水锁抑制工作面瓦斯超限机理实验研究*

王占立，刘 丹，徐元华，林可拙

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨150027;2.演马庄矿，焦作454000)

0 引 言

在中国煤矿开采中，高瓦斯回采工作面和掘进工作面瓦斯超限非常普遍，特别是随着开采深度、开采强度的增加，瓦斯超限现象时有发生［1-3］。瓦斯超限极大地限制煤矿生产能力的发挥，采掘工作面因难以将瓦斯浓度控制在安全范围以内而不得不减慢采、掘速度，在很大程度上限制煤矿生产能力的发挥。因此，在当前市场经济条件下，瓦斯灾害治理的好坏已成为制约煤矿发展的关键，而防治工作面瓦斯超限、减少瓦斯涌出量是煤矿瓦斯灾害防治的重点。但从目前研究报道来看，中国在减少回采工作面瓦斯超限问题方面取得一定的成绩［4-11］，但仍存在着一些缺陷和不足，虽在矿井实践治理上取得了一定成果，但未从根本上解决矿井瓦斯超限问题，忽略了对开采过程中减少煤层瓦斯含量，阻止瓦斯释放，防治瓦斯超限机理方面的理论研究和实验研究。

张国华等教授［12-16］把石油和天然气开采领域中的水锁效应运用到矿山领域，提出水锁瓦斯理论。利用水锁防止工作面瓦斯超限尚属一个新方向，因此，深入研究抑制煤层瓦斯超限的机理，探索出利用水锁防止工作面瓦斯超限的方法，对指导矿井安全生产具有十分重要的现实意义。据此，笔者通过实验专门研究了不同质量分数溶液水锁效应对含瓦斯煤中瓦斯解吸量的影响，进而提出抽采+水锁或采前向煤体注液形成水锁的方法来抑制瓦斯释放量和瓦斯释放速度，进而解决回采工作面存在的瓦斯超限问题。

1 实验装置及实验方法

1.1 实验装置

文中实验所使用的实验装置为水锁抑制含瓦斯煤吸附解吸实验系统，如图1 所示，该装置主要由以下5 个部分组成

1)参照缸和样品缸以及管路系统:该部分为整个实验装置的主体，样品缸和参照缸均为耐高压的压力容器;

2)内置外液联动装置:该部分装置置于样品缸中，为煤样注入抑制液的内外联动装置;

3)测量计量系统:由高精度压力表、温度传感器组成，实现温度和压力实时监测与控制;

4)高压供气系统:给系统供给高压甲烷气的是压力为14 MPa 的甲烷气钢瓶(99.99%);

5)真空系统:真空系统由真空泵、真空计、管路等组成，由管路上的控制阀控制脱气。

图1 水锁抑制含瓦斯煤吸附解吸实验系统实验装置结构图Fig.1 Structure of experimental system in water-blocking effect on methane desorption

1.2 实验方法

利用该实验装置进行不同质量分数溶剂水锁效应下瓦斯解吸实验研究，其基本操作过程如下。

1.2.1 试样准备

实验的主要样品采用20 ～30 mm 的块状煤样，盛取2 000 g 试样放入样品缸中，煤样装入缸中要轻敲振平，应尽量装满压实，以减少缸内死空间。装好煤样的样品缸要旋紧固紧螺钉，并用高压气体充入检查气密性，充入气体压力应高于试验压力，将充有高压气体的吸附缸置于水中检查，各接头位置及高压阀口不应有气泡出现。

1.2.2 试样真空脱气

将经过气密性检查的样品缸缓缓打开高压阀门，放掉高压气体后与真空泵连接，进行脱气，直到真空表显示-0.1 MPa 达2 h 停止脱气。

1.2.3 试样瓦斯吸附平衡

脱气结束后，拧开高纯(浓度99.9%)高压瓦斯钢瓶阀门和样品缸阀门，使高压瓦斯钢瓶与样品缸连通，当缸内瓦斯压力达到实验所需值时，迅速关闭阀门，读取样品缸稳定压力值、室温和大气压力。煤样吸附平衡时间控制在48 h 以上，以期达到充分吸附平衡。

1.2.4 降压解吸

准备好温度计和计时秒表，测定并记录气温和气压，为了模拟抽采过程中的瓦斯解吸情况，打开样品缸的控制阀，放出煤样罐内的游离瓦斯使样品缸内瓦斯压力降到3.5 MPa，然后关闭控制阀，开始2 h 内以10 min 为间隔，依次记录样品缸内的瓦斯压力，后8 h 则以20 min 为间隔，依次记录样品缸内的瓦斯压力，整个解吸时间持续10 h，然后按下式计算得出不同时间点时的瓦斯解吸量。

式中 ΔV 为单位质量煤所解吸出来的瓦斯量，cm3/g;Vf甲烷气体的摩尔体积，22. 4 ×103cm3/mol;M 为煤样的总质量，g;V 为样品缸内自由空间的体积，cm3;R 为气体常数，R =8.735 J/mol. K;T为实验温度，k;P1，P0分别为样品缸内记录时间点的压力和降点压力，MPa;Z1，Z0分别为P1和P0压力时所对应的甲烷气体压缩因子。

然后再依次打开控制阀使样品缸内瓦斯压力分别降到3.0，2.5，1.5，1.0 MPa 同样按上述过程每隔10 min 记录一次样品缸内瓦斯压力，每个压力点的解吸持续时间均为10 h，然后分别按上式计算出不同时间点的瓦斯解吸量。

1.2.5 喷洒外液

在进行喷洒水和0.025%JFC 渗透剂溶液对比实验时，要在煤样充分吸附平衡后，启动内置外液联动装置进行喷液，使外液充分浸润煤样后开始降压解吸。此后步骤如(4)中所示。

2 实验数据测定与分析

2.1 实验数据测定

根据上述实验方法，实验取演马庄矿高瓦斯煤层煤样为测试对象，以无外液侵入煤样、水和0.025%的JFC 渗透剂溶液侵入煤样在实验室恒温装置条件下进行不同压力点的瓦斯解吸速度的对比试验，具体实验数据见表1 ～5.

表1 3.5 MPa 压力下煤样瓦斯随时间变化的解吸量统计表Tab.1 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 3.5 MPa

表2 3.0 MPa 压力下煤样瓦斯随时间变化的解吸量统计表Tab.2 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 3 MPa

表3 2.5 MPa 压力下煤样瓦斯随时间变化的解吸量统计表Tab.3 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 2.5 MPa

表4 1.5 MPa 压力下煤样瓦斯随时间变化的解吸量统计表Tab.4 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 1.5 MPa

表5 1.0 MPa 压力下煤样瓦斯随时间变化的解吸量统计表Tab.5 Statistics with time variation of the gas desorption amount in 1.0 MPa

2 实验结果分析

根据上述实验数据及瓦斯解析量结算公式得出不同压力下煤样的解吸量，见表6.

表6 不同压力下煤样的解吸量统计表Tab.6 Statistics of the gas desorption amount in different pressure

从表6 不同压力下煤样的解吸量可得出不同压力下煤样的解吸量解吸曲线图，如图2 所示。

图2 不同压力点下煤样的解吸量曲线图Fig.2 Curve of the gas desorption amount in different pressure

根据实验数据和煤样的解吸量曲线可知

1)无论有无外液侵入，含瓦斯煤体的瓦斯压力越大，其瓦斯解吸量越大;

2)在实验的高压力段2.0 ～3.5 MPa 之间，入侵渗透剂溶液的煤样瓦斯解吸量比未入侵任何液体的原始煤样相比要小很多。在此压力段之间未喷洒任何液体的原始煤样瓦斯解吸量是喷洒抑制剂煤样瓦斯解吸量的5 ～9 倍，而喷洒水的煤样瓦斯解吸量是喷洒抑制剂煤样瓦斯解吸量的2 倍左右，特别是喷洒0.025%的JFC 渗透剂溶液的效果最好;

3)演马庄矿高瓦斯煤层煤样经纯水和0.025%的JFC 渗透剂溶液侵入后，和未侵入任何液体的原始煤样相比，不同压力点下的瓦斯解吸值都不同程度有所降低，特别是喷洒了0.025%的JFC 渗透剂溶液的瓦斯解吸的降低效果更好。从实验测定结果看，与原煤样比较，喷洒抑制剂溶液后，瓦斯解吸量递减幅度平均为78.53%，最小递减幅度也有70.14%，效果相当明显。即使与纯水作用的煤样比较，瓦斯解吸量递减幅度也平均达到35.16%;

4)经过整个降压解吸实验，未侵入液体的原始煤样的瓦斯解吸总量为18.88 cm3/g，侵入纯水的煤样瓦斯解吸总量为5.03 cm3/g，侵入0.025%的JFC 渗透剂溶液的煤样瓦斯解吸总量为2.69 cm3/g.这说明纯水和0.025%的JFC 渗透剂在瓦斯解吸过程中起到了水锁封堵瓦斯涌出的作用，通过实验验证了抑制剂具备快速浸润作用，能在短时间内形成对煤瓦斯解吸的水锁封堵效果，这对防止工作面瓦斯浓度超限具有很好的借鉴作用。

3 结 论

通过实验验证了渗透剂溶液具备快速浸润作用，能在短时间内形成对煤瓦斯解吸的水锁封堵效果，这对防止工作面瓦斯浓度超限具有很好的借鉴作用。

1)对于瓦斯含量比较高、瓦斯压力比较大的煤矿煤层而言，利用抽采和水锁的方法防治工作面的瓦斯超限问题，通过预抽将煤层内的瓦斯压力降到某一压力之后，再利用瓦斯抽采钻孔向煤层注入渗透剂形成水锁。

2)对于瓦斯含量较低、瓦斯压力不大的煤层，可采取采前直接向煤层注渗透剂溶液形成水锁和工作面落煤过程中喷洒渗透剂溶液形成水锁。

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