不同孔隙应力下瓦斯吸附与解吸初速率研究＊

邬剑明 闫 凯 郭 凯

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030034)

1 前言

煤层中瓦斯的吸附与解吸是一个气体动力学的过程。井下煤与瓦斯突出事故的发生机理是:受采动扰动的影响,瓦斯瞬时解吸的初速度较大,大量气体与煤尘涌出时产生的气相应力突破煤层本身的体积应力,瞬间爆发出来,造成煤与瓦斯的突出。之前有学者从事过瓦斯吸附与放散的初速率研究,但没有明确给出具体的数据来证实孔隙应力与初速率的关系,例如文献3概括了瓦斯吸附的速率效应,并得出常温下长时间的吸附过程是非线性的;文献4对瓦斯放散的初速率进行了初步的研究,通过对不同埋深下煤层的放散初速率研究,得出了瓦斯放散初速率与煤深存在一定的关系,但没有详细给出具体的参数。因此,本文以煤中不同的瓦斯孔隙应力为出发点,研究吸附与解吸的初速率与孔隙应力的关系,得出的结论对于预测深部矿井的煤与瓦斯突出具有理论参考价值。

2 实验研究

2.1 实验设备和采集煤样

本实验的煤样选自潞安屯留煤矿,煤样为贫煤,挥发分为15%,水分为0%。本实验选用的实验装置如图1所示。

2.2 实验过程

采用实验室模拟实际地层中煤层的实验方法,在实验室允许的条件下模拟实际矿井的瓦斯赋存情形。采用高压密闭容量法,对吸附初速率和解吸初速率测定,首先将煤样干燥放入吸附仪中,设定不同的瓦斯初始压力向吸附仪中注入瓦斯气体,注气时间定为5 s,时间太短容易产生较大的误差,对初速率的分辨性差,而时间太长不利于测定吸附起始时的吸附能力,关闭注气阀门后测定此时的注气量与煤样中的游离瓦斯量,二者之差即是吸附量,与注气时间之比是吸附初速率。

图1 试验装置示意图

对于解吸初速率的测定,与吸附相同,只是首先给定不同的注气量与吸附时间,使煤样在不同的平衡压力下吸附平衡,吸附时间定为24 h,确保吸附完全,吸附过后开始解吸,解吸时间同样定为5 s,采用排水取气法收集解吸时产生的气体,此时的解吸量与解吸时间之比即为解吸初速率。

2.3 数据分析

对于孔隙应力采用0.5～2.5 MPa的范围,每隔0.5 MPa为1个平衡点,这样就得到5个不同的应力平衡点。计算结果如表1所示。

表1 不同孔隙应力下的吸附与解吸量

吸附初速率与解吸初速率在不同孔隙应力下的变化规律如图2和图3所示。

图2 不同孔隙应力下的吸附初速率

图3 不同孔隙应力下的解吸初速率

经拟合,孔隙应力与吸附和解吸初速率的线性关系式如式(1)、式(2)。

式中:v吸附——瓦斯吸附初速率,L/s;

v解析——瓦斯解析初速率,L/s;

P——煤层孔隙应力,MPa。

由图2和图3的拟合结果可知,拟合相关度基本在99%以上,孔隙应力与吸附和解吸的初速率呈线性关系,即随着孔隙应力的上升,初速率也随之增大。对比表1中同等孔隙应力下的吸附与解吸值发现,除了0.5 MPa结果相近以外,其余4种情况中的解吸量均大于吸附量,而且是呈一定比例的提高,这说明吸附与解吸不是一个可逆的过程,以此实验结果为例,同等条件下解吸能力大于吸附能力,这在微观上的解释是,同等孔隙应力下,解吸时的压力梯度要大于吸附时的压力梯度。

2.4 结果讨论

由数据分析可知,吸附和解吸的初速率均与煤样的孔隙应力成正比,而煤体的孔隙应力与煤的埋藏深度及煤的变质程度均成正比,埋藏越深、煤的变质程度越高,煤的孔隙应力越大。此结果与实际地层中煤层一致,说明井下发生煤与瓦斯突出事故的机率与开采层的深度成正比,实际情况亦如此。如大同煤田所属矿区,由于可采深度大多在200～400 m,埋深较浅,且所产煤种多为优质动力煤,变质程度较低,因此自开采以来,没有发生过煤与瓦斯突出事故,而淮南地区的矿区,现行可采深度达到了1000 m,所产煤种是无烟煤,变质程度高,近年来经常发生煤与瓦斯突出事故,且多数矿井被鉴定为双突矿井。

前人所做的相关研究亦可说明本研究得出结论的科学性、正确性。文献8、9均得出矿井的煤与瓦斯突出与矿井开采深度有关的 结论;当前较多采用的煤与瓦斯突出预测指标量中就有对于瓦斯压力的测定。因此本实验研究所得出的结论可以反映实际问题的。

3 结论

运用相似模拟的测试技术进行实验研究,结果表明,吸附与解吸的初速率与孔隙应力成正比,且相同的实验时间内,瓦斯在煤中的解吸能力要强于吸附能力。经拟合证明,吸附与解吸的初速率和煤体的孔隙应力呈线性关系。以上结论的得出,对矿井的煤与瓦斯突出预测具有理论参考价值。

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