水淹情況下塊煤瓦斯解吸規律實驗研究

王 然

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

中國的煤礦開采活動從20世紀初開始蓬勃發展，長久的煤礦生產在我國形成了很多的采動影響穩定區(簡稱采動穩定區，俗稱廢棄采空區)。由于生產條件制約，仍有大量的煤炭殘留于井下，其中殘留、聚集著大量煤層氣[1-2]。若任由采空區煤層氣資源逸散至大氣中，不僅造成了資源浪費還會污染環境，影響井下生產安全[3]，因而需要對采空區煤層氣資源進行利用。為了有效降低資源利用成本，需對采空區煤層氣資源進行評估[4]。煤礦采空區瓦斯來源包括鄰近卸壓煤層瓦斯、采場煤柱殘余瓦斯及采空區內部落煤殘余瓦斯等。其中，落煤殘余瓦斯解吸量是采空區可抽采瓦斯資源的重要組成部分，其估算的準確性直接影響著采空區瓦斯資源量評估結果的可靠性[5]。因此，采空區遺落塊煤瓦斯解吸規律的研究對采空區資源評估具有重要意義。

近年來，國內外學者對粉煤及塊煤的瓦斯解吸規律進行了大量的試驗研究。曾社教等[6-7]研究了不同粒徑煤粉在不同解吸溫度下的瓦斯解吸規律；王軼波等[8]針對超低溫情況下煤樣的解吸規律進行了相應研究，超低溫情況下煤樣解吸速率明顯降低；陳向軍等[9]針對粒徑1～3 mm的煤粉進行了含水情況下瓦斯解吸實驗，發現隨著含水量的逐漸增大，煤的瓦斯解吸速度逐漸降低；楊其鑾等[10-11]研究表明，煤屑解吸與粒徑關系存在一定界限，當煤樣粒度小于極限粒度，瓦斯解吸強度的衰減系數隨粒度減小而增大；姜永東等[12]研究了在不同聲場情況下煤樣的解吸規律，在聲場作用下，瓦斯解吸速率加快；聶百勝等[13]通過在煤樣解吸時加入電磁場影響因素，發現電磁場會促進煤樣瓦斯解吸；王然[14]研究了不同粒徑塊煤在不同溫度及負壓情況下瓦斯解吸規律。

通過對已有研究分析發現，現有的瓦斯解吸實驗方法針對采空區遺落塊煤在水淹情況下解吸存在著以下一些不足：①現有的實驗研究針對塊煤解吸規律研究較少，多是小粒徑煤粉，而針對塊煤在不同體積水淹情況下的瓦斯解吸規律研究則更少，不能反映采空區遺落煤瓦斯解吸真實情況；②現有的解吸實驗裝置多是煤樣罐裝入煤粉進行解吸，針對大塊度煤樣含水解吸存在著向煤樣罐注水不便、煤樣罐內吸附平衡壓力及水淹體積無法精準控制等問題，不能滿足現有的實驗需求；③現有的瓦斯解吸經驗公式，并不能正確反映采空區情況下遺落塊煤解吸量的計算，影響了采空區資源評估的準確性。

綜上所述，需要在現有研究的基礎上，針對采空區遺落煤潮濕環境解吸情況，試制更為適合的實驗裝置及實驗方法，并推導出更為精準的塊煤瓦斯解吸速率經驗模型。

1 實驗裝置的試制

試制實驗裝置主要目的是精準控制粉煤或塊煤的吸附平衡壓力的同時，能夠精準地控制塊煤水淹體積，因此在現有的煤樣罐基礎上，在罐內增加了可升降的托盤裝置。將干燥煤樣放置于托盤上，密閉煤樣罐后將罐體抽至負壓狀態后，此時打開注水閥門，在壓力差作用下，通過注水量筒注入所需水量，此時煤樣不接觸水。注水完畢后，通過充氣口充入瓦斯，使煤樣達到設定的吸附平衡狀態，再降低煤樣托盤使塊煤浸泡于水中，浸泡體積依據實驗要求控制。通過上述操作，達到精準控制塊煤浸泡體積及吸附平衡壓力的實驗的目的。塊煤水淹瓦斯解吸裝置如圖1所示。

圖1 塊煤水淹瓦斯解吸裝置Fig.1 Water flooding gas desorption device of lump coal

2 煤樣的試制及實驗設定

2.1 煤樣物理參數及實驗煤樣試制

實驗煤樣的物理特性：真密度為1.4 t/m3，孔隙率為4.01%，堅固性系數f值為0.96，瓦斯放散初速度為9。試驗煤樣為原生煤樣切割為邊長約4 cm的正方體，試制煤樣如圖2所示。

圖2 煤樣示意Fig.2 Schematic diagram of coal sample

2.2 實驗設定

完成了約60組煤樣的測定，以其中3組為例，模擬了吸附平衡壓力分別為0.4、0.6、0.8 MPa，煤樣分別水淹1/3、2/3、未水淹條件下的解吸情況，水淹情況煤樣浸泡時間為48 h，1號煤、2號煤及3號煤數據見表1。

表1 實驗煤樣尺寸數據Tab.1 Dimensional data of test coal samples

試驗開始前需將煤樣進行烘干脫氣處理，在70 ℃條件下烘干12 h，以確保煤樣中水分完全蒸發，保證實驗的準確性，3個煤樣9組試驗方案見表2。

表2 煤樣解吸試驗方案Tab.2 Coal sample desorption test scheme

3 實驗數據分析

3.1 煤樣解吸數據分析

以3組煤樣解吸數據為例，3種吸附平衡壓力下不同體積浸泡煤樣解吸速率如圖3所示，解吸速率已換算為每克煤樣解吸速率，當解吸速率低于0.001 L/min時停止計數。從圖3中可以看出，經過水淹之后，初始解吸速率明顯下降，0.4 MPa吸附平衡壓力下，無水淹煤體初始解吸速率比浸泡1/3煤體高34%，比浸泡2/3煤體高56%，2種體積浸泡情況下煤樣解吸速率差距為22%；0.6 MPa吸附平衡壓力下，無水淹煤體初始解吸速率比浸泡1/3煤體高32%，比浸泡2/3煤體高62%，2種體積浸泡情況下煤樣解吸速率差距為30%；0.8 MPa吸附平衡壓力下，無水淹煤體初始解吸速率比浸泡1/3煤體高53%，比浸泡2/3煤體高70%，2種體積浸泡情況下煤樣解吸速率差距為17%。無水淹和一定體積浸泡下煤樣瓦斯解吸速率差距明顯，說明不同體積水淹對大粒徑煤體解吸存在顯著影響，但3種情況下解吸速率的衰減都較快，2 min后煤樣解吸速率趨于平緩直至計數停止。

圖3 煤樣在不同水淹體積下瓦斯解吸速率曲線Fig.3 Gas desorption rate curves of coal samples at different flooded volumes

實驗煤樣累計瓦斯解吸量見表3。

表3 實驗煤樣累計瓦斯解吸量Tab.3 Cumulative gas desorption amount of experimental coal samples

從表3可以看出，1號煤樣在0.4 MPa吸附平衡壓力下，在未水淹情況下，累計瓦斯解吸量比1/3水淹情況高了51.2%，比2/3水淹情況高了78.6%；2號煤樣在0.6 MPa吸附平衡壓力下，在未水淹情況下，累計瓦斯解吸量比1/3水淹情況高了57.3%，比2/3水淹情況高了82.5%；3號煤樣在0.8 MPa吸附平衡壓力下，在未水淹情況下，累計瓦斯解吸量比1/3水淹情況高了63.7%，比2/3水淹情況高了89.2%。

綜上所述，當吸附平衡壓力增大時，未水淹煤樣解吸量與水淹煤樣解吸量差距進一步增大，而2種體積水淹情況下，3種吸附平衡壓力下煤樣瓦斯累計瓦斯解吸量差距分別為27.4%、25.2%、25.5%，較為接近。因此，提高吸附平衡壓力，水淹和未水淹塊煤瓦斯解吸量差距會逐漸增大，而不同體積水淹情況下瓦斯解吸量的差距變化相對較小。

3.2 解吸速率經驗公式推導

多年來，國內外眾多學者針對不同情況下煤體的瓦斯解吸進行了大量的實驗，并總結出了不同解吸條件下煤的瓦斯解吸量隨時間變化的經驗公式，如博特公式，文特公式、王佑安公式及孫重旭公式等[15-18]，但將已有的經驗公式代入塊煤水淹解吸數據進行計算時，發現擬合度較低。因此，需要推導實驗條件下煤樣瓦斯解吸經驗公式。根據實驗數據推導實驗條件下不同浸泡體積下塊煤瓦斯解吸經驗公式，在0.6 MPa的吸附平衡壓力下設解吸時間為t，設定水淹體積對解吸速率影響系數為R，水淹體積系數為p，而不同吸附平衡壓力下塊煤解吸速率差異可通過以往研究進行計算，則不同水淹體積單位煤體瓦斯解吸速率V公式為：

V=(1.38-0.6t+0.061t2)2R

(1)

通過分析不同浸泡體積下塊煤瓦斯解吸速率的差異，對差異數據進行擬合，可以推導出水淹體積對解吸速率影響系數為R的計算公式為：

R=1.05-0.06p+0.001p2-7.6p2.5+0.048p0.5×lnp

(2)

3.3 經驗公式的驗證

選取3組新煤樣1號、2號及3號，分別浸泡15%、45%及75%體積進入水中進行解吸，并先行通過經驗公式對解吸數據進行擬合計算，對比計算結果及實驗結果(表4)。由表4可以看出，經驗公式計算數據與實測數據吻合度達到89.6%，驗證了經驗公式的準確性，在實驗條件下能夠很好地反映不同水淹體積下塊煤瓦斯解吸規律。

表4 經驗公式驗證數據Tab.4 Data table of empirical formula verification

4 結論

(1)為驗證塊煤在不同水淹情況下瓦斯解吸規律，試制了針對不同吸附平衡壓力及不同水淹體積下塊煤瓦斯解吸實驗裝置，該裝置能夠精準控制吸附平衡壓力及水淹體積和時間，符合實驗要求。

(2)對煤樣進行了加工，同時進行了多組解吸實驗。通過實驗可以發現，不同體積水淹對大粒徑煤體解吸存在顯著影響，隨著水淹體積的增大，解吸速率逐漸降低，同時提高吸附平衡壓力，水淹和未水淹塊煤瓦斯解吸量差距會逐漸增大，而不同體積水淹情況下瓦斯解吸量的差距變化相對較小。并通過實驗數據推導了不同水淹體積單位煤體瓦斯解吸經驗公式和水淹體積對解吸速率影響系數R。

(3)對經驗公式進行了驗證，經驗公式計算數據與實測數據吻合度達到89.6%，證明了經驗公式的準確性，在實驗條件下能夠很好地反映不同水淹體積下塊煤瓦斯解吸規律。