外加水分對煤層瓦斯壓力測定的影響分析

張東旭

(1.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

煤層瓦斯壓力是指原始煤體孔隙中所含游離瓦斯的氣體壓力，即氣體作用于孔隙壁的壓力。煤層瓦斯壓力是煤層瓦斯賦存的重要參數之一[1]，是煤與瓦斯突出鑒定、預測、評估和防突措施效果檢驗的重要指標之一，因此準確測定煤層瓦斯壓力對于瓦斯災害防治具有重要意義[2-10]。

煤層瓦斯壓力測定方法分為間接法和直接法[10-15]。間接法是先測定煤層瓦斯含量，根據煤的吸附特性，采用朗格繆爾方程進行計算得出。由于公式中涉及瓦斯含量、吸附常數、煤的真假密度、煤的水分、煤的揮發分等多個參數，而影響這些參數測定準確性的因素較多，因此，間接法存在較多的不可控因素，一般只做為對比和參考?，F場常用直接法測定煤層瓦斯壓力，該方法是通過向需要測壓的煤層施工鉆孔，利用封孔材料將鉆孔封堵后留有一定測壓氣室，鉆孔外用鋼管連接壓力表與測壓氣室，最終平衡后的瓦斯壓力被傳遞到壓力表上，所測壓力即為煤層瓦斯壓力。煤層賦存地質條件復雜，多數煤層或地層中含有水，水可能是裂隙水也可能是承壓水。水影響煤層瓦斯壓力的測試，因此開展水對直接法測定煤層瓦斯壓力的影響分析，并尋求減少水對煤層瓦斯壓力的影響解決方案，為準確測定煤層瓦斯壓力提供指導。

1 煤層瓦斯壓力直接測定方法

煤層瓦斯壓力直接測定方法是從巖巷或煤巷中(只針對穿層鉆孔測定煤層瓦斯壓力)向所測煤層里打鉆孔并穿過煤層，封孔后進行測壓。根據施工地點在煤層的位置不同，分為上向鉆孔和下向鉆孔測壓。鉆孔施工完后將測壓管和注漿管送入鉆孔預定位置，固定后用速凝水泥將其在孔口處進行封堵，封孔完畢將壓力表安裝在測壓管上，當壓力變化在3 d內小于0.015 MPa時，測壓工作結束，壓力表所顯示壓力即為測定的煤層相對瓦斯壓力。

2 水對直接法測定煤層瓦斯壓力的影響研究現狀

水具有較好的流動性和吸附性，煤礦井下水存在于煤巖層的裂隙或者微觀孔隙中，在施工瓦斯測壓鉆孔時不可避免要遇到含水煤巖層。而這些水對煤層瓦斯壓力測定的影響，國內外許多專家學者開展了相關的研究。

2.1 水對煤層瓦斯壓力測定的宏觀影響

煤巖層中含水會經過裂隙或者微觀孔隙滲透至觀測氣室并通過測壓管流至壓力表，上向鉆孔水柱的壓力直接作用于壓力表，由于水不可壓縮，測壓氣室中瓦斯壓力通過水的作用傳遞至壓力表。因此，此種情況下測出的表壓要大于煤層的實際瓦斯壓力，需要減去作用于表上部水的靜壓壓力。鉆孔中的水來源于溶洞水、含水層水或者承壓水，根據《煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測定方法》中規定，該測壓鉆孔應作廢。

下向孔中瓦斯一般在水的上部，瓦斯壓力直接作用于壓力表，水對煤層瓦斯壓力測定的影響較小。

2.2 水對煤層瓦斯壓力測定的微觀影響

關于水與煤體瓦斯微觀相互作用主要存在2種觀點：一是水與瓦斯共存時發生競爭吸附，由于煤對水的吸附能力強于對瓦斯的吸附能力，水分會搶占煤基質表面更多的吸附位，排擠瓦斯，降低煤對瓦斯的吸附量[16-18]；二是水在微孔隙中發生毛細現象，阻礙瓦斯運移，從而封存微孔隙內瓦斯，抑制解吸，降低瓦斯涌出量[19-21]。第一種觀點體現了水置換瓦斯作用，從根本上降低煤層瓦斯含量，有利于瓦斯解吸；第二種觀點體現了水鎖作用，水能夠封存煤體內瓦斯，降低生產期間瓦斯涌出量。在生產應用中，水自身的微觀置換作用可以增加煤層的游離瓦斯量，但該過程比較緩慢，液體置換瓦斯能力究竟有多大，對瓦斯壓力測定影響多大，目前還無定量研究。

3 水對直接法測定煤層瓦斯壓力的影響研究分析

3.1 水對直接法測定煤層瓦斯壓力的宏觀影響

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對煤層瓦斯壓力的影響。上向鉆孔有水時可以根據《煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測定方法》中提出的方法進行修正:

1)當V>V1，并且V-V1

(1)

式中：p′為修正后煤層瓦斯壓力，MPa;p1為壓力表測定煤層瓦斯壓力，MPa；l為測壓管的長度，m;θ為鉆孔傾角，(°)；V為測壓鉆孔內流出的水量，m3；V1為測壓管內空間的體積，m3；V2為鉆孔內預留氣室的體積，m3；D為測壓鉆孔的直徑，m。

2)當V>V1，并且V-V1≥V2時:

p′=p1-0.01Lsinθ

(2)

式中L為測壓鉆孔的長度，m。

3)當0

(3)

式中d為測壓管的直徑，m。

3.2 水對直接法測定煤層瓦斯壓力的微觀影響

3.2.1 實驗裝置

為驗證水對直接法測定煤層瓦斯壓力的影響，搭建了煤層水置換瓦斯實驗平臺，如圖1所示。

1—高壓甲烷氣瓶;2— 參考罐;3— 顯示器;4—復合真空計;5—真空泵;6～7—壓力傳感器;8—特制型煤;9—特制煤樣罐;10—內旋螺母;11—內置鋼瓶;12—針閥;13—恒溫箱;14—解吸儀;a～e—閥門;f—四通;g—壓力表。

煤層水置換瓦斯實驗平臺可以進行水置換煤中瓦斯及瓦斯解吸規律的實驗，由脫氣裝置(真空泵、復合真空計等)、充氣吸附平衡裝置(高壓甲烷氣瓶、參考罐等)、恒溫/變溫裝置(恒溫箱等)、壓力監控儀器(壓力表及壓力傳感器)、等壓加水裝置(針閥及特制煤樣罐)、解吸裝置(解吸儀)等構成。

為了能夠較真實地掌握水對煤樣瓦斯置換效應，實驗采用了原煤開展水置換瓦斯實驗。原煤選取硬度較大的塊煤，根據自主搭建的實驗平臺的特點，制備直徑0.050 m、高度0.100 m的柱煤，煤的密度1.33 kg/m3，煤的質量0.224 9 kg，用于考察不同吸附平衡壓力、不同含水率條件下的液體置換瓦斯和瓦斯解吸規律。

3.2.2 實驗流程

1)煤樣干燥。將實驗煤樣放入烤箱，待充分干燥后，放置于干燥皿中備用。

2)儲水鋼瓶加水。利用注射管將水從鋼瓶上預留的小孔注入鋼瓶，注入定量的水后，旋轉螺母使液面到達小孔位置，這樣水充滿鋼瓶內部空間，排除鋼瓶內部氣體，之后旋緊針閥將鋼瓶上的小孔封住，防止液體在注液時由于壓力影響流出或漏氣。

3)真空脫氣。將干燥后的煤樣放置在煤樣罐內，密封后，將煤樣罐放在超級恒溫水浴內，設置溫度恒定為30 ℃。將煤樣罐與真空脫氣裝置相連，打開真空脫氣裝置對煤樣罐進行脫氣，當真空度降為20 Pa以下時停止脫氣。

4)吸附平衡。打開高壓甲烷氣瓶的閥門，將高壓甲烷注入參考罐中，當參考罐內達到預定壓力時，關閉氣瓶閥門，再打開參考罐后方的閥門c，使甲烷充入特制煤樣罐，充氣過程中不斷開關閥門c，當特制煤樣罐內壓力穩定在預定的平衡壓力值時停止充氣[22-23]。

5)等壓加水。當特制煤樣罐內煤樣瓦斯吸附平衡后，通過旋轉內旋螺母來調節鋼瓶內部水的壓力與吸附平衡后的瓦斯壓力相等，倒置特制煤樣罐，旋開針閥，使鋼瓶內的水通過小孔流出進入煤樣中，實現等壓加水。

6)置換測試。通過置換作用，水逐漸進入煤樣內部，置換吸附態瓦斯，使之變為游離態瓦斯，這樣煤樣罐內瓦斯量增多，通過瓦斯壓力傳感器實時監測數據并傳給電腦記錄煤樣罐內瓦斯壓力變化。當壓力穩定后，結束測定。

7)解吸測試。置換測試瓦斯壓力達到最大值并穩定后，打開煤樣罐與氣袋連通的閥門，將游離瓦斯放至氣袋收集。當煤樣罐內壓力降為0時，旋轉四通使煤樣罐的解吸瓦斯進入解吸測定裝置，同時啟動計時器，記錄解吸量。

3.2.3 實驗數據分析

在恒溫條件下，利用煤層水置換瓦斯實驗平臺，開展了相同瓦斯吸附平衡壓力下不同吸水率的置換實驗，即設定瓦斯吸附平衡壓力分別為1.5、2.5 MPa，實驗煤樣是在吸水率未達到煤樣的飽和吸水率情況下開展的，煤的吸水率分別為2%、6%、10%。通過實驗及記錄的瓦斯壓力數據，得到瓦斯壓力變化曲線。通過對外加水分后瓦斯壓力變化、瓦斯置換速度和吸附平衡后的瓦斯解吸量來進行外加水分對直接法測定煤層瓦斯壓力的影響進行分析。不同吸水率下置換過程瓦斯壓力變化如圖2所示。

圖2 不同吸水率下置換過程瓦斯壓力變化曲線

由圖2可知，實驗過程中，煤樣吸水前后，煤樣罐內瓦斯壓力迅速升高，隨著吸水時間增長，煤樣罐內瓦斯壓力增高的趨勢減弱，直至曲線趨于水平。在煤樣吸水過程中煤樣罐內的自由體積未發生變化，根據氣體狀態方程，在等溫條件下，煤樣罐內的瓦斯壓力與游離狀態的瓦斯量有關。煤樣罐中的煤樣在吸入水后，煤樣罐內瓦斯壓力呈增高趨勢，說明水進入煤樣內部，將煤樣內的吸附態瓦斯置換為游離態瓦斯，煤樣罐內的游離態瓦斯增多，煤樣罐內的瓦斯壓力隨之增大。隨著置換時間增長，壓力增高趨勢減緩，煤樣罐內瓦斯壓力最終趨于穩定，再次達到平衡。從煤的含水率來看，含水率越高煤的最終平衡瓦斯壓力越大。含水率高的煤樣，瓦斯吸水量大，擠占的煤樣內部微孔隙空間越大，煤樣內的吸附瓦斯變為游離瓦斯的量越多，在體積不變的情況下，煤樣罐內瓦斯壓力越大。如初始平衡壓力在1.5 MPa下，吸水率為2%的煤樣置換后瓦斯平衡壓力為1.64 MPa；吸水率為6%的煤樣置換后瓦斯平衡壓力為2.03 MPa；吸水率為10%的煤樣置換后瓦斯平衡壓力為2.35 MPa。從初始平衡壓力來看，不同初始平衡壓力，相同吸水率的瓦斯置換趨勢相差不大，吸水后通過最終平衡壓力計算瓦斯置換率，吸附平衡壓力低的瓦斯置換率要比吸附平衡壓力高的大。綜上所述，煤樣罐內瓦斯壓力升高是煤樣的微觀孔隙對水產生毛細力，煤樣的吸水能力大于對瓦斯的吸附能力，水置換出煤中瓦斯，煤樣罐內游離瓦斯量增多，瓦斯壓力增大。故外加水分對煤樣罐內煤的瓦斯壓力有增大效應。

不同吸水率下的煤樣瓦斯置換速率如圖3 所示。

圖3 不同吸水率下置換速率變化曲線

從圖3中可以看出，煤樣在吸水過程中，水在毛細力作用下迅速進入煤體內微孔隙空間，置換吸附態瓦斯，該過程中置換速率首先以突增趨勢達到最大值，之后即刻進入衰減期，衰減趨勢比較符合指數衰減規律。從不同吸水率的置換速率來看，吸水率高的煤樣置換速率大，且置換速率上升的趨勢明顯。3種實驗方案置換速率達到最大置換速率的時間為6～34 min。實驗加水過程是將儲水鋼瓶內全部的水量在煤樣罐倒置后，整體一下加入到煤樣上，水直接淋在圓柱體煤的表面，之后未進入煤體內的水流入煤體底部積存，吸水初期接觸面較大，吸水速度最大，水與吸附瓦斯的置換作用也最強，隨后水在毛細力作用下逐漸向煤體內部運移，沿程不斷置換解吸瓦斯，水分被吸附到煤基質內，水的接觸面積也從初期的整個柱面到底部的少部分面積，供水量減少，煤體內部復雜孔隙結構也增加了水分運移阻力，煤體內部的吸水速度會逐漸減慢，置換作用也隨之減弱。從煤體吸水過程看，煤體的吸水速度反映了水分對煤體中吸附瓦斯的置換速率。從不同初始平衡壓力的置換速率來看，初始平衡壓力為1.5 MPa的煤樣，置換速率最大達到31 m3/(t·h)；初始平衡壓力為2.5 MPa的煤樣，置換速率最大達到14 m3/(t·h)。由于煤樣罐自由空間都充滿了瓦斯，煤樣初始平衡壓力與煤樣罐內游離瓦斯壓力相同，游離瓦斯壓力越大，瓦斯從煤樣內部釋放到煤樣罐自由空間的阻力越大，因此，初始平衡壓力越大的煤樣置換速率越小。

不同含水率煤樣吸水置換后瓦斯解吸量曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，相同初始平衡壓力條件下，不同含水率煤樣在同一時間內的瓦斯累計解吸量不同。與干燥煤的瓦斯累計解吸量相比，水浸濕后的煤樣隨著含水率的增加，瓦斯累計解吸量逐漸減小。從瓦斯解吸規律來看，煤樣的含水率越大，解吸量越小。由于煤樣中水分含量越大，擠占吸附位的瓦斯越多，置換出的游離態瓦斯越多，剩余的吸附態瓦斯量也就越小。

綜上所述，水進入煤樣內部，可以將煤樣內的吸附態瓦斯置換為游離態瓦斯，在體積不變的情況下，增大了煤樣罐內的瓦斯壓力，且在未飽和吸水狀態下，隨著水分的增加，瓦斯壓力增大；瓦斯置換速率呈先增大后減小的趨勢；外加水分后瓦斯解吸量隨著含水率增加而減小。

4 現場驗證

為了驗證水對直接法測定煤層瓦斯壓力的影響，選擇八連城煤礦進行現場試驗。施工3個下向穿層鉆孔，穿過煤層2 m后停止施工。鉆孔見煤長度均為3 m，施工完成后利用壓風對鉆孔進行清洗，孔1、2未注水，孔3進行注水，注水深度為6 m。封孔后安裝壓力表進行測壓，測壓結果見表1。

表1 瓦斯壓力測定鉆孔參數及測壓結果

從表1可以看出，注水鉆孔的瓦斯壓力比未注水鉆孔瓦斯壓力偏大。受測壓氣室體積、煤的潤濕范圍、煤的含水率及煤層透氣性等不確定影響因素較多，無法定量分析水分對直接法測定煤層瓦斯壓力的影響。但從實際測定的結果來看，水對煤層瓦斯壓力測定有增大效應。

5 結論

1)水對煤層瓦斯壓力測定的宏觀影響，是水自身重力產生的，可以通過減除重力進行修正。

2)水對煤層壓力測定的微觀效應，根據實驗室的測定可以進行定量研究。水的微觀置換效應能夠促進煤層中吸附瓦斯變為游離瓦斯，在體積不變的情況下可使煤層瓦斯壓力增大，隨著煤層含水率增高瓦斯壓力呈增大趨勢。

3)受測壓氣室體積、煤的潤濕范圍、煤層含水率等不確定影響因素較多，因此工程上尚不能定量確定水對煤層瓦斯壓力測定的影響。