煤体含水量对瓦斯解吸特性影响规律实验研究

王晓东

(阳泉煤业集团公司 生产技术中心，山西 阳泉 045000)

对煤体进行水力压裂措施后，大量的水被高压压入煤体内部，随着煤体内的孔隙被水分侵入，将导致瓦斯解吸特性发生变化。煤体的瓦斯解吸特性在一定程度上决定了煤层突出风险的大小，对确定瓦斯压力和突出风险具有重要作用。煤体中裂隙水挤走煤体中的部分瓦斯，同时阻碍煤体中瓦斯的移动[1]。水在进入煤体的过程中有置换效应，大约可置换掉煤体中10%的瓦斯含量[2-3]，置换的量和液体性质有关[4]；水在煤体中产生毛细管力，对瓦斯的移动起到阻碍作用，孔隙压力使游离态瓦斯转变成吸附态瓦斯[5-6]。含水量的增加对瓦斯解吸起到抑制作用，并且和煤的变质程度相关[7-8]。

本文以新景矿3号低透气性煤层为对象，通过实验测试不同含水量煤体的饱和吸附量、解吸量和解吸速度来研究瓦斯解吸特性规律。

1 实验装置及煤样制备

1.1 实验装置

含水量对煤的瓦斯解吸特性的影响规律直接决定了含水煤层的瓦斯涌出规律，也是水力压裂等技术措施的理论基础。水分含量对煤中瓦斯解吸特征的影响实验装置由真空脱气、恒温、吸附平衡、煤样注水及解吸测量五个单元构成，各单元具体组成及功能如下。

1) 真空脱气单元。由真空泵、真空管、复合真空计和玻璃三通阀等组成，可完成煤样的脱气和体积测定。

2) 恒温单元。由恒温水浴、恒温器、煤样罐和充气罐、精密压力传感表组成。该单元可保持煤样罐中煤样在吸附和解吸过程中恒温，由水浴和超级恒温器实施。

3) 吸附平衡单元。由精密压力传感表、瓦斯气、煤样罐和充气罐以及连通阀门组成。

4) 煤样注水单元。由精密压力表、平流泵、量杯测定仪组成。

5) 解吸测量控制单元。该单元由压力调控阀、自制瓦斯解吸测定仪组成。

1.2 煤样制备

1) 称取方盘重量，计为M0′；

2) 取新景矿3号煤层，制成粒度为0.17～0.25 mm的样品200 g，装入容器中均匀摊开，在105 ℃下烘干24 h；

3) 用天平称取煤样和容器的总质量，为M0；

4) 向煤样喷洒水雾并均匀搅拌，浸润4 h，称煤样和容器的质量，计为M1；

5) 将上述含水煤样装入吸附罐，称剩余煤样和容器的质量，计为M′；

6) 每次控制向煤样喷水雾的量，可控制煤样的含水量，煤样的含水量按式(1)计算：

(1)

式中：Wt为煤样的全水分含量，%；M1为加入水分后的煤样和方盘的质量，g；M0为干燥煤样和方盘的质量，g；M0′为方盘的质量，g。

吸附罐内装样量按式(2)计算：

M=M1-M′

(2)

式中：M为装罐含水煤样质量，g；M′为剩余含水煤样和方盘的质量，g。

2 吸附量

为了研究煤体含水量对瓦斯吸附能力的影响，把不同含水量的煤样放入吸附罐，用高压容量法测试其瓦斯吸附等温线。煤样的含水量分别为0%、1.55%、2.60%、3.80%和4.58%情况下瓦斯吸附等温线见图1。

图1 不同煤体含水量的瓦斯吸附等温线

由图1可以看出，新景矿3号煤层煤体对瓦斯的吸附能力随着煤中含水量的增加而减小。含水量对煤体的瓦斯吸附量的影响是非线性的，随着煤体含水量的增加，煤体含水量对瓦斯吸附量的影响越来越小。

3 解析量和解吸速度

3.1 瓦斯解吸总量的影响研究

为了考察煤体含水量对新景矿3号煤层煤样瓦斯解析量的影响，吸附平衡压力设置为1 MPa，温度设置为30 ℃，分别对不同含水量的实验煤样进行瓦斯解吸过程测试。不同含水量煤体的瓦斯解吸量随时间的变化关系曲线见图2。

图2 不同煤体含水量在1.0 MPa压力下

由图2可以看出：煤体含水量越大，瓦斯解吸量越小，含水量对瓦斯的解吸起着阻碍作用；当煤体含水量达到11.5%后，随着煤体含水量的增加其瓦斯解析量减小的非常少，影响可忽略不计；瓦斯解吸量随着时间的增加逐渐增加，但增加幅度越来越小。

为了研究水分含量与3号煤层煤样瓦斯解吸量之间的关系，统计分析煤体不同含水量在1.0 MPa压力下、前150 min时间的瓦斯解吸量(Q150)见表1。

表1 不同煤体含水量前150 min解吸量统计

由表1可知，不同水分含量的煤样在吸附平衡压力1.0 MPa条件下，其解吸量随着水分的增加是逐渐递减的。通过比较可以发现，在吸附平衡压力相同的情况下，水分愈大，Q150值越小。

3.2 瓦斯解吸速度的影响研究

不同水分含量对瓦斯解吸速度影响的考察是在水分对瓦斯解吸量影响的基础上，分别计算每2 min的解吸量。试验选取同一粒度(0.17～0.25 mm)煤样在30 ℃条件下测试，吸附平衡压力为1.0 MPa。不同含水量煤体的瓦斯解吸速度随着时间的变化曲线见图3。

图3 不同煤体含水量在1.0 MPa压力下

实验结果表明：解吸速度随时间迅速衰减，煤样从开始解吸到第10 min时，煤体的瓦斯解吸速度平均降幅达到80%及以上，从第15 min以后，解吸速度变化缓慢；煤体含水量越高，其初始的瓦斯解吸速度越小；当煤体含水量达到11.5%时，其解吸速度就不再随煤体含水量的增加而减小，且解吸速度基本趋于一致。

4 结 语

1) 煤体对瓦斯的吸附能力随着煤体含水量的增加而减小；随着煤体含水量的增加，煤体含水量对瓦斯吸附量的影响越来越小。

2) 水分对瓦斯解吸起着明显地抑制作用。煤体含水量越大，瓦斯解吸量越小；当煤体含水量达到11.5%后，其解析量随着含水量的增加变化非常小。

3) 煤体含水量越高，其初始的瓦斯解吸速度越小；当煤体含水量达到11.5%时，其解吸速度就不再随煤体含水量的增加而减小，且解吸速度基本趋于一致。