高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究.pdf

第 3 0 卷第 3期 2 0 1 1 年 3月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vb1 ． 3 0 N0． 3 M a r c h， 20l 1 高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究 赵东，冯增朝 ，赵 阳升 太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要为了研究高压水作用后的煤层瓦斯解吸特性，依据地面水力压裂煤层抽采煤层气的方案和工艺，设计一系 列含瓦斯煤体注水后的解吸特性试验，说明实际状态下的含瓦斯煤体在受到高压水的长期作用后解吸能力及规律 的变化。试验装置采用 自主研制的吸附 一注水 一 解吸成套设备，分阶段地进行吸附、高压注水和解吸试验，对于 不同煤种同等吸附压力下、相同煤种不同吸附压力下的块状原煤进行 自然解吸和不同压力下的高压注水解吸试验， 以获得不同条件下试验煤体的瓦斯解吸规律。结果表明 1 在相同吸附平衡压力下，试验用 1 1 贫煤的自然解 吸率为 5 6 ． 1 7 ％，略高于试验用 21 无烟煤的 5 1 ． 5 0 ％，与矿井实际的条件相同；f 2 水对含瓦斯煤体的解吸特性 影响较大，等压注水后的 1 1 ，1 2 和 21 煤体的瓦斯解吸率分别为 4 0 ． 1 5 ％，4 7 ． 1 7 ％和 2 7 ．0 9 ％，只有 自然解 吸时的 5 0 ％7 0 ％，无烟煤的影响最大，较高瓦斯吸附压力下的贫煤影响最小； 3 随着注水压力的增加，最终 解吸率逐渐呈非线性的规律衰减，在注水压力达到一定极值后解吸率会保持稳定； 4 解吸的时间效应与注水有 关，自然解吸在较快时间内可以达到平衡，而注水后的解吸达到平衡的时间有不同程度的增加。 关键词采矿工程；含瓦斯煤体；高压注水；吸附和解吸；煤层气开采 中图分类号T D 3 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 1 1 0 3～0 5 4 70 9 EXPERI M ENTAL STUDY oF EFFECTS oF H I GH PRESS URE 、 I A LTER I NJECTI oN oN DES oR_PTI oN CHARACTERI S TI C oF CoAL BED MET HANE CB M ZHAO Do n g， FENG Ze ng c h a o， ZHAO Ya ng s he ng I n s t i t u t e o f Mi n i n gT e c h n o l o g y ，T a iy u a n U n i v e r s i ty o fT e c h n o l o gy ，T a iy u a n ，S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e me t h o d s a n d t e c h n o l o g i e s o f c o a l b e d me t h a n e C B Me x p l o r a t i o n b y c o a l s e a m i n h y d r o f r a c t u r e o n t h e g r o u n d，a n d t h e d e s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f CBM a ft e r t h e e ffe c t s o f h i g h p r e s s u r e wa t e r i n j e c t i o n i n t o t h e c o a l ma s s s a mp l e ，a g r e a t d e a l o f e x p e r i me n t s a b o u t C B M d e s o r p t i o n f e a t ure s i n c o a l s a mp l e a f t e r wa t e r i n j e c t i o n h a v e b e e n d e s i g n e d ． T h r o u g h t h e s e e x p e r i me n t s ，d e s o r p t i o n f e a t u r e s o f C B M a f t e r t h e e ff e c t s o f h i g h p r e s s ure wa t e r wh e t h e r o r n o t h a v e b e e n i l l u s t r a t e d；a n d t h e c o mp a r i s o n o f d e s o r p t i o n wh e t h e r wa t e r i n j e c t i o n o r n o t c o u l d b e s h o we d i n o r d e r t o a p p l y i n a c t u a l c o a l s e a m． T h e e x p e r i me n t a l e q u i p me n t s w h i c h a c t e d o n o u r o w n ma n u f a c t u r e d d e v i c e s i n c l u d i n g a d s o r p t i o n ，wa t e r i n j e c t i o n a n d d e s o r p t i o n ，a l l o f t h e n e c e s s a r y e x p e r i me n t s h a v e b e e n c o n d u c t e d ． D uri n g t h e p r o c e s s o f e x p e r i me n t s ，a d s o rpt i o n ，h i g h p r e s s u r e w a t e r i n j e c t i o n ， d e s o r p t i o n e x p e r i me n t a r e c o n d u c t e d o n e b y o n e ．I n o r d e r t o a c q u i r e t h e d e s o r p t i o n l a w o f c o a l s a mp l e s a t d i ff e r e n t c o n d i t i o n s ，t h e c o mb i n a t i o n e x p e r i me n t s o f c o a l ，g a s a d s o rpt i o n p r e s s u r e a n d d e s o r p t i o n wh i c h i n j e c t e d wa t e r o r n o t h a v e a l s o b e e n s t u d i e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t 1 At t h e s a me b a l a n c e d g a s a d s o rpt i o n p r e s s ure ，t h e n a t u r a l d e s o r p t i o n p e r c e n t a g e o f p o o r c o a l s a mp l e拌 11 i s 5 6 ． 1 7 ％ a n d e x c e e d s t h e b l i n d c o a l s a mp l e≠ } 21 ，t h e 收稿 日期2 0 1 01 1 0 1 修回 日期l 2 0 1 0 1 2～2 2 基金项 目t山西省 自然科学基金项 目 2 0 0 9 0 1 1 0 2 7一1 ；山西省研究生优秀创新项 目 2 0 0 9 3 0 4 0 ；山西省高校优秀青年学术带头人支持计划资助项 目 2 0 0 8 作者简介l 赵i , 1 9 8 6 一 ，男， 2 0 0 7 年毕业于太原理工大学安全工程专业， 现为博士研究生， 主要从事岩石力学和煤层气开采及综合利用方面的研 究工作。E - ma i l z h a o d o n g 0 3 0 1 1 6 3 ． c o rn。通讯作者冯增朝，男，现任教授。E - ma i l Z C - f e n g 1 6 3 ．c o rn 5 4 8 岩石力学与工程 学报 v a l u e o f w h i c h i s 5 1 ． 5 0 ％． T h e r e s u l t i s e q u a t e d t o t h e a c t u a l c o a l mi n e ． 2 T h e d e s o r p t i o n p e r c e n t a g e s o f c o a l ma s s c o n t a i n i n g g a s a r e mo s t l y a ff e c t e d b y wh e t h e r wa t e r i n j e c t i o n o r n o t ． Wh e n t h e wa t e r i n j e c t i o n p r e s s u r e wa s e q u a l t o g a s a d s o r p t i o n p r e s s u r e ，the d e s o rpt i o n p e r c e n t a g e s o f t h e c o a l s a mp l e s 11 ， 12 a n d≠ } 21 a r e 4 0 ． 1 5 ％， 4 7 ． 1 7 ％， 2 7 ． 0 9 ％ r e s p e c t i v e l y，a n d t h e p e r c e n t a g e s a r e o n l y 5 0 ％ --7 0 ％ o f t h e n a t u r a l s t a t e ． Th e mo s t a ff e c t i o n o n e i s t h e b l i n d c o a l s a mp l e 21 ，a n d the l e a s t o n e i s t h e p o o r c o a l s a mp l e ≠ } 1 2 ． 3 F o l l o we d b y t h e p r e s s ure o f wa t e r i n j e c t i o n i n c r e a s i n g ，t h e u l t i ma t e d e s o r p t i o n p e r c e n t a g e s g r a d u a l l y d e c r e a s e mo r e o r l e s s a t n o n l i n e a r l a w a n d g o t o r e ma i n s t a b l e a t l a s t ． T h e p e r c e n t a g e s o f d e s o r p t i o n wi l l t e n d t o s t a b l e i f w a t e r i n j e c t i o n p r e s s ure r e a c h e d a l i mi t e d v a l u e ． 4 T i me e ff e c t s o f d e s o rpt i o n a r e r e l a t e d t o wa t e r i n j e c t i o n ． I n n a t u r a l s t a t e ， d e s o r p t i o n c o u l d b e s t a b l e a t v e r y s h o r t t i me ，b u t a f t e r w a t e r i n j e c t i o n t h e b a l a n c e wi l l n e e d l o n g t i me ． Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g ；c o a l ma s s c o n t a i n i n g g a s ；h i g h p r e s s ure wa t e r i n j e c t i o n ；a d s o r p t i o n a n d d e s o rpt i o m e x p l o r a t i o n o f CBM 1 引 言 瓦斯灾害是矿井最为常见的事故，约 占事故总 量的 8 0 ％9 0 ％。而煤层气的开发和利用 ，不仅可 以有效降低瓦斯灾害事故的发生，还能够提供一种 清洁能源， 目前来说地面水力压裂抽采煤层气的方 法是最为有效的方法之一 J 。然而水力压裂煤层 气开采法，一方面增加了煤层的渗透性，便于瓦斯 由吸附态转为游离态沿着渗流通道被采 出；另一方 面 由于高压水对煤层瓦斯的封堵作用 ，使得游离态 转为吸附态 ， 并且渗流通道被水 “ 封闭” ，不利于瓦 斯的采出， 且 已有的工业试验证实注水后会降低煤层 瓦斯的解吸率，对瓦斯的抽采产生负面的影响【4 】 。 针对影响煤层瓦斯解吸因素的研究 I ． L a n g r n u i r [ 6 J 给 出了煤体瓦斯吸附解吸规律随不同气体压力变化 的关系式，并指出影响吸附解吸的可能因素；E ． M． Ai r e y 1 7 】 给 出了碎裂煤体 的瓦斯解 吸规律 随时问变 化的影响因素及关系式，提 出了解吸的时间效应参 数 ；秦文贵和张延松 j 从微观角度分析了水能进入 到煤体的孔隙范围，以及注水后煤质量增量与孔隙 分布的关系；聂百胜等L 9 J 采用磁化水代替普通水进 行煤层注水 ，从而降低高压水对瓦斯的抑制效应 ； 陈尚斌 等【 1 U J 通 过在 水中添加清洁压裂液 的方法来 提高受高压水影响下的煤体瓦斯解吸能力；郭红玉 和苏现波【 l 【 J 对于注水影响煤层瓦斯的解吸特性，提 出了启动压 力梯度 这一概念对 解吸影响程度的描 述 。对于试验条件下 的含瓦斯煤体在高压注水后 的 解吸规律研究，国内外鲜见报道，因此 目前仅从侧 面针对煤层注水抑制瓦斯涌出及防止突 出的研究 ， 并不能从机制上完全说明煤层注水对瓦斯解吸的影 响程度 以及此种工艺的高效性[ 6 -- 1 3 ] 。 为 了解 决高压注水后煤体 瓦斯解 吸影响 的程 度 ，本文从试验 出发 ，针对不 同注水压力 F煤体 的 瓦斯解吸特性，研究无外部压力下的含瓦斯煤体在 注水条件下 的解吸规律，通过贫煤和无烟煤在相 同 吸附状态不 同注水压力和 同种煤不同吸附状态同等 注水压力下的特性对 比试验，说明注水压力和煤种 对注水后煤体瓦斯解吸特性的影响，试验结果对于 实际高瓦斯或突出矿井的瓦斯综合治理、现场试验 和优化水力压裂法抽采煤层气等均具有一 一 定的参考 价值 。 2 试验介绍 2 ． 1 试验样品 试验用煤取 自于沁水煤 田潞安矿区 3 煤层 的贫 煤和阳泉矿 区 9 煤层 的无烟煤 ，2种煤均属于高变 质程度煤 ，现场大块取样后就地进行封腊处理，运 抵实验室后采用大型煤岩钻样机加工成 1 0 0 mm 1 5 0 mm 的大块 圆柱形煤样 见图 1 ，此大试样保留 了煤体原有的裂隙，可以进行地层煤体的模拟试验。 共加工试验用煤样 3块， 贫煤编号为 l -1 和 l -2 ， 无烟 煤编 号为 21 ，煤样 试验 前先在 D HG一 9 0 3 5 AD型鼓风干燥箱 1 0 6℃烘干 1 2 ～1 6 h ，以确 保煤中的水分完全蒸发。 图 1 试验煤样 F i g ． 1 Co a l s a mp l e s 第 3 0卷第 3期 赵东，等． 高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究 5 4 9 2 ． 2 试验设备及过程 试验设备采用太原理工大学采矿工艺研究所 自 主研制的吸附 一注水 一解吸成套设备，可以完成所 取煤样的吸附试验、不 同压力下 的注水试验和解吸 试验 ，装置主要 由吸附仪、高压注水设备、瓦斯贮 气罐 、集气装置、精度士 0 ． 1℃的恒温水浴和真空泵 组成， 试验装置原理见 图2 。 压力读取的采用 AC D一 2 5型高精度数字压力表 ，精确至 0 ． 0 0 1 MP a ，集气 采用先滤水后集气 的排水集气法，选用量程 2 ． 0 L， 刻度 2 0 mL的量筒，可估读至 2 mL，精度满足试 验要求。试验煤样无外部压力，可以较好地模拟实 际煤层压裂后的块裂性态煤体所处的状态 ，试验整 个过程中的温度恒定在煤储层温度 2 O℃，温度 由 恒温水浴控制 。对试验煤体放入后的 自由体积测定 完毕后，开始进行试验 。 所有试验分 3个阶段进行 ， 第一阶段是吸附试验，采用高压氦气法检验吸附装 置的气密性，完毕后将煤样放置于吸附仪 中，用真 空泵脱气 2 4 h ，接通贮气罐开始吸附，吸附时间设 定为 2 4 h ， 记录整个吸附过程的压力变化 ； 第二阶段 是注水试验 ，吸附平衡后接通注水设备，在试验给 定的注水压力下从吸附仪 的下端进行注水 ，注水过 程控制内部压力，待上端 出口有水排出时，即可认 定水贯通于整个煤样， 此注水压力 的水压保持 2 4 h ， 以达到充分模拟煤层水力压裂抽采煤层气的效果， 记录整个注水过程 中的水压变化；第三阶段是解吸 试验，注水完成后接通集气装置进行常压解吸 ，解 吸平衡的判定依据为解吸速率小于 1 0 mL ／ h ，所有 试验过程均为 4 8 h ， 并记录整个解吸过程的排气量。 对于所有试验 ，先进行相 同吸附平衡压力下的不同 煤种在不同注水压力下的解吸试验 ，针对试验煤储 层 的瓦斯孔 隙压力 ，选取 0 ． 6 5 MP a作为此 时的 l 一试验煤样； 2 一吸附仪； 3 ～恒温水浴； 4 一高压注水设备； 5 一真空泵； 6 ～瓦斯贮气罐 7 一集气装置 排水集气法 ； 8 ～集水量杯； 9 一精密数字压力表； 1 O 一阀门； 1 1 一四通装置； 1 2 一管线 图2 试验装置原理 F i g ． 2 P r i n c i p l e o f e x p e r i me n t a l a p p a r a t u s 吸附平衡压力 ，由于试验误差会在此范围内有上下 小幅度的波动，但不影响试验整体效果，采用 3种 不同的注水压力，分别为与吸附平衡压力相等的 等压注水，3倍于吸附平衡压力下的注水和 9倍于 吸附平衡压力下的注水 ，并与 自然解吸结果进行对 比；对于同种煤不 同吸附平衡压力下的试验，选用 稍高于之前的设定压力 0 ． 9 0 MP a ，此时的注水压力 仍是 3种 ，分别为等压注水 、3倍注水压力和 9 倍注水 压力。 3 试验现象与结果分析 3 ． 1 试验数据与参数定义 表 1为试验煤样 的吸附 一 注水 一解吸数据 温 度恒定 2 0℃ ，表中参数定义 P 1 为吸附开始时瓦 斯贮气罐 的初始气体压力 MP a ；P 2 为吸附结束 时 瓦斯贮气罐 的终止气体压力 MP a ；△ P为由于煤的 吸附产生的瓦斯贮气罐的气体压力差 MP a ，A P P广P ；P 1 为吸附平衡时的气体压力 MP a ；尸 4 为注 水压力 MP a ； 为煤样放入吸附仪时的游离空间 L ； 为吸附平衡后的游离气体的体积 L ； 为 吸附平衡后煤样吸附瓦斯 的体积 L ；d G 为单位质 量的煤吸附瓦斯的体积 mE g - 1 ；r ／ m 为解 吸持续 4 8 h后的累计解吸率 ， 即试验条件下的最终解吸 率；m为试验前煤样的质量 g 。所有数据都参照理 想气体状态方程换算成标准状态 2 7 3 ． 1 5 K，1 a t m 下的值。 解吸过程定义 自然解吸吸附平衡后瓦斯 在大气压环境下的 自由解吸；等压注水解吸吸附 平衡后，向吸附仪以吸附平衡压力大小的水压进行 注水 ，注水维持 2 4 h后参照 自然解吸过程；3倍和 9倍注水压力分别是吸附平衡后，向吸附仪以 3 倍和 9倍吸附平衡压力大小的水压进行注水 ，注水 维持 2 4h后参照 自然解吸过程 。 3 ． 2 试验现象和机制描述 3 ． 2 ． 1同一煤样不同注水解吸条件的比较 图 3为 1 1 ，1 2 和 21 煤样在不同注水条 件下解吸率随时问的关系 曲线 。解吸率是描述试样 解吸效果的物理量，文中分为瞬时解吸率 从解吸开 始 到解吸 过程 中某一 时刻 的累计解 吸 率 和最 终 解吸率 试验 4 8 h后 的累计解吸率 ，分别 由下式 计算 r ／ ／ 1 5 5 0 岩石力学与工程学报 2 0 1 1 年 ／ 2 式中7 7 ， 分别为瞬时解吸率和最终解吸率 ％ ； ， 分别 为单位质量试 样在解 吸过程 中的瞬 时解吸体积、最终解吸体积 mL． g 。由于不同条 件下试样的吸附瓦斯值略有细微差异，而相应的解 吸值与吸附值直接相关，因此采用解吸率来描述解 吸过程 的变化规律更加合适。 斟 褂 时间／ mi n a 1 1 煤样 时间／ mi n b 1 2 煤样 锵 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 时 间／ rai n f c 1 21 煤样 图 3 煤样在不同注水条件下的解吸率随时问的关系曲线 F i g ． 3 Re l a t i o n s h i p c u r v e s o f d e s o r p t i o n p e r c e n t a g e s t i me u n d e r d i ff ere n t wa t er e c t i o nc o n d i t i o n s o f c o a l s a mp l e s 图 3 a 为 1 1 煤样在吸附平衡压力 0 ． 6 5 MP a 左右 ，注水压力 0 ． 6 7 ，2 ． 0 7 ，5 ． 8 8 MP a及 自然状态 下的解吸率随时间的变化；图 3 b 为 l 一 2 煤样在吸 附平衡压力 0 ． 9 0 MP a 左右，注水压力 0 ． 8 8 ，2 ． 6 4 ， 7 ． 9 2 MP a 及 自然状态下的解吸率随时间变化； 图 3 c 为 21 煤样在吸附平衡压力 0 ． 6 5 MP a左右 ，注水 压力 0 ． 5 5 ，1 ． 9 5 ，5 ． 8 5 MP a 及 自然状态 下的解吸率 随时间的变化。图 3 a ～3 c 的共 同点为 试样的瞬 时解吸率和最终解吸率均随着注水压力的升高而有 所降低。不同之处在于解吸的时间效应在不同的注 水条件下有所区别，1 1 ， 1 2 和 2 1 煤样在自 然解吸时的前 5 0 0 mi n内，解吸均完成了试验最终 值的 8 0 ％以上；随着注水压力的增加，等压注水条 件下所有煤样在前 5 0 0 mi n内，解吸约完成了试验 第 3 O卷第 3期 赵东，等．高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究 5 5 1 最终值 的 7 0 ％左右 ，3倍压力注水相同时间内，完 成 了最终值 的 6 0 ％6 3 ％，9倍压力注水相同时问 内， 完成了最终值 的 5 0 ％5 5 ％。在最终解吸率上， 自然解吸、等压注水解吸和 3倍压力注水解吸有较 大幅度 的间隔，而 3倍和 9倍压力注水解吸只有很 小的差别。 通过比较得出注水对煤体瓦斯解吸的影响体现 在解吸率和解吸的时间效应 2个方面，煤样 的最终 解吸率随着注水压力的升高而逐渐降低，注水对解 吸率的影响体现在 由于高压水进入到含瓦斯 的煤样 后，原先的孔隙裂隙通道在水的存在下产生了一定 的毛细管力 ，此力能够封堵瓦斯 的渗流通道造成瓦 斯继续吸附在煤体中，并且注水 的压力越高 ，水进 入到煤体的孔裂隙尺度越深，由此产生的毛细管力 越大，对瓦斯的抑制封堵作用越 明显 ，但 当注水压 力达到一定值后 ，由于煤体的孔隙裂隙分布存在具 体的临界值 ，使得随后注水压力增加 的阶段，解吸 率受水的影响程度减弱；注水对解吸时间效应 的影 响体现在相同的时间内，解吸效率会随着注水压力 的升高而有不同程度的降低，表现为解 吸在水影响 下的延迟效应 ，这是 由于煤体受水作用后 ，使原先 用于瓦斯解吸的通道在数量上有所减少，使得瓦斯 渗流途径的范围变窄 。 3 ． 2 ． 2不同煤样同等注水解吸条件的比较 图 4为相 同注水条件下煤样的解吸率随时问的 关系 曲线 。自然解吸、等压注水解吸、3倍压力注 水解吸和 9倍压力注水解吸 4种条件下的相同之处 在于任何解吸条件下，解吸率的高低顺序依次为 1 2 ，11 和 21 煤样，由于 1 1 和 1 2 煤样 是属于同种煤 ，不 同之处仅是吸附平衡压力，说明 同等注水条件下，解吸率与吸 附平衡压力呈正增长 趋势，1 1 和 2一l 煤样的区别仅是煤种的差异， 说明同等条件下解吸率的高低与煤种相关 ，对于本 试验用煤种， 贫煤的解吸率要高于无烟煤。 不 同之处 在于不同的注水解吸条件下，1 1 ，1 2 和 2一 l 煤样的最终解吸率的比例关系有所区别， 自然解 吸时较为接近，分别为 5 6 ． 1 7 ％，6 4 ． 4 8 ％和 5 1 ． 5 0 ％， 最 大值是最 小值 的 1 ． 2 5倍 ；等压注 水 时分 别为 4 O ． 1 5 ％，4 7 ． 1 7 ％和 2 7 ． O 9 ％，1 1 和 1 2 煤样接近 ， 较大于 21 煤样；3倍压力注水分别为 1 9 ． 6 4 ％， 3 9 ． 1 l ％和 1 2 ． 1 4 ％，此时 1 1 和 21 煤样接近 ， 远小于 1 2 煤样；9倍压力注水分别为 1 3 ． 1 3 ％， 1 6 ． 1 7 ％ H 5 ． 9 l ％，1 1 和 12 煤样接近 ，远大 于 21 煤样。 博 琏 莲 褂 时间／ mi n a 自然解吸 4 2 褂 1 时间／ mi n f b 1等压注水解吸 时间／ mi n c 3倍压力注水解吸 0 7 2 0 l 4 4 0 2 l 6 U 2 8 8 0 时间／ mi n d 9倍压力注水解吸 图4 相同注水条件下煤样的解吸率随时间的关系曲线 F i g．4 Re l a t i o n s h i p c u r v e s o f d e s o r p t i o n p e r c e n t a g e s t i m e o f c o a l s a mp l e s u n d e r t h e s a me wa t e r i n j e c t i o n c o n d i t j o n 图 5为煤样 的最 终解 吸率与注水压力 的关系 曲线，如图所示，1 1 煤样在 自然解吸至 3倍压力 8 2 6 O 蝌 琏 5 5 2 岩石力学与工程 学报 2 0 1 1 年 莲 槲 黠 注水压力倍数／ 倍 图 5 煤样的最终解吸率与注水压力的关系曲线 F i g ． 5 Re l a t i o n s h i p c u r ve s o f u l t i ma t e d e s o r p t i o n p e r c e n t a g e a n d wa t e r i n j e c t i o n p r e s s u r e o f c o a l s a mp l e s 注水解吸 的过程 中 ，解吸率 的衰减程度 比 12 和 21 煤样大，衰减规律接近线性，而在其后更 高注水压力时的解吸，解吸率的衰减程度有很大的缓 解 ；12 煤样在 自然解吸至等压注 水解吸的阶段 中，解吸率随注水压力增大，下降程度高于此后各 个注水阶段 ，尤其在等压注水至 3倍压力注水过渡 时 ，解吸率的变化非常小，而在等压注水到 9倍压 力注 水的全过程 中，解吸率 的衰 减呈线性规律 ； 21 煤样在 自然至 3倍压力注水的全过程中，解吸 率随注水压力的变化较明显，变化规律与 1 1 煤 样相似 ， 自然解吸 向等压注水解吸过渡 时，解吸率 衰减程度最大，此后 随着水压 的增加，解吸率的衰 减程度受水的影响虽逐渐变小，但仍要高于 1 1 和 1 2 煤样，直至水压足够大时可能会趋于稳定 。 通过 比较得出最终解吸率在 同等的注水解吸条 件下 ，会随着吸附平衡压力和煤种的不同而呈现 出 不 同的变化趋势。以试验用煤种为例，较高吸附平 衡压力下的 1 2 煤样 ，水对解吸率影 响的最大范 围出现在 3倍注水压力 向 9倍注水压力过渡时，前 者是后者的 2 ． 4 2倍，而对于 11 煤样，最大范围 出现在等压注水 向 3倍注水压力过渡时，前者是后 者的 2 ． 0 4倍，可以看出，对于相 同的煤种 ，如处于 不同吸附平衡压力时，水对解吸率的影响规律存在 差异，这是 由于吸附平衡压力越大 ，煤样注水后 ， 孔隙裂隙内部所积聚的瓦斯释放能量越大，因此若 对于所承受的相同毛细管力而言，吸附压力越大， 突破毛细管力的能力越强，试验所得的最终解吸率 越大，所以就出现了在 3 倍压力注水时，1 2 煤样 解吸率远大于 1 1 煤样的现象。对于2一 l 煤样， 在所有注水条件的解吸率变化均比较大， 自然解吸 是 9倍压力解吸时的 8 ． 7 2倍，与 1 1 煤样相比， 由于煤种的差异造成 了解吸率变化规律的差异，得 出试验用无烟煤受水的影响较贫煤大，体现在所有 的试验阶段，这可能是 由于煤体的孔隙率差异造成 的 。 3 ． 3 试验结果分析 3 - 3 ． 1解吸率的时问效应 解吸的时间效应是煤层气开采中一个非常重要 的指标 ，直接关系到采收效率 的高低。而本试验 的 解吸率的时间效应，主要是为 了说明一定的解吸时 间内，瞬时解吸率在最终解吸率中所占的比例。依 据 E ． M． A i r e y I 】 对碎裂含瓦斯煤体解吸能力随时问 变化进行了描述 ，并且侧重研究注水及吸附平衡压 力对解吸率影响的时间效应，依据下列公式对不 同 煤样不同注水压力下 的解吸率随时间的变化关系进 行分析 叩 {一 exp I一 素 ]” I} c3 式中， z ，t 分别为时间效应发散度和解吸中值时间 参数，与本试验的注水压力和煤种相关； 为时间。 对式 3 进行变换 ，令 Yl n ， t ， 一 7 7 则式 3 可变为 r， 、 j 根据式 3 ， 4 进行 回归分析，拟合结果及决定 系数见表 2 。分析表 2得出，当t t o 时，此时的累 计解吸量恰好为最终解吸量的 0 ． 6 3 2倍 ，说明通过 不同条件下 的比较可以得出不同注水压力、不 同 煤种和不同吸附压力下的解吸中值时间效应 ，此值 越小，说明解吸到达平衡的时间越快，反之越慢。3 个煤样的结果共同说明，未注水的 自然解吸试验时， 解吸到达平衡的时问最短，注水后随注水压力的不 同，到达平衡时问的快慢也有所不同，基本符合随 注水压力增加而变慢 的趋势 。 值可 以描述解吸时 间的发散效应 ，从结果可以看出在整个过程中的变 化不是很 明显 ，尤其对于同一煤样不 同注水压力下 的解吸，其值均比较接近，由此说明在试验模拟的 各项条件下，解吸时间发散效应基本一致 ，因此注 水压力对解吸量影响的时间效应 的评价指标主要是 解吸 中值时间参数 ， n 。 3 ． 3 ． 2最终解吸率受注水条件的影响 不同注水条件与自然解吸时的最终解吸率的关 系，能够真实反映各试验煤样在受水影响下的解吸 能力，水进入到煤样后对解吸能力的影响体现在 以 下 2个方面一是进入到煤样的孔隙裂隙通道，产 生的毛细管力封堵 了气体释放的通道，使得本该游 第 3 0卷第 3期 赵东，等．高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究 5 5 3 离的气体仍处于吸附状态 ；二是在整个解吸过程中 降低 了瓦斯渗流 的通道数量，削减了瓦斯释放 的有 效途径 。根据表 1 和 图 5的最终解吸率值，基于 I ． L a n g mu i r [ 6 J 所定义的等温 吸附解吸公式 ，根据试验 条件对此式进行变换 ，得到解吸率与注水压力之间 的函数关系式为 ，， D 、 【 卜 J 5 式中仉 为各煤样 自然解吸时的最终解吸率 ％ ； a，b为相关参数 MP a ，可能与煤的吸附平衡压 力和孔隙裂隙分布有关。 对于式 5 ，令 可变为 x_一 ， ， 式 5 一， 一』 ， J ， I J ， 一 X 鱼 6 一 十 一 O J a 根据式 5 ， 6 进行 回归分析，拟合结果及决定 系数见表 3 。分析可知，参数 b ／ a为水对煤体瓦斯 解吸影响最重要 的指标，也是注水影响解吸能力的 实际值，此参数的下限值为 1 ． 0 0 0 0 ，说明当注水压 力无穷大 时，瓦斯的解吸率接近于 0 ，此值越小注 水对瓦斯解吸的影响越大，对于试验用煤样依次为 21 1 1 1 2 ，在本试验 中的差异体现在吸 附平衡压力和煤种上。王兆丰等【 J j 采用吸附平衡 后粒煤样的含水率与解吸率的关系，对水影响瓦斯 表 3 最终解吸率与注水压力的拟合分析结果 T a b l e 3 S i mu l a t i o n r e s u l t s b e t we e n u l t i ma t e d e s o r p t i o n p e r c e n t a g e a n d wa t e r i n j e c t i o n p r e s s u r e 爨 萼 式 5 拟 合 结 果