煤的工业分析成分影响水锁形成速度的实验研究

张国华， 李文成， 万夫兵， 王丽娟

(1.黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022;2.黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022)

煤的工业分析成分影响水锁形成速度的实验研究

张国华1， 李文成2， 万夫兵1， 王丽娟1

(1.黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022;2.黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022)

在利用水锁防止工作面瓦斯超限应用中，煤的工业分析成分对水锁形成速度有着重要影响。通过实验，以同一渗透剂溶液与不同工业分析成分的煤接触后的接触角动态变化为衡量指标，探讨了水锁形成速度与煤的工业分析成分之间的关系。研究表明:对于同一工业分析成分的煤，渗透剂溶液质量分数越高，水锁形成速度越快。无论哪种工业分析成分的煤，渗透剂溶液与煤接触后，其浸润、铺展过程均集中在前20～30 s内。水锁形成速度主要受煤中固定碳和灰分的影响。固定碳质量分数越高，水锁形成速度越慢;灰分质量分数越高，水锁形成速度则越快。对于0～0.1%质量分数区间，在灰分相近、固定碳质量分数较高时，宜选配高质量分数的渗透剂溶液，而在固定碳质量分数相近、灰分较高时，可以考虑选配低质量分数的渗透剂溶液。

瓦斯;煤的工业分析成分;水锁;形成速度;接触角

0 引言

煤矿井下瓦斯爆炸、窒息等灾害事故，均源于事故空间内的瓦斯超限。为防止瓦斯超限，现场在采用加强通风仍无法解决的条件下，均会进一步采取瓦斯抽采措施加以应对。然而，瓦斯抽采需要足够的时间才能够达到应有的效果，故在一定程度上会影响工作面的正常回采，以为有些矿井虽然采取了瓦斯抽采措施，但在回采过程中仍会有瓦斯事故发生的根本原因。从根本上来说，瓦斯超限源于单位时间内涌入空间的瓦斯量超过了利用通风进行外排的速度，致使瓦斯浓度升高。回采工作面瓦斯的来源，主要包括工作面未采煤体内的瓦斯向工作面渗流、工作面落煤的瓦斯解吸释放、采空区内的瓦斯扩散、临近层的瓦斯渗流四部分，通常以前两者为主。因此，降低工作面未采煤体和工作面落煤的瓦斯解吸释放量和解吸释放速度，成为防止工作面瓦斯超限的关键。

研究表明，采取瓦斯抽采后，实施水锁可以有效降低含瓦斯煤体的瓦斯解吸释放量和解吸释放速度［1－5］。在工程应用中，对工作面未采煤体，可以在瓦斯抽采后期利用抽采钻孔实施注液水锁，对工作面落煤则采用喷洒渗透剂溶液的方式直接形成水锁［6］。无论采用哪种方式防治瓦斯超限，都希望其水锁形成速度最快、水锁效果最好。根据界面化学及吸附作用原理［7－8］，液体在固体表面发生的吸附、浸润、铺展源于固体表面的剩余自由能即剩余势能，而剩余势能又与固体自身的物质组成密切相关。对煤而言则表现为其工业分析成分不同，相应表面的剩余势能就不同，渗透剂溶液与其接触后，伴随着吸附、浸润、铺展而产生的水锁形成速度就不一样。基于以上，笔者开展了煤的工业分析成分对水锁形成速度影响实验研究，旨在探讨水锁形成速度与煤的工业分析成分之间的关系，从而为水锁应用中渗透剂溶液的配备提供支撑。

1 实验原理

水锁一词源于石油天然气勘探开采领域，是指外来液渗入储层内部孔道而产生毛细管阻力和流体摩擦阻力，若产层的能量不足以克服这一阻力，则导致渗流通道堵塞，致使预采流体相对于无渗透剂溶液侵入的固体储层其渗透率降低，从而导致预采流体回采率降低的现象［9－11］。于是，利用水锁防止工作面瓦斯超限。后置侵入的渗透剂溶液与煤体表面接触后，在含瓦斯煤体内部孔隙所具有的毛细管自吸力作用下，于瓦斯运移孔隙通道中形成毛细管阻力，降低了含瓦斯煤体的瓦斯解吸释放量，于是延缓了瓦斯解吸释放速度。

液体与煤体表面接触后将发生一系列动态变化。这种动态变化实际上是一个依次发生吸附、浸润、铺展并伴随着毛细管现象发生的综合过程。浸润和铺展速度越快，则水锁形成速度越快。动态变化直接反映在接触角的变化上，即接触角变化越快，液体在煤体表面的浸润、铺展及水锁形成速度越快。因此，在测得煤的工业分析成分的基础上，测定渗透剂溶液在煤表面接触角的变化速度，就可以分析水锁形成速度与工业分析成分之间的定性关系。

2 煤样选择与渗透剂溶液的制备

2.1 煤样及工业分析成分测定

本研究共选择四种煤样，分别取自黑龙江龙煤集团七台河分公司新兴矿(煤样1)、七台河分公司龙湖矿(煤样2)、鹤岗分公司富力矿(煤样3)、鸡西分公司城山矿(煤样4)。利用煤质分析仪，测得其各自的工业分析成分如表1所示。

表1 地层划分及参数Table 1 Classification and parameters of strata%

2.2 渗透剂溶液制备

结合前期研究，本实验选择的渗透剂为天然脂肪醇聚氧乙烯醚。通过初测，当渗透剂溶液质量分数超过0.1%时，其与煤接触后瞬间发生浸润、扩展，并随即消失，故为便于问题的研究和分析，制备质量分数分别为 0.010%、0.025%、0.050%、0.075%、0.100%五种渗透剂溶液。

2.3 实验设备及实验过程

实验在室内进行，环境温度为19℃，采用动态接触角全程记录测定系统(图1)，全程记录纯净水、渗透剂溶液与煤表面接触后其接触角随时间的变化。以10 s为时间间隔，获取对应时间点的接触角。煤块采用非切割打磨煤块，是自然解体煤块，为了尽可能避免表面粗糙度对渗透剂溶液浸润和铺展的影响，选用块体光滑面即自然层理面作为实验面(图2)。

图1 接触角测定系统Fig.1 Contact angle measuring system

图2 实验用煤块Fig.2 Experimental coal

3 实验结果与分析

3.1 实验数据

通过实验，获得水、同一浓度的渗透剂溶液与四种不同煤样接触时t的接触角θ变化情况，如表2～5所示。

表2 渗透剂溶液与煤样1的接触角Table 2 Contact angle of penetrant solutions and coal 1

表3 渗透剂溶液与煤样2的接触角Table 3 Contact angle of penetrant solutions and coal 2

表4 渗透剂溶液与煤样3的接触角Table 4 Contact angle of penetrant solutions and coal 3

表5 渗透剂溶液与煤样4的接触角Table 5 Contact angle of penetrant solutions and coal 4

3.2 实验分析

由表2～5中的实验数据，可分别获得水、不同浓度渗透剂溶液与同一煤样接触时其接触角的变化对比曲线，具体如图3所示。

图3 不同浓度渗透剂溶液与同一煤样接触后的接触角变化曲线Fig.3 Contact angle variation curve of different concentration penetrant solutions and same coal

结合表1、表2～5中的实验数据以及图3中的变化曲线，通过对比分析可知:

(1)对于同一工业分析成分的煤，渗透剂溶液质量分数越大，其与煤接触后的接触角越小，表明渗透剂溶液质量分数越高，其与煤接触后的吸附、浸润、铺展过程越迅速，预示着水锁形成速度越快。

(2)无论哪种工业分析成分的煤，渗透剂溶液与煤接触后，其浸润、铺展过程均集中在前20～30 s内，之后基本稳定。

同样，结合表2～5中的实验数据，亦可分别获得水、同一浓度渗透剂溶液与不同煤样接触角的变化对比曲线，如图4所示。

结合表1、表2～6中的实验数据以及图4中的同一质量分数渗透剂溶液与煤接触后的接触角变化曲线，可知:

(1)从煤的固定碳含量来看，同一浓度渗透剂溶液与不同工业分析成分的煤接触后，其接触角与煤中固定碳质量分数呈正相关关系，即固定碳质量分数越高，相应接触后的接触角越大，稳定时的接触角也越大。这意味着在固定碳含量较高时，渗透剂溶液与煤接触后在其表面的吸附、浸润、铺展速度较慢，预示着其水锁形成速度也较慢。

(2)从煤的灰分的质量分数来看，同一质量分数渗透剂溶液与不同工业分析成分的煤接触后，其接触角与煤中灰分的质量分数呈负相关关系，即灰分质量分数越高，相应接触后的接触角越小，稳定时的接触角也越小。意味着在灰分含量较高时，渗透剂溶液与煤接触后在其表面的吸附、浸润、铺展速度较快，预示着其水锁形成速度也较快。

(3)在煤的固定碳和灰分质量分数相近的条件下(表1)，从其自然水分质量分数来看，同一浓度渗透剂溶液与不同工业分析成分的煤接触后，总体表现出水分质量分数越高，接触角则越小，越易于渗透剂溶液的铺展。

(4)从煤的挥发分来看，由于四种煤样的挥发分比较接近，故没有明显反映出其与接触角之间的相关关系。

富含瓦斯的煤一般所处的环境比较干燥［6］。利用水锁对含瓦斯煤体的瓦斯解吸与释放延缓与阻碍作用来防止工作瓦斯超限，在渗透剂确定的条件下，从提高水锁形成速度出发，溶液浓度的配备应着重考虑煤中固定碳、灰分两种工业分析成分的质量分数。固定碳有碍于水锁的形成，而灰分则有利于水锁的形成。也就是说，对于质量分数在0～0.1%区间时，在灰分相近的条件下，当固定碳质量分数较高时，宜选配高质量分数的渗透剂溶液。而在固定碳质量分数相近的条件下，当灰分质量分数较高时，可以考虑选配低质量分数的渗透剂溶液。

图4 同一浓度渗透剂溶液与煤接触后的接触角变化曲线Fig.4 Contact angle variation curve of same concentration penetrant solutions and different coal

4 结论

无论哪种工业分析成分的煤，渗透剂溶液质量分数越高，水锁形成速度越快，且渗透剂溶液与煤接触后，其浸润、铺展过程均集中在前20～30 s内，之后基本稳定。同时，煤中固定碳质量分数越高，水锁形成速度越慢，灰分质量分数越高，水锁形成速度则越快。在工程应用中，对于配置0～0.1%质量分数区间的渗透剂溶液，在灰分相近、固定碳质量分数较高时，宜选配高质量分数的渗透剂溶液，而在固定碳质量分数相近、灰分较高时，可以考虑选配低质量分数的渗透剂溶液。

［1］ 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.

［2］ 张国华，梁 冰，毕业武，等.水的后置侵入对瓦斯解吸影响试验研究［J］.安全与环境学报，2011，11(6):204－208.

［3］ 张国华，梁 冰.渗透剂溶液侵入对瓦斯解吸速度影响实验研究［J］.中国矿业大学学报，2012，41(2):200－204.

［4］ 张国华，梁 冰，毕业武.水锁对含瓦斯煤体的瓦斯解吸的影响［J］.煤炭学报，2012，37(2):253－258.

［5］ 张国华，梁 冰，侯凤才，等.不同质量分数渗透剂溶液侵入对瓦斯解吸影响的实验［J］.重庆大学学报，2013，36(5): 107－112.

［6］ 张国华.煤矿瓦斯超限水锁防治理论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2014:117－118.

［7］ 朱步瑶，赵振国.界面化学基础［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［8］ 赵振国.吸附作用应用原理［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［9］ 贺承祖，胡文才.浅谈水锁效应与储层伤害［J］.天然气工业，1994，14(6):36－38.

［10］ 周小平，孙 雷，陈朝刚.低渗透气藏水锁效应研究［J］.特种油气藏，2005，12(5):52－54.

［11］ 钟新荣，黄 雷，王利华.低渗透气藏水锁效应研究进展［J］.特种油气藏，2008，15(6):12－23.

(编辑 晁晓筠 校对 李德根)

Experimental study on influence of industrial analysis composition of coal on formation speed of water lock

Zhang Guohua1， Li Wencheng2， Wan Fubing1， Wang Lijuan1
(1.School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2.School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

The industrial analysis composition of coal has an important effect on the formation speed of water lock in using water lock to prevent gas over limit.The research using experiment discusses the relationship between the formation rate of water lock and the industrial analysis composition of coal using the dynamic change of contact angle of the same concentration penetrant solutions and different industrial analysis composition coal as measure.Research shows that the coal of same industrial analysis composition has a higher concentration of penetrant solution if the formation of water lock is faster;the coal of any industrial analysis composition，after penetrant solutions gets in touch with coal，has its infiltration and extend process focused in the first 20～30 seconds;the formation speed of water lock is mainly affected by the fixed carbon and ash in coal，suggesting that the higher the content of fixed carbon，the slower the formation speed of water lock;the higher the ash content，the faster the formation speed of water lock; and for the 0～0.1%concentration range，the close ash content and the higher fixed carbon content render it suitable to select high concentration of penetrant solution;and the close fixed carbon content and the higher ash content make it possible to consider low concentrations of penetrant solutions.

gas;industrial analysis composition of coal;water lock;formation speed;contact angle

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.004

TD712.54

2095－7262(2017)04－0340－05

:A

2017－05－12

国家自然科学基金项目(51574116);哈尔滨市科技局科技创新人才专项(优秀学科带头人)项目(2016RAXXJ048);黑龙江高校基本科研业务费资助项目(2016年)

张国华(1971－)，男，黑龙江省讷河人，教授，博士生导师，研究方向:煤矿瓦斯灾害防治、矿山压力及其控制，E-mail: zgh710828131@163.com。