煤体温度对钻孔瓦斯放散特征的影响

李建楼，严家平

1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000；2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州，234000；3.安徽理工大学测绘学院，安徽淮南，232001

煤体温度对钻孔瓦斯放散特征的影响

李建楼1,2，严家平3

1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000；2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州，234000；3.安徽理工大学测绘学院，安徽淮南，232001

为了研究围岩中不同温度条件下煤层瓦斯抽采时的初始放散特征，使用了自行研制的煤体瓦斯吸附-解吸试验装置，建立了煤体钻孔瓦斯放散物理模型，分别在27.5℃和28℃条件下采用N2进行煤体的吸附试验和钻孔瓦斯放散试验，并在27.5℃条件下对比了CO2和N2放散特征，实验过程对瓦斯压力、总应力和钻孔瓦斯放散速度进行了监测。试验结果表明，瓦斯压力相同条件下,煤体有效应力随温度升高而增大，钻孔瓦斯的放散初始速度与煤体的有效应力呈明显的负相关关系；结果还表明，本试验中煤样对CO2的吸附量约为N2吸附量的5倍，且CO2的放散速度明显大于N2。

温度；有效应力；煤体；瓦斯；放散

煤层瓦斯是影响煤矿安全生产的有害气体，同时又是一种洁净能源[1]。随着煤层开采深度的增加，煤矿瓦斯地质灾害威胁随之增大，有必要加大钻孔瓦斯抽采力度，提高钻孔瓦斯的放散速度。钻孔瓦斯放散问题的实质是固-气耦合问题，内因是煤孔隙结构发育特征和煤基质表面的吸附势，外因是温度和压力等。改变煤体的温度或压力，可以改变煤与瓦斯的耦合状态，从而改变钻孔瓦斯的放散特征。

专家研究表明，煤体的渗透率与煤体的有效应力呈负相关关系[2-5]。由于煤对瓦斯具有吸附膨胀效应[6-8]，增加了吸附膨胀应力，因而渗透率与瓦斯压力也呈负相关关系[9-10]。然而，钻孔瓦斯的放散特征与煤体温度之间关系到底如何，还有待深入研究。

本文从改变煤体温度的高低出发，研究刚性围岩中煤体钻孔瓦斯的放散特征，研究成果有望为瓦斯灾害防治和瓦斯抽采利用提供理论和技术支持。

1 试验设备和试验样品

1.1 试验设备

试验设备采用自行研制的煤体瓦斯吸附-解吸试验系统，模拟煤体瓦斯抽采时的放散过程。该试验系统主体包括装样系统、压密系统、注气系统、集气系统和信息采集系统[11]。

1.2 煤样品和气体样品

煤样取自淮南矿区潘三井田13号煤层-728 m深度，煤种为气煤，视密度为1.33 g/cm3。煤体外生裂隙发育，用手可捏成碎块，为构造煤[12-13]。

CH4、N2和CO2属于不同类型瓦斯成分。煤对瓦斯的物理吸附-解吸是可逆过程[14-15]，考虑到试验的安全性，本次试验采用了N2和CO2气体进行煤体瓦斯放散特征试验。

2 试验方法

把破碎的煤样装入钢制压力容器，并按照顺序埋入两只总压力传感器，编号分别为1号和2号，然后安装容器端盖。启动液压泵，对煤样进行缓慢加压到26Mpa后关闭液压腔体进液阀，保证煤样容器体积不变，模拟刚性围岩中的煤层状态。7天后，煤样内总压力传感器测量值不再下降。在煤样压力容器筒壁测量孔处打钻(钻孔深度100 mm)，沿容器轴向等间距安装6只气压传感器测量管和6只温度传感器并密封。利用高压气瓶向煤样压力容器内注入N2，气体入口压力为0.3 Mpa，保持压力3天后，煤样容器内煤体瓦斯达到吸附平衡状态，关闭装煤样容器的进气阀门，打开煤样容器的排气阀门，让气体经过出口管线流经气体流量计。记录气体放散速度、有效应力随时间的变化曲线。

改变温度，重复上述实验过程。

装样容器中装入煤样之后的总压力传感器和气压传感器布置如图1。

图1 传感器布置示意图

3 试验结果和分析

3.1 不同温度条件下煤体瓦斯放散特征

本试验采用N2作为试验气体，煤体内气体吸附平衡压力稳定在0.3 MPa，煤体温度分别在27.5℃和28℃条件下进行煤体瓦斯的吸附与放散试验。

煤体温度分别在27.5℃和28℃条件下，瓦斯放散过程中煤体有效应力随时间的变化如图2。

图2 煤体温度27.5℃和28℃条件下N2放散过程中有效应力随时间变化

从图2中的拟合方程可以看出，温度高的煤体不仅有效应力高，而且在瓦斯放散过程中应力降低较慢。

瓦斯放散速度随时间变化曲线如图3。从图3中可以看出，煤体温度28℃条件下N2的放散速度明显小于27.5℃条件下的放散速度。分析认为，在相同的煤体及相同瓦斯压力条件下，煤体温度的升高会造成吸附动态平衡时瓦斯含量降低和煤体有效应力增大的双重效应。当吸附平衡温度由27.5℃转化为28℃时，煤体瓦斯吸收热量，一部分吸附态瓦斯转化为游离态，为了保持煤体内气压的稳定，必然有部分瓦斯沿供气管线和稳压阀流出煤体，煤体瓦斯含量降低。经测定，两种温度条件下对应的瓦斯含量分别为51.5 L和41.9 L；同时，煤体吸热后煤基质分子热运动加强，分子间距离增加，在宏观上则表现为具有膨胀趋势，由于煤体受围限，从而煤体有效应力增加，本实验由3.35 MPa增大到4.23 Mpa，煤体内裂隙变窄，渗透率降低。因此，在煤体温度较高的双重效应作用下，瓦斯放散速度明显降低。

图3 煤体温度27.5℃和28℃条件下N2的放散速度随时间变化

图4 煤体温度27.5℃、吸附气压0.3 MPa 条件下CO2和N2放散曲线

从图3还可以看出，在煤体温度一定的情况下，N2气从煤体内放散的初始阶段，放散速度随时间延长都按照对数规律降低。分析认为，气体放散初始阶段，放散量的贡献主要来自于煤体内游离态的瓦斯，少量来自于吸附态的瓦斯，造成瓦斯放散量迅速降低；气体放散过程中，放散量的贡献逐渐转换为以吸附态瓦斯转化而来的瓦斯为主，但由于放散的速度远小于渗透的速度，造成后期瓦斯放散量较小，放散曲线逐渐平缓。

3.2 不同成分瓦斯气体的放散特征

试验在煤体温度27.5℃、气体吸附平衡压力0.3 MPa条件下，CO2和N2的吸附量分别是256 L和51.5 L，煤对CO2的吸附能力是对N2吸附能力的4～6倍。两种气体的放散速度随时间变化曲线如图4。

从图4可以看出，刚性围岩、煤体温度27.5℃、吸附气压0.3 MPa条件下，CO2和N2的放散速度随时间分别按照对数规律降低。而且CO2的放散速度明显高于N2的放散速度。分析认为，由于两种气体理化性质的不同，造成了同等温度和压力条件下煤对CO2的吸附量大于煤对N2的吸附量，因此CO2的放散速度高于N2的放散速度。

对图4中的拟合方程两边求导可看出，CO2放散加速度值大于N2放散加速度值，说明CO2放散速度衰减比N2快，原因是CO2在分子体积、分子极性、粘滞性等方面比N2高，导致CO2分子在煤的小孔和微孔中的运移速度小于N2分子，减弱了对放散速度的贡献。

4 结 论

根据煤体瓦斯的吸附和放散试验数据进行综合分析，可以得到以下结论：

(1)刚性围岩、等瓦斯压力条件下，煤体温度越高，煤体的有效应力越高，裂隙通道被压缩，则钻孔瓦斯放散初始速度越小。

(2)刚性围岩、等温、等瓦斯压力条件下，CO2的吸附量远大于N2，CO2放散速度也明显高于N2的放散速度，且随时间延长而按照对数规律降低。

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(责任编辑：汪材印)

The Effect of Temperature on Coal gas Emission from the Borehole

LI Jian-lou1,2，YAN Jia-ping3

1.School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University,Suzhou Anhui，234000 2.Anhui Engineering & Technical Research Center for Coal Exploration,Suzhou Anhui，234000 3.School of Geodesy and Geomatics, Anhui University of Science and Technology,Huainan,232001,China

In order to study the characteristics of initial coal gas emission during the process of coal gas extraction under conditions of different temperature of coal body clamped by strata, a self developed adsorption & desorption test device was used to establish a physics model. N2was adopted to simulate coal gas adsorption and emission behaviour under 27.5℃ and 28℃ respectively. CO2and N2were compared in the test. Gas pressure, total stress and gas emission velocity from borehole were monitored in the experiment. Experimental results show that effective stress increases when temperature is up and there is significant negative correlation between initial emission velocity of gas and effective stress of coal body. The results also show that the quantity of CO2adsorpted is about 5 times of that of N2in this experiment. In addition, emission velocity of CO2is obviously higher than that of N2.

temperature;effective stress;coal body;gas;emission

2014-10-15

宿州学院安徽省煤矿勘探工程技术研究中心开放项目“煤体孔隙结构与瓦斯富集的相关性研究”(2014YKF02)。

李建楼(1973-)，安徽宿州人，博士，副教授，主要研究方向：煤田地质和瓦斯地质。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.12.027

TD712

A

1673-2006(2014)12-0092-03