外加水分对煤层瓦斯压力测定的影响分析

张东旭

(1.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122)

煤层瓦斯压力是指原始煤体孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是煤层瓦斯赋存的重要参数之一[1]，是煤与瓦斯突出鉴定、预测、评估和防突措施效果检验的重要指标之一，因此准确测定煤层瓦斯压力对于瓦斯灾害防治具有重要意义[2-10]。

煤层瓦斯压力测定方法分为间接法和直接法[10-15]。间接法是先测定煤层瓦斯含量，根据煤的吸附特性，采用朗格缪尔方程进行计算得出。由于公式中涉及瓦斯含量、吸附常数、煤的真假密度、煤的水分、煤的挥发分等多个参数，而影响这些参数测定准确性的因素较多，因此，间接法存在较多的不可控因素，一般只做为对比和参考。现场常用直接法测定煤层瓦斯压力，该方法是通过向需要测压的煤层施工钻孔，利用封孔材料将钻孔封堵后留有一定测压气室，钻孔外用钢管连接压力表与测压气室，最终平衡后的瓦斯压力被传递到压力表上，所测压力即为煤层瓦斯压力。煤层赋存地质条件复杂，多数煤层或地层中含有水，水可能是裂隙水也可能是承压水。水影响煤层瓦斯压力的测试，因此开展水对直接法测定煤层瓦斯压力的影响分析，并寻求减少水对煤层瓦斯压力的影响解决方案，为准确测定煤层瓦斯压力提供指导。

1 煤层瓦斯压力直接测定方法

煤层瓦斯压力直接测定方法是从岩巷或煤巷中(只针对穿层钻孔测定煤层瓦斯压力)向所测煤层里打钻孔并穿过煤层，封孔后进行测压。根据施工地点在煤层的位置不同，分为上向钻孔和下向钻孔测压。钻孔施工完后将测压管和注浆管送入钻孔预定位置，固定后用速凝水泥将其在孔口处进行封堵，封孔完毕将压力表安装在测压管上，当压力变化在3 d内小于0.015 MPa时，测压工作结束，压力表所显示压力即为测定的煤层相对瓦斯压力。

2 水对直接法测定煤层瓦斯压力的影响研究现状

水具有较好的流动性和吸附性，煤矿井下水存在于煤岩层的裂隙或者微观孔隙中，在施工瓦斯测压钻孔时不可避免要遇到含水煤岩层。而这些水对煤层瓦斯压力测定的影响，国内外许多专家学者开展了相关的研究。

2.1 水对煤层瓦斯压力测定的宏观影响

煤岩层中含水会经过裂隙或者微观孔隙渗透至观测气室并通过测压管流至压力表，上向钻孔水柱的压力直接作用于压力表，由于水不可压缩，测压气室中瓦斯压力通过水的作用传递至压力表。因此，此种情况下测出的表压要大于煤层的实际瓦斯压力，需要减去作用于表上部水的静压压力。钻孔中的水来源于溶洞水、含水层水或者承压水，根据《煤矿井下煤层瓦斯压力直接测定方法》中规定，该测压钻孔应作废。

下向孔中瓦斯一般在水的上部，瓦斯压力直接作用于压力表，水对煤层瓦斯压力测定的影响较小。

2.2 水对煤层瓦斯压力测定的微观影响

关于水与煤体瓦斯微观相互作用主要存在2种观点：一是水与瓦斯共存时发生竞争吸附，由于煤对水的吸附能力强于对瓦斯的吸附能力，水分会抢占煤基质表面更多的吸附位，排挤瓦斯，降低煤对瓦斯的吸附量[16-18]；二是水在微孔隙中发生毛细现象，阻碍瓦斯运移，从而封存微孔隙内瓦斯，抑制解吸，降低瓦斯涌出量[19-21]。第一种观点体现了水置换瓦斯作用，从根本上降低煤层瓦斯含量，有利于瓦斯解吸；第二种观点体现了水锁作用，水能够封存煤体内瓦斯，降低生产期间瓦斯涌出量。在生产应用中，水自身的微观置换作用可以增加煤层的游离瓦斯量，但该过程比较缓慢，液体置换瓦斯能力究竟有多大，对瓦斯压力测定影响多大，目前还无定量研究。

3 水对直接法测定煤层瓦斯压力的影响研究分析

3.1 水对直接法测定煤层瓦斯压力的宏观影响

甲烷在水中的溶解度是3.5 mg，不易溶于水。因此忽略甲烷溶于水对煤层瓦斯压力的影响。上向钻孔有水时可以根据《煤矿井下煤层瓦斯压力直接测定方法》中提出的方法进行修正:

1)当V>V1，并且V-V1

(1)

式中：p′为修正后煤层瓦斯压力，MPa;p1为压力表测定煤层瓦斯压力，MPa；l为测压管的长度，m;θ为钻孔倾角，(°)；V为测压钻孔内流出的水量，m3；V1为测压管内空间的体积，m3；V2为钻孔内预留气室的体积，m3；D为测压钻孔的直径，m。

2)当V>V1，并且V-V1≥V2时:

p′=p1-0.01Lsinθ

(2)

式中L为测压钻孔的长度，m。

3)当0

(3)

式中d为测压管的直径，m。

3.2 水对直接法测定煤层瓦斯压力的微观影响

3.2.1 实验装置

为验证水对直接法测定煤层瓦斯压力的影响，搭建了煤层水置换瓦斯实验平台，如图1所示。

1—高压甲烷气瓶;2— 参考罐;3— 显示器;4—复合真空计;5—真空泵;6～7—压力传感器;8—特制型煤;9—特制煤样罐;10—内旋螺母;11—内置钢瓶;12—针阀;13—恒温箱;14—解吸仪;a～e—阀门;f—四通;g—压力表。

煤层水置换瓦斯实验平台可以进行水置换煤中瓦斯及瓦斯解吸规律的实验，由脱气装置(真空泵、复合真空计等)、充气吸附平衡装置(高压甲烷气瓶、参考罐等)、恒温/变温装置(恒温箱等)、压力监控仪器(压力表及压力传感器)、等压加水装置(针阀及特制煤样罐)、解吸装置(解吸仪)等构成。

为了能够较真实地掌握水对煤样瓦斯置换效应，实验采用了原煤开展水置换瓦斯实验。原煤选取硬度较大的块煤，根据自主搭建的实验平台的特点，制备直径0.050 m、高度0.100 m的柱煤，煤的密度1.33 kg/m3，煤的质量0.224 9 kg，用于考察不同吸附平衡压力、不同含水率条件下的液体置换瓦斯和瓦斯解吸规律。

3.2.2 实验流程

1)煤样干燥。将实验煤样放入烤箱，待充分干燥后，放置于干燥皿中备用。

2)储水钢瓶加水。利用注射管将水从钢瓶上预留的小孔注入钢瓶，注入定量的水后，旋转螺母使液面到达小孔位置，这样水充满钢瓶内部空间，排除钢瓶内部气体，之后旋紧针阀将钢瓶上的小孔封住，防止液体在注液时由于压力影响流出或漏气。

3)真空脱气。将干燥后的煤样放置在煤样罐内，密封后，将煤样罐放在超级恒温水浴内，设置温度恒定为30 ℃。将煤样罐与真空脱气装置相连，打开真空脱气装置对煤样罐进行脱气，当真空度降为20 Pa以下时停止脱气。

4)吸附平衡。打开高压甲烷气瓶的阀门，将高压甲烷注入参考罐中，当参考罐内达到预定压力时，关闭气瓶阀门，再打开参考罐后方的阀门c，使甲烷充入特制煤样罐，充气过程中不断开关阀门c，当特制煤样罐内压力稳定在预定的平衡压力值时停止充气[22-23]。

5)等压加水。当特制煤样罐内煤样瓦斯吸附平衡后，通过旋转内旋螺母来调节钢瓶内部水的压力与吸附平衡后的瓦斯压力相等，倒置特制煤样罐，旋开针阀，使钢瓶内的水通过小孔流出进入煤样中，实现等压加水。

6)置换测试。通过置换作用，水逐渐进入煤样内部，置换吸附态瓦斯，使之变为游离态瓦斯，这样煤样罐内瓦斯量增多，通过瓦斯压力传感器实时监测数据并传给电脑记录煤样罐内瓦斯压力变化。当压力稳定后，结束测定。

7)解吸测试。置换测试瓦斯压力达到最大值并稳定后，打开煤样罐与气袋连通的阀门，将游离瓦斯放至气袋收集。当煤样罐内压力降为0时，旋转四通使煤样罐的解吸瓦斯进入解吸测定装置，同时启动计时器，记录解吸量。

3.2.3 实验数据分析

在恒温条件下，利用煤层水置换瓦斯实验平台，开展了相同瓦斯吸附平衡压力下不同吸水率的置换实验，即设定瓦斯吸附平衡压力分别为1.5、2.5 MPa，实验煤样是在吸水率未达到煤样的饱和吸水率情况下开展的，煤的吸水率分别为2%、6%、10%。通过实验及记录的瓦斯压力数据，得到瓦斯压力变化曲线。通过对外加水分后瓦斯压力变化、瓦斯置换速度和吸附平衡后的瓦斯解吸量来进行外加水分对直接法测定煤层瓦斯压力的影响进行分析。不同吸水率下置换过程瓦斯压力变化如图2所示。

图2 不同吸水率下置换过程瓦斯压力变化曲线

由图2可知，实验过程中，煤样吸水前后，煤样罐内瓦斯压力迅速升高，随着吸水时间增长，煤样罐内瓦斯压力增高的趋势减弱，直至曲线趋于水平。在煤样吸水过程中煤样罐内的自由体积未发生变化，根据气体状态方程，在等温条件下，煤样罐内的瓦斯压力与游离状态的瓦斯量有关。煤样罐中的煤样在吸入水后，煤样罐内瓦斯压力呈增高趋势，说明水进入煤样内部，将煤样内的吸附态瓦斯置换为游离态瓦斯，煤样罐内的游离态瓦斯增多，煤样罐内的瓦斯压力随之增大。随着置换时间增长，压力增高趋势减缓，煤样罐内瓦斯压力最终趋于稳定，再次达到平衡。从煤的含水率来看，含水率越高煤的最终平衡瓦斯压力越大。含水率高的煤样，瓦斯吸水量大，挤占的煤样内部微孔隙空间越大，煤样内的吸附瓦斯变为游离瓦斯的量越多，在体积不变的情况下，煤样罐内瓦斯压力越大。如初始平衡压力在1.5 MPa下，吸水率为2%的煤样置换后瓦斯平衡压力为1.64 MPa；吸水率为6%的煤样置换后瓦斯平衡压力为2.03 MPa；吸水率为10%的煤样置换后瓦斯平衡压力为2.35 MPa。从初始平衡压力来看，不同初始平衡压力，相同吸水率的瓦斯置换趋势相差不大，吸水后通过最终平衡压力计算瓦斯置换率，吸附平衡压力低的瓦斯置换率要比吸附平衡压力高的大。综上所述，煤样罐内瓦斯压力升高是煤样的微观孔隙对水产生毛细力，煤样的吸水能力大于对瓦斯的吸附能力，水置换出煤中瓦斯，煤样罐内游离瓦斯量增多，瓦斯压力增大。故外加水分对煤样罐内煤的瓦斯压力有增大效应。

不同吸水率下的煤样瓦斯置换速率如图3 所示。

图3 不同吸水率下置换速率变化曲线

从图3中可以看出，煤样在吸水过程中，水在毛细力作用下迅速进入煤体内微孔隙空间，置换吸附态瓦斯，该过程中置换速率首先以突增趋势达到最大值，之后即刻进入衰减期，衰减趋势比较符合指数衰减规律。从不同吸水率的置换速率来看，吸水率高的煤样置换速率大，且置换速率上升的趋势明显。3种实验方案置换速率达到最大置换速率的时间为6～34 min。实验加水过程是将储水钢瓶内全部的水量在煤样罐倒置后，整体一下加入到煤样上，水直接淋在圆柱体煤的表面，之后未进入煤体内的水流入煤体底部积存，吸水初期接触面较大，吸水速度最大，水与吸附瓦斯的置换作用也最强，随后水在毛细力作用下逐渐向煤体内部运移，沿程不断置换解吸瓦斯，水分被吸附到煤基质内，水的接触面积也从初期的整个柱面到底部的少部分面积，供水量减少，煤体内部复杂孔隙结构也增加了水分运移阻力，煤体内部的吸水速度会逐渐减慢，置换作用也随之减弱。从煤体吸水过程看，煤体的吸水速度反映了水分对煤体中吸附瓦斯的置换速率。从不同初始平衡压力的置换速率来看，初始平衡压力为1.5 MPa的煤样，置换速率最大达到31 m3/(t·h)；初始平衡压力为2.5 MPa的煤样，置换速率最大达到14 m3/(t·h)。由于煤样罐自由空间都充满了瓦斯，煤样初始平衡压力与煤样罐内游离瓦斯压力相同，游离瓦斯压力越大，瓦斯从煤样内部释放到煤样罐自由空间的阻力越大，因此，初始平衡压力越大的煤样置换速率越小。

不同含水率煤样吸水置换后瓦斯解吸量曲线如图4所示。

从图4可以看出，相同初始平衡压力条件下，不同含水率煤样在同一时间内的瓦斯累计解吸量不同。与干燥煤的瓦斯累计解吸量相比，水浸湿后的煤样随着含水率的增加，瓦斯累计解吸量逐渐减小。从瓦斯解吸规律来看，煤样的含水率越大，解吸量越小。由于煤样中水分含量越大，挤占吸附位的瓦斯越多，置换出的游离态瓦斯越多，剩余的吸附态瓦斯量也就越小。

综上所述，水进入煤样内部，可以将煤样内的吸附态瓦斯置换为游离态瓦斯，在体积不变的情况下，增大了煤样罐内的瓦斯压力，且在未饱和吸水状态下，随着水分的增加，瓦斯压力增大；瓦斯置换速率呈先增大后减小的趋势；外加水分后瓦斯解吸量随着含水率增加而减小。

4 现场验证

为了验证水对直接法测定煤层瓦斯压力的影响，选择八连城煤矿进行现场试验。施工3个下向穿层钻孔，穿过煤层2 m后停止施工。钻孔见煤长度均为3 m，施工完成后利用压风对钻孔进行清洗，孔1、2未注水，孔3进行注水，注水深度为6 m。封孔后安装压力表进行测压，测压结果见表1。

表1 瓦斯压力测定钻孔参数及测压结果

从表1可以看出，注水钻孔的瓦斯压力比未注水钻孔瓦斯压力偏大。受测压气室体积、煤的润湿范围、煤的含水率及煤层透气性等不确定影响因素较多，无法定量分析水分对直接法测定煤层瓦斯压力的影响。但从实际测定的结果来看，水对煤层瓦斯压力测定有增大效应。

5 结论

1)水对煤层瓦斯压力测定的宏观影响，是水自身重力产生的，可以通过减除重力进行修正。

2)水对煤层压力测定的微观效应，根据实验室的测定可以进行定量研究。水的微观置换效应能够促进煤层中吸附瓦斯变为游离瓦斯，在体积不变的情况下可使煤层瓦斯压力增大，随着煤层含水率增高瓦斯压力呈增大趋势。

3)受测压气室体积、煤的润湿范围、煤层含水率等不确定影响因素较多，因此工程上尚不能定量确定水对煤层瓦斯压力测定的影响。