非等溫條件下煤層瓦斯滲透及解吸規律實驗研究

吳 迪

（遼寧軌道交通職業學院，遼寧 沈陽 110023）

1 非磁性三軸滲透儀組成和各部件的功能

三軸滲透儀由缸體、緊固螺母、上下壓頭、密封圈等部件組成，其特點是缸體下端蓋中間設有螺紋孔，左端設有孔并安裝一個可以加載密封閥，右端設有排氣孔螺紋連接封堵，在下端蓋中間的凹槽中密封安裝一個中間帶孔的錘形下壓頭，下壓頭的孔與下端蓋螺紋孔對應，在缸體上端蓋內密封連接一個活塞，在活塞桿頂端裝有一個可加載密封閥，在活塞中間的凹槽里密封裝有中間帶孔的錘形上壓頭，在上壓頭的上斜面和下壓頭的下斜面上各裝一個O形密封圈并套一個密封套，在密封套外的上、下斜面上用三角形壓環和壓緊螺母固定，在上端蓋的左端螺紋連接一個可加載圍壓的密封閥。

圖1 三軸應力滲透儀及加溫裝置實物圖

2 實驗系統

實驗系統主要由加壓系統、穩壓系統、氣體供給系統、加熱系統、溫度控制系統及氣體測量系統組成。煤樣軸壓及圍壓由手動試壓泵通過三軸吸附解吸儀供給，加壓后通過穩壓器（自制）保持壓力穩定；孔隙壓力通過氣體壓力調節閥調節，孔隙壓力、圍壓及軸壓數值由CWY100 精密數字壓力表讀出，精度0.2 級；在三軸吸附解吸儀上安裝加熱棒對煤樣包圍介質（水）加熱來改變煤樣溫度，溫度控制采用熱電偶測溫原理，采用N－6000 智能型數顯溫度控制器控制；解吸氣體量值利用排水法通過量筒直接讀取。

3 實驗設備和采集煤樣

實驗用煤樣選自遼寧阜新海州露天礦。將采集煤樣篩選，選擇水平層理煤樣通過切割機加工成5 cm×5 cm×10 cm 規格的標準煤試樣，稱重后置于真空干燥箱內，加熱到100～105 ℃時恒溫8 h，冷卻至室溫后取出備用。實驗方案見表1 所示。

表1 實驗方案

實驗用氣體采用純度為99.99%的甲烷氣，其性質近似為理想狀態氣體。為保證實驗人員安全，實驗室內采取通風措施，并用風扇對解吸出甲烷進行濃度降低處理。

4 實驗步驟

（1）將煤樣加工成5 cm×5 cm×10 cm 規格的標準煤試樣，并將試樣側面用膠帶密封好。

（2）煤樣稱重后置于真空干燥箱內，加熱到100～105 ℃時恒溫8 h，再冷卻至室溫后取出稱重后，放入三軸瓦斯滲透儀中，將兩側端蓋擰緊，用真空泵使其脫氣24 h。

（3）先對煤樣施加軸壓至設定值，然后施加圍壓和孔隙壓，檢查裝置氣密性，同時測定氣體滲透率。擰開高壓氣瓶的進瓦斯氣閥，設定好瓦斯壓力值，通入99.99%濃度瓦斯氣體，采用排水量氣法，用管線將出氣口瓦斯接入帶有1 800 mL 量程的量筒中收集排出氣體，待氣體排出速度穩定后，記錄一定時間排出氣體的體積。

（4）打開瓦斯進、出氣閥，測出不同溫度、不同圍壓、不同軸壓、不同空隙壓力下煤層氣的滲透率。

（5）關閉出氣端閥門，將標準吸附時間定為24 h，保持瓦斯壓力不變。

（6）吸附24 h 后，先關閉瓦斯進氣閥門，然后打開出氣閥門，同樣采用排水取氣法，記錄解吸時間和解吸氣體體積。

（7）改變溫度時，接通電源，開啟溫度控制器，設定溫度至所需值，溫度自動調節；在某一溫度下做解吸實驗時，必須當溫度達到所需值后保持一定時間（0.5 h）。

5 結 論

本文研究了不同溫度對煤層瓦斯滲透及吸附解吸規律的影響，初步得出了一些規律和有價值的結論，具體內容如下：

（1）在同一溫度、相同圍壓和軸壓條件下，煤樣滲透率隨孔隙壓力增加而增加；在同一溫度、相同孔隙壓力條件下，煤樣隨圍壓和軸壓的增加，甲烷滲透率減少；在相同圍壓、軸壓、孔隙壓的條件下，甲烷隨溫度的升高而降低。

（2）在同一溫度、相同圍壓和軸壓條件下，煤樣隨孔隙壓力增加，甲烷解吸量增加；在同一溫度、相同孔隙壓力條件下，煤樣隨圍壓和軸壓的增加，甲烷解吸量減少；等溫解吸時在同一孔隙壓力、相同圍壓和軸壓條件下，煤樣隨溫度增加，甲烷解吸量減少。升溫解吸時，解吸量比低溫度解吸量增加，孔隙壓力越大，解吸量增量越明顯。

（3）固體受熱膨脹和氣體吸熱膨脹是影響氣體解吸量的主要因素，固體受熱膨脹不利于瓦斯解吸，氣體吸熱膨脹有利于瓦斯解吸；當固體受熱膨脹占主導因素時，煤樣中孔隙裂隙擠壓閉合，氣體輸送通道被堵塞，解吸量明顯降低；當氣體吸熱膨脹占主導因素時，氣體密度減小，活性增強，解吸量增加。