吸水路径对煤体吸水特性的影响研究

李文芳

(长治市潞州区能源局，山西 长治 046000)

瓦斯在煤层中以吸附态和游离态的形式存在，其中90%左右以吸附态的形式存在。研究煤层注水瓦斯解吸时，瓦斯以驱替和置换的形式逸出，因此煤层注水效果的好坏与煤体的吸水量直接相关。煤体是一种双重孔隙结构介质[1]，煤体复杂的孔隙结构可形成复杂的孔隙网络，这些孔隙网络构成复杂的毛细管力[2]。陈金生等[3]采用自主设计的含瓦斯煤等压吸水试验装置，对剥离注水造成系统压力升高、死体积增大等因素的影响，单独研究水分对不同变质程度含瓦斯煤的渗吸效应，试验发现同一变质程度的含瓦斯煤等压吸水后，水置换瓦斯，含瓦斯煤渗吸动力是毛细管力，煤样罐内压力升高；樊亚庆[4]，岳基伟等[5]研究表明，同一吸附平衡压力下，置换率随含水率增大逐渐增大，当采用煤层注水治理瓦斯时，由于煤层内裂隙分布不均，部分煤体处于水的包围之中，仅有一部分与水接触，其置换瓦斯的量也不同。为此，本文拟通过不同吸水路径考察煤体的吸水效果，为现场实施煤层注水消突措施奠定理论基础。

1 试验煤样的制备及试验步骤

试验煤样取自山西某矿，在新鲜暴露的工作面取出大块煤体，密封保存后送至实验室待制取煤样进行试验。

1) 挑选没有明显裂隙且层理较好的大煤块，利用立式钻床对煤体进行取样。

2) 将钻取的柱状煤样，采用岩石切片机切割成直径为5 cm、高度为10 cm的柱状煤样，并对煤样的端面进行打磨，共制得3个柱状煤样，分别编号为1号，2号及3号。

3) 将1号、2号及3号煤样放入干燥箱中干燥，设置干燥箱的温度为105 ℃，每30 min进行称重，直至质量稳定，并记录其稳定质量m1、m2及m3，将干燥后的柱状煤样放入干燥器中进行冷却备用。

4) 采用环氧树脂将1号煤样的两个端面密封，周围不密封，让煤体产生逆向渗吸，并称其质量m11；将2号煤样的周围密封，两个端面不密封，让煤体产生顺向渗吸，并称其质量m21；3号煤样不做处理，让煤体既顺向渗吸又逆向渗吸。

5) 将两个端面密封的1号煤样、周围密封的2号煤样、3号煤样分别放入盛有水的烧杯中，间隔一段时间，拿出柱状煤样，把煤体周围的水擦拭掉，然后称重并分别记录吸水后的质量m12，m22及m32。

6) 煤体在某个时刻的吸水率，可根据公式(1)进行计算：

(1)

式中：m吸为吸水后的质量；m环为涂抹环氧树脂后的质量；m为柱状煤干燥后的质量。

2 试验结果分析

按照上述试验步骤进行试验，试验结果如图1所示。

由图1可知，随着时间的增加，柱状煤体的吸水率逐渐增加，增加到一定程度后趋于饱和；在相同的时间段内，吸水率从大到小的顺序为3号、1号、2号，说明煤体与水的接触面积越大，吸水率越高。因为煤体的接触面积越大，毛细管网络越发达，孔隙的连通性越好，吸水路径越短，排出孔隙内的空气越容易。

图1 不同吸水路径煤体吸水率结果

水在煤体毛细管内的流速较慢，雷诺数小，与流体力学中的层流运动几乎相似，满足Hagen-Poiseuille方程[6]。Hagen-Poiseuille方程如式(2)所示：

Q=dV/dt=πd4△p/(128μh)

(2)

式中：Q为管道内的流量；V为液体的体积；t为时间；μ为水的粘度系数；△p为压力差；h为吸水高度；d为毛细管直径。

毛细管中吸水的体积满足式(3)：

dV=πr2dh

(3)

在毛细管中，毛细管的压力差△p与液体的湿润角、毛细管的半径、液体的表面张力因素有关，关系如式(4)所示：

△p=2σcosθ/r

(4)

式中：σ为液体的表面张力；θ为湿润角；r为毛细管的半径。

由式(2)、(3)、(4)可知：

(5)

式(5)即为Lucas[7]和Washburn[8]提出的忽略流体自身重力的渗吸模型。因此单根毛细管的吸水体积，如式(6)所示：

(6)

单根毛细管的吸水质量，如式(7)所示：

(7)

单根毛细管吸水质量方程可简化为：

(8)

图2 不同吸水路径煤体吸水率拟合结果

3 结 语

1) 随着时间的增加，柱状煤体的吸水率逐渐增加，煤体与水的接触面积越大，吸水率越高。

2) 毛细管网络越发达，孔隙的连通性越好，吸水路径越短，排出孔隙内的空气越容易。