不同压制负荷重塑煤体饱和渗透系数研究

2022-08-16孙永鑫王兆丰代菊花岳基伟

煤矿安全 2022年8期

孙永鑫，王兆丰，2，3，代菊花，岳基伟

（1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003；2.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南焦作 454003；3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南焦作 454003）

在煤炭开采过程中，煤层注水常用于防治煤尘灾害和局部瓦斯消突，但注水效果受到多种因素的影响。傅贵等[1]采用煤样底部渗吸实验，研究了煤对水分吸收速度，结果表明平均毛细管力是影响渗吸速度的主要因素，过渡孔和半大孔是煤的主要渗吸通道；秦文贵等[2]通过注水试验，考察了煤孔隙对注水增量的影响，得出了水在煤孔隙中渗透和保存的最小孔隙尺度；李皓伟等[3]研究了多种表面活性剂对煤体的湿润效果，并得出了表面活性剂的最适浓度；吕品[4]通过注水实验研究了覆压对煤体渗透率的影响，结果表明覆压的增大会使煤样孔隙变小，从而导致渗透率的减小；康天合等[5]研究了煤的变质程度、赋存条件和结构特征对煤体导水系数的影响；樊亚庆等[6-7]通过自主搭建的等压渗吸实验平台，研究了瓦斯置换量和含水率的关系。

饱和导水系数是反映介质渗透特性的重要参数。在水土环境研究领域，饱和渗透系数表示单位水势梯度下、单位时间内通过水饱和土壤单位面积的水量，是设计灌溉工程的重要参数之一。孔隙介质的基本特性是影响饱和渗透系数的主要因素。陈明亮[8]对土壤饱和渗透系数的空间变异性进行了研究，结果表明土壤饱和渗透系数主要与大孔隙度有关，二者之间的关系可用幂函数和直线函数表示；孟晨[9]、敖家坤等[10]分析了大孔隙对饱和渗透系数的影响，结果表明不同土样中大孔隙的分布呈现出不均一性，存在大孔隙的原状土样，其饱和渗透系数的变异远大于孔隙分布较为均一的处理土样；李燕等[11]利用不同干密度压实黄土，通过其孔隙结构分布预测渗透曲线，并进行了实验验证；李华等[12]测定了不同干密度压实土样的渗透系数，发现在低吸力阶段，不同土样的渗吸系数差异较大，而在高吸力阶段差异较小。

煤作为一种多孔介质，其内部存在着丰富的裂隙孔隙，这些裂隙孔隙的存在对于水分的运移有着重要的影响。但是，对于煤体的饱和渗透系数及其影响因素还鲜有研究。基于此，拟采用不同压制负荷下得到的重塑煤样，采用自主设计的常水头渗透实验装置，对不含瓦斯重塑煤样的渗透特性进行研究。

1 实验内容

1.1 煤样的制备

以焦作古汉山矿高变质无烟煤为研究对象，该矿井属于煤与瓦斯突出矿井。由于实验煤样为构造煤，煤质较软，难以取心，而型煤孔隙结构与原煤差别较小，且在研究水分运移规律时多用型煤常进行实验[13-14]，故利用电液伺服万能机将所取煤样压制成型煤进行实验。其中，对煤样的压制载荷分别设置为50、70、90、110 MPa，具体制备过程如下：

1）在工作面采取新鲜煤样后立即装入密封袋密封，实验室将煤样粉碎，收集粒径0.25 mm 以下和0.25～0.5 mm 的煤粉。

2）将这2 种粒径的煤粉进行干燥，干燥箱温度为105 ℃，干燥时长12 h。

3）当煤样干燥完成后冷却至室温，按质量比1∶2称取一定质量的上述煤粉，并用10%的蒸馏水进行混合。

4）将加水后的煤样搅拌均匀后加入煤样罐，采用伺服万能机和模具进行压制，并稳压2 h，将其制成尺寸为ϕ100 mm×160 mm 的型煤煤样。

5）将压制好的型煤放入温度为105 ℃的干燥箱中干燥48 h，以充分去除煤样中的水分。干燥完成后冷却至室温备用。

1.2 不同压制负荷型煤孔隙结构测试

采用液氮低温吸附法对不同压制负荷下形成的重塑煤样进行孔隙结构测试。实验采用的测试仪器为ASAP2020 型全自动孔隙率与比表面积分析仪，其基本原理为：氮气相对压力p0/p 能够影响氮气在煤体表面的吸附量，其中p0为饱和蒸气压；p 为气体平衡压力。当p0/p 在一定范围内增大时，氮气被吸附至煤样不同大小的孔隙中并转变为液态。根据不同压力下的氮气吸附/脱附量，即可计算出孔体积、孔径、孔分布和比表面积。实验具体操作步骤如下：

1）按照上述重塑煤样制作方法，在50、70、90、110 MPa 载荷下压制煤样，压制成型的煤样呈圆柱体，直径和高度均为16 mm。

2）称量上述煤样的质量，精确到0.000 1 g。称量结束后将煤样放入样品管中。

3）将样品管中的煤样加热脱气12 h，脱气结束后进行低温液氮吸附/解吸实验。

1.3 饱和渗透系数测试

在煤样制作完成之后，将煤样罐接入实验系统进行煤体的饱和渗透系数测定试验，实验装置示意图如图1。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

实验装置采用的是常水头法，即水流在一定水头差下通过试验煤样，根据饱和煤样的渗透流量Q和时间t 来计算煤样的饱和渗透系数。整个实验装置包括常水头加水单元、煤样罐和出水计量单元。常水头加水单元是由供水量筒、加水杯和计量天平组成，供水量筒可保持稳定的水头，计量天平可对注入煤体的水量进行计量；出水计量装置可对煤样渗出水量进行计量。

根据前人研究成果[15]，水分在多孔介质中的流动符合Darcy 定律。在煤样吸水饱和之后，煤样的饱和渗透系数K 可由下式得出：

式中：K 为实验煤样的渗透系数，cm/s；Q 为重塑煤样的渗透流量，cm3；L 为水渗透通过重塑煤样的长度，cm；H 为水头损失，cm；A 为实验煤样过水截面面积，cm2；t 为渗透流量Q 通过煤样所对应的时间，s。

2 实验结果

2.1 不同压制负荷重塑煤样的孔隙结构

按照上述实验步骤对不同压制负荷制成的重塑煤体的孔隙结构进行低温液氮吸附实验，低温液氮吸附/脱附等温线如图2。

图2 低温液氮吸附/脱附等温线Fig.2 Adsorption / desorption isotherms of low temperature liquid nitrogen

由图2 可知，不同负荷压制的重塑煤体吸附曲线趋势一致，形态符合Ⅱ型等温线。各重塑煤样在相对压力较低时，吸附曲线均有缓慢上升，随着相对压力继续增加，吸附量急剧增加，这说明了重塑煤样中较大的孔为开放型孔隙，在相对压力较高时，氮气在孔隙发生了毛细冷凝现象，导致吸附曲线急剧上升。不同负荷压制的重塑煤样的脱附曲线均存在迟滞效应，根据IUPAC 吸附滞后环的分类，发现在相对压力为0.5 处的脱附曲线满足H2 型迟滞环特征，即样品中存在墨水瓶型的孔隙。同时，按照霍多特孔隙分类方法对不同负荷下压制的重塑煤样孔隙体积进行分析，不同类型孔隙的体积占比见表1。

表1 不同类型孔隙的体积占比Table 1 Volume ratio of different types of pores

根据表1 可知，不同压制负荷制成的重塑煤样中，过渡孔所占孔隙总体积最大，在57%以上；微孔次之，占孔隙总体积28%以上；中孔所占比例最小，占孔隙总体积14%以下。随着压制负荷的增大，煤样的孔隙率逐渐减小，中孔和过渡孔体积占比也随之减少，这说明在较大的载荷下煤样更加密实。

2.2 不同压制负荷重塑煤样的饱和含水率

利用常水头渗透实验装置对不同压制负荷下形成的重塑煤样进行饱和渗吸系数的测试，重塑煤样含水率随时间变化关系如图3。

图3 重塑煤样含水率随时间变化关系Fig.3 Relationship between moisture content ofremolded coal sample and time

由图3 可以看出，在吸水过程中，不同压制负荷下形成的重塑煤样的质量含水率均随着时间表现为先快速增加，后缓慢增加，最终趋于稳定。实验结束时，在50、70、90、110 MPa 压制负荷下形成的重塑煤样，其饱和含水率分别为24.5%、21%、19.1%和17.3%，即重塑煤样的饱和含水率随压制载荷的增大而逐渐减小，两者之间符合形如y=a×xb的函数关系，重塑煤样饱和含水率随压制载荷变化关系如图4。

图4 重塑煤样饱和含水率随压制载荷变化关系Fig.4 Relationship between saturated moisture content of remolded coal sample and pressing load

分析可知，当煤样压制负荷较小时，煤样的孔隙率较大，从而可以储存更多的水分。煤体饱和含水率反映了煤样的持水容量，在煤层注水时，应充分考虑煤样的孔隙特性，合理地设计注水时间和注水量，以便于能够达到更好的降尘和局部消突效果。

2.3 不同压制负荷重塑煤样饱和渗透系数

当重塑煤样的质量含水率不再随时间发生明显变化时，即可视为煤样吸水饱和。由于煤样罐下方出水口水滴滴落的不连续性，在实验数据中选取一段时间内的多组渗透流量和渗透时间数据，根据式（1）对不同压制负荷条件下制成的重塑煤样的饱和渗透系数进行计算，不同压制负荷重塑煤样的饱和渗透系数如图5。

由图5 可知，当重塑煤样压制负荷为50 MPa时，煤样的饱和渗透系数在8×10-5cm/s 左右；当重塑煤样压制负荷为70 MPa 时，煤样的饱和渗透系数在3×10-5cm/s 左右；当重塑煤样压制负荷为90 MPa 时，煤样的饱和渗透系数在1.5×10-6cm/s 左右；当煤样压制负荷为110 MPa 时，煤样的饱和渗透系数在6×10-7cm/s 左右，与50 MPa 压制的重塑煤样的饱和渗透系数相差了2 个数量级。显然，压制负荷的增大限制了煤样的渗透特性，这主要是由于较小负荷压制的重塑煤样中，总空隙体积较大，且过渡孔和中孔所占总孔隙体积比例也较大，这些孔隙构成了水在煤体中的主要流动通道。压制载荷的增大使得煤样中的孔隙往更小的方向发展，减少了过渡孔、中孔以及大孔等煤中水分的主要渗流孔。故压制负荷小的煤样更容易静压水的运移，水分的运移速度也更快。