注水对煤体瓦斯解吸综合影响的试验研究及分析

程红林(山西华阳集团新能股份有限公司二矿, 山西 阳泉 045000)

1 前言

煤层注水防尘是广为有效的矿井综合防尘技术,在煤层被高压注水润湿的过程中,孔裂隙中有水分充分进入,存在宏观上的瓦斯驱替以及微观上的瓦斯竞争吸附。 相关的学者已经深入研究了水分对煤体中瓦斯的解吸影响,学者们认为水和瓦斯在煤体孔隙中存在两种作用关系:一是认为水能充分置换出吸附在孔裂隙表面的瓦斯,另一种是认为水能堵塞瓦斯渗流通道阻碍煤体中的瓦斯解吸。

在理论研究方面,国内外专家对煤层气的解吸以及定量化的表征[1-3],数值模型以及数学模型[4-6],不同粒径构造以及孔隙的煤层气解吸实验研究[7-9],煤层气采排技术以及影响因素方面作了大量研究[10-13]。 但是众多学者在不同的水分含量以及不同的注水量对瓦斯解吸的影响研究有所欠缺,因此,本文在阳泉二矿的15 号煤层注水应用的基础上,提出不同条件下的注水对煤层瓦斯解吸实验,分析水分对煤体内瓦斯解吸的综合影响。

2 实验系统及方法

2.1 实验系统

吸附—注水—解吸实验装置主要包括真空脱气单元、温度控制单元、充气吸附单元、高压注水单元、压力监测单元、瓦斯解吸单元。 实验装置实物如图1 所示。 其中的充气吸附单元主要包括:甲烷气瓶;蓄气罐内部容积为2.5 L,耐压20 MPa,一端连接高压甲烷气瓶,另一端连接精密压力表;煤样罐耐压20 MPa,且分别与蓄气罐、注水泵和压力监测装置连接;气体减压阀输入压力0 ～25 MPa,输出压力0 ～6 MPa;压力量程0 ～10 MPa,精确度等级为0.25%。连接管路选用耐压值不低于15 MPa。

图1 实验系统实物图

瓦斯解吸单元中采用排水集气法测定不同时间煤的瓦斯解吸量,解吸单元包括两根量程1 200 mL的解吸量筒,精度为4 mL。 连接解吸量筒和煤样罐的管路可以根据实验系统的管路需要随意弯曲变形,且气密性好,能够保证在实验过程中不漏气,不影响实验测量。 实验原理图如图2 所示。

图2 实验系统原理图

2.2 实验样品

实验煤样取自阳煤二矿81201 工作面15#煤。采集新鲜暴露的块状煤样,剔除夹矸密封送至实验室。

通过对采集的块状煤样破碎和研磨筛分(粒径<200 目),将煤粉与少量纯净水均匀混合,煤样质量控制在260 g 左右,利用自制的高压成型装置在单轴压力试验机上制备了标准煤样试件,压制过程缓慢升压(50 N/s),成型压力196 kN,稳压4 ～5 h。高压成型装置及压制的型煤试件如图3 所示。

图3 高压成型装置及压制的型煤试件

2.3 实验步骤

(1)将制备好的一定质量煤样(根据实验目的有干燥煤样和不同含水量煤样)装入煤样罐中后轻微震平,旋紧螺钉密封煤样罐并对系统进行气密性检查。

(2)开启真空泵,对实验系统进行长时间抽真空后将常压氦气充入实验装置,通过测量充入氦气的体积获得系统的自由体积,测定3 次取平均值为最终测定值。 煤样罐内自由体积为

式中,Vd为煤样罐内部自由体积,cm3;Vs为煤样罐容积,cm3;G为实验煤样质量,g;ρt为煤的真相对密度,cm3/g。

(3)经过气密性检查后释放高压瓦斯,恒温进行真空脱气,脱气时间视不同煤样、煤样质量及泵的能力而定。

(4)煤样充气包括常压充气吸附和高压充气吸附,两个阶段后进行高压注水吸附平衡,在向吸附平衡煤样高压注水,注水压力及注水量根据实验水分确定,记录注水压力、时间及流量。 利用压力监测系统实时采集不同时间的气体压力值和最终吸附平衡压力。

(5)瓦斯解吸量测定。 瓦斯解吸时间为8 h,解吸时间1 ～10 min 每1 min 读取一次观测值,10 ～20 min 每2 min 读取一次数据,随着解吸速度降低,逐渐增大续取时间间隔,180 ～480 min 每60 min 读取一次数据。 当气体解吸量小于0.05 cm3/h 时,终止解吸测定。 将不同阶段的解吸量换算为标准状态下单位质量煤的体积,计算公式为

式中,Qt为解吸时间t的标准状态下累积气体解吸量,cm3;为解吸时间t 的实测累积气体解吸量,cm3;P0为实验室大气压力,Pa;hw为实验时量筒内水柱高度,mm;Ps为温度T时的饱和水蒸气压力,Pa;T为实验室环境温度,℃;G为实验煤样质量,g。

3 实验结果分析

3.1 不同含水量对煤体瓦斯解吸影响

本文为探讨水分含量大小对煤吸附瓦斯量的影响,高压容量法测试了不同含水量煤样30 ℃条件下的吸附等温线。 依据朗格缪尔方程计算煤的吸附常数a, a 为煤的极限(饱和)瓦斯吸附量,表征煤的瓦斯吸附能力强弱。 2 组煤样的吸附常数a 与水分含量的关系曲线如图4 所示。

图4 不同含水量煤样瓦斯吸附等温线

由图4 可知,不同含水量煤样的瓦斯吸附等温线均表现为先快速增长后趋于平缓的变化趋势;在低压段(吸附平衡压力<0.3 MPa)各煤样吸附瓦斯量的差异不显著,随着吸附平衡压力增大,差异性逐渐显著。

随着煤样含水量增加,相同吸附平衡压力下,煤样的瓦斯吸附量变小,但存在一个临界水分含量值(平衡水分),当超过该值时,水分含量的增加对瓦斯吸附量的变化基本无影响。

由图5 可知,随着煤样含水量增加,极限瓦斯吸附量(a值)先快速下降,之后下降趋势变缓,最终趋于一稳定值,即水分含量再增加对煤样的极限吸附瓦斯量无影响。 15 #煤样的极限瓦斯吸附量a与水分含量m的关系多项式拟合公式为

图5 极限吸附量与水分含量关系曲线

上述拟合公式的相关系数均大于0.9。 煤吸附瓦斯的能力随水分含量增加降低,但存在水分含量临界值,与相关学者研究结果一致。 对于CHC 煤,干燥煤的a值为37.08 m3/t,水分含量为6.75%,a值为25.14 m3/t,吸附能力降低32.20%。 当水分含量为10%时,煤样的吸附能力降低近40%。 预制水分侵入对煤体瓦斯吸附量影响显著,能够降低煤的瓦斯吸附量,但水分含量的影响作用存在一个极限值。

3.2 水分对煤体瓦斯微观置换解吸作用

煤的瓦斯解吸类型主要有降压解吸、升温解吸、置换解吸、扩散解吸和混合解吸等。 置换解吸是指向含瓦斯煤体注入比CH4吸附性更强的气体或液体时,该流体与CH4展开竞争吸附,促使部分煤吸附的CH4解吸。 置换解吸作用示意图如图6 所示。

图6 置换解吸作用示意图

实验室注水实验不同实验条件水分置换解吸瓦斯量见表1。

由表1 可知,再平衡后的罐内气体压力高于初始状态吸附平衡压力,最大增加32%;在相同注水量条件下,随着吸附平衡压力增大,水分置换解吸瓦斯量增加;在相同吸附平衡压力条件下,随着注水量的增大,水分置换瓦斯量增加。 吸附平衡压力为0.5 MPa,注水量为50 mL,YE 煤的置换解吸瓦斯量为1.34 m3/t。 实验表明注水卸压后再平衡过程(时间较长)中,水分缓慢充分润湿煤样,并与甲烷展开竞争吸附,水分置换解吸了部分吸附瓦斯,瓦斯由吸附态转化为游离态,进而导致再平衡气体压力升高,进一步验证了水分对煤体瓦斯的置换解吸作用。

表1 不同实验条件置换解吸瓦斯量结果

3.3 注水对煤体瓦斯宏观驱赶作用

实验室对含瓦斯煤体注水实验时,注水压力、流量及润湿煤体区域均较小,压力水克服渗流阻力进入煤体内部孔裂隙,导致煤样罐内自由空间体积减小,罐内游离CH4气体被压缩导致气体压力升高。由于注水时间较短(10 min),且注入煤体水量可知,忽略注水过程中气体压力变化影响煤对CH4的吸附和水分的蒸发,不考虑压力水对煤体孔隙的沟通作用引起的罐内自由空间变化,则可认为气体压力升高值引起游离气变化值即为驱赶瓦斯量Qq,计算公式为

式中,m为煤样罐内煤样质量,g;V0为煤样罐内自由空间体积,可采用式(1)计算,mL;Vw为注入煤样罐水的体积,可采用实际注水量计算,mL;P0、P1分别为初始平衡气体压力和注水后再平衡压力,MPa;Z0、Z1分别为恒温条件对应P0、P1的甲烷气体压缩因子,MPa;T为实验时恒温温度,K;R为摩尔气体常数,9.314 J/mol。

煤样不同注水条件实测的驱赶瓦斯量见表2,下文表中,为方便标记,均使用YE 煤代表阳泉二矿煤样。

由表2 可知,在相同注水量条件下,随着吸附平衡压力增大,注水驱赶瓦斯量增加;相同吸附平衡压力条件下,随着注水量的增大,注水驱赶瓦斯量增加。 吸附平衡压力为0.5 MPa,注水量为50 mL,YE煤的驱赶瓦斯量为0.89 m3/t。 煤的瓦斯吸附平衡压力大,吸附瓦斯量和游离瓦斯量均增大,相同注水量条件(占据的自由空间体积相同)驱赶的瓦斯量较大。 注水量增大时,注入水占据的煤体自由空间体积大,相同的游离瓦斯量被压缩升压排出量更大。实验结果验证了高压注水对煤层游离瓦斯的驱赶作用。

表2 不同实验条件驱替瓦斯量结果

3.4 注水对含瓦斯煤体瓦斯影响综合分析

注水是抑制含瓦斯煤体瓦斯解吸还是促进解吸,可通过对比注水煤样和初始条件煤样的瓦斯解吸量验证。 以YE 煤样吸附平衡压力0.5 MPa 量为例,注水煤样不同阶段瓦斯解吸量和注水后煤样的平均含水量见表3 和图7 所示。

表3 不同实验条件下的YE 瓦斯总解吸量结果

图7 解吸量注水量与水分含量关系曲线

由图7 可知,随着注水量的增大,煤样的平均水分含量增大,注水量为100 mL,煤样的含水量超过6.5%;含瓦斯煤样注水后的总瓦斯解吸量均大于原始煤样的卸压解吸量,且注水量越大增值越明显;YE 煤不同注水条件总瓦斯解吸量增加0.90 ～1.36 m3/t,最大增加18.01%;实验表明注水能够增加含瓦斯煤体的瓦斯解吸量,注水驱替瓦斯(驱赶作用和置换解吸作用)效应明显。

在煤层气领域,采用卸压解吸原理的排采技术最多能开采出50%的煤层气资源。 为提高煤层气产出率,基于置换解吸原理提出了注气驱替煤层气工艺技术,采用比CH4吸附性更强的气体注入煤层,促使煤层中的CH4解吸。 理论与实践研究均表明,煤吸附CH4、CO2和N2能力不同,由强到弱顺序为CO2> CH4> N2。 研究表明,从吸附能角度考虑,CH4分子在煤表面吸附时,约释放12.29 kJ/moL 的能量, H2O 分子在煤表面吸附时, 约释放20.06 kJ/moL 的能量,煤吸附瓦斯时释放的能量小于吸附水释放的能量,煤吸附水的系统稳定性更强;另外从吸附趋势以及分子间作用力估算,煤对水的作用力强于对瓦斯的作用力,在煤注水置换解吸瓦斯规程中的瓦斯解吸量要大于直接注水驱替量。

4 结论

(1)预制的水分侵入对煤体瓦斯吸附量影响显著,能够降低煤的瓦斯吸附量,水分含量与瓦斯极限吸附量之间存在函数关系。 但水分含量对瓦斯极限吸附量的影响作用存在一个极限值。

(2)在相同注水量条件下,随着吸附平衡压力增大,注水驱赶瓦斯量增加。 相同吸附平衡压力条件下,随着注水量的增大,注水驱赶瓦斯量增加。

(3)再平衡后的罐内气体压力高于初始状态吸附平衡压力,最大增加32%;在相同注水量条件下,随着吸附平衡压力增大,水分置换解吸瓦斯量增加;在相同吸附平衡压力条件下,随着注水量的增大,水分置换瓦斯量增加。

(4)随着注水量的增大,煤样的平均水分含量增大。 含瓦斯煤样注水后的总瓦斯解吸量随注水量越大而增大。 实验表明注水能够增加含瓦斯煤体的瓦斯解吸量,注水对瓦斯的驱赶作用和置换解吸作用效应明显。