不同时间点的瓦斯累积解吸量:

(1)

式中:Δm1i——外液侵入过程中单位质量煤的瓦斯累积解吸量,cm3/g;

Vm——甲烷气体的摩尔体积,取22.4×103cm3/mol;

m——煤样的质量,g;

V——样品缸内自由空间的体积,cm3;

R——气体常数,R=8.735[13];

T——实验温度,K;

Z1i、Z0——p1i、p0压力时所对应的甲烷气体压缩因子。

每次实验,从外液侵入开始,每隔10 min(开始时每隔5 min)记录一次压力值,整个记录时间持续6 h。

(5)外液侵入之后在环境压力降低情况下的瓦斯解吸量测定。在以上测定的基础上,再经过6 h,打开控制阀,使样品缸内的瓦斯压力降到p0-0=p0-0.5 MPa,关闭控制阀,之后开始记录不同时间点时的压力值p2i,并按式(2)计算煤样在不同时间点时的瓦斯解吸量:

(2)

式中:Δm2i——外液侵入之后环境压力降低条件下单位质量煤的瓦斯累积解吸量,cm3/g;

Z2i、Z0-0——p2i、p0-0压力时所对应的甲烷气体压缩因子。

每次实验,从环境压力降低到p0-0开始,前2 h每隔10 min记录一次压力值,之后每隔20 min记录一次压力值,整个记录时间持续12 h。

2　结果与分析

通过实验,在考虑溶于水的瓦斯变化影响之后,获得了外液侵入过程中和外液侵入后环境压力降低条件下的瓦斯解吸实验数据，分别如表1和表2所示。表中tw为外液侵入时间，tJ为降压后时间，M为瓦斯解吸量，px为吸附平衡压力，ph为环境压力。需要说明的是,除纯水在侵入过程中没有获得明显的相关数据外,质量分数为0.025%的JFC渗透剂溶液在不同吸附平衡压力水平侵入时均获得了相关实验数据。

根据实验数据,可获得不同瓦斯吸附平衡压力水平条件下,外液侵入过程中的瓦斯解吸量变化曲线,见图2。不同瓦斯吸附平衡压力和环境压力条件下,不同外液侵入之后的瓦斯解吸量变化对比曲线见图3。同一外液侵入之后,在不同瓦斯吸附平衡压力水平和环境压力条件下的瓦斯解吸量变化对比曲线见图4。

通过图2可知,对于含瓦斯煤体而言,在外液侵入过程中存在瓦斯解吸现象,表明外液的后置侵入对瓦斯解吸具有促进作用。外液侵入过程中对瓦斯解吸促进作用的表现程度与外液的性质有关,具体表现为纯水不明显,而渗透剂溶液则明显。由图3、4分析可知,当处于吸附平衡状态的含瓦斯煤体的环境压力降低时,均会有瓦斯解吸,但其解吸量与有无外液侵入以及外液的性质有关;相比较而言,外液侵入之后的含瓦斯煤体的瓦斯解吸量均比无外液侵入条件下的含瓦斯煤体的瓦斯解吸量要小,表明外液侵入之后对瓦斯的解吸和释放具有明显的延缓和阻碍作用;质量分数为0.025%的渗透剂溶液侵入含瓦斯煤体之后,其对瓦斯解吸与释放的延缓和阻碍作用明显要强于纯水。

图2　外液侵入过程中的瓦斯解吸量变化曲线

Fig. 2Gas desorption quantity change curves during outer solution invasion

图3　不同外液侵入后的瓦斯解吸量变化对比曲线Fig. 3　Gas desorption quantity change contrast curves after outer solution invasion

图4　不同瓦斯吸附平衡压力和环境压力下的瓦斯解吸量变化对比曲线

Fig. 4Gas desorption quantity change contrast curves of different gas adsorption balance pressure and environmental pressure

3　工程指导意义

水驱气主要是利用高压水注入含瓦斯煤体过程中的动力驱动作用来促进瓦斯运移,以此来提高瓦斯的抽采效率和抽采率。通过实验可知,在注液的过程中,除了高压液体对瓦斯的动力驱动之外,还附加有外液对吸附瓦斯的解吸促进作用,而这种作用与外液的性质有关。因此,在利用水驱气提高瓦斯抽采效率时,可以考虑在水中添加渗透剂来作为驱动液,借此可以进一步提高瓦斯的抽采效果。另外,通过实验还可以看到,在外液侵入含瓦斯煤体之后,其对瓦斯的解吸与释放具有明显的延缓和阻碍作用,即水锁作用[14-15],这对提高瓦斯的抽采效率和抽采率虽然不利,但在工作面瓦斯超限防治中却可以加以利用[16]。

总之,若借助水驱气来提高瓦斯的抽采效果,可以变“水驱气”为“液驱气”,充分利用渗透剂溶液对瓦斯解吸的促进作用。同时,液驱气措施不宜在抽采时过早采用,否则会因其水锁作用而影响瓦斯继续抽采的效果。在抽采末期予以实施,不仅可以提高外液注入过程中的驱气效果,而且还可借助注液后对瓦斯解吸与释放的阻碍作用来防止工作面落煤过程中的瓦斯超限。另外,在钻孔的利用上,可考虑将一部分抽采钻孔作为注液孔实施高压注液,利用渗透剂溶液对瓦斯解吸的促进作用和高压作用下的动力驱动作用促进瓦斯解吸与运移,而另一部分抽采钻孔则继续实施抽采,以便起到导流的作用,以此来提高抽采末期的瓦斯抽采效果。

4　结束语

水驱气过程中,煤层注入高压液体将对瓦斯的解吸与运移产生两种作用,一是注入过程中对瓦斯的解吸和运移的促进作用,这种促进作用的表现程度与液体的性质有关;二是注入之后对瓦斯的解吸与释放具有延缓与阻碍作用。这两种作用可以从提高抽采末期的瓦斯抽采效果和防止工作面落煤过程中瓦斯超限两个方面加以综合利用。

笔者认为,无论是提高瓦斯抽采效果还是防止工作面落煤过程中瓦斯超限,水驱气在实施时间上均宜选在抽采后期,同时为了提高注入过程中对瓦斯解吸的促进作用,以及注入后对瓦斯解吸与释放的延缓和阻碍作用,宜在纯水中添加一定量的渗透剂,变“水驱气”为“液驱气”。

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(编辑徐岩)

Experiment of drive liquid invasion impact on gas desorption about water drive gas

ZHANGGuohua,SHOUJipeng

(College of Safety Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at implementation time of water drive gas and the selection of drive liquid, this paper describes the experimental study of the impact on gas desorption by the invasion of pure water and the concentration of 0.025% penetrant agent solution, using gas desorption experiment device of gas-bearing coal under the condition of external solution invasion. The results show that the high pressure liquid performs the function of promoting gas desorption and migration during invasion to the performance degree as determined by the nature of liquid which could delay and block gas desorption and release after invasion. The efforts to make fuller use of the two kinds of function necessitate the application of the implementation time of water drive gas to gas extraction’s later stage and addition of certain amount of penetrant to pure water to change “water drive gas” into “liquid drive gas”, coupled with separately using the drilling of injection liquid and the drilling of gas extraction during the use of extraction drilling. The study promises as reference for using water drive gas.

gas extraction; water drive gas; implementation time; drive liquid

1671-0118(2012)03-0263-06

2012-05-04

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、采动围岩灾变与控制，E-mail：zgh710828131@163.com。

TD712.6

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