煤体含水量对瓦斯解吸特性影响规律实验研究
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中图分类号:ＴＤ７１２ 文献标识码:Ｂ 文章编号:１００５２７９８(２０１９)１１００７８０３
对煤体进行水力压裂措施后ꎬ大量的水被高压
压入煤体内部ꎬ随着煤体内的孔隙被水分侵入ꎬ将导
致瓦斯解吸特性发生变化ꎮ 煤体的瓦斯解吸特性在
一定程度上决定了煤层突出风险的大小ꎬ对确定瓦
斯压力和突出风险具有重要作用ꎮ 煤体中裂隙水挤
走煤体中 的 部 分 瓦 斯ꎬ 同 时 阻 碍 煤 体 中 瓦 斯 的 移
动 [１] ꎮ 水在进入煤体的过程中有置换效应ꎬ大约可
置换掉煤体中 １０％ 的瓦斯含量 [２ － ３] ꎬ置换的量和液
体性质有关 [４] ꎻ水在煤体中产生毛细管力ꎬ对瓦斯
的移动起到阻碍作用ꎬ孔隙压力使游离态瓦斯转变
成吸附态瓦斯 [５ － ６] ꎮ 含水量的增加对瓦斯解吸起到
抑制作用ꎬ并且和煤的变质程度相关 [７ － ８] ꎮ
本文以新景矿 ３ 号低透气性煤层为对象ꎬ通过
实验测试不同含水量煤体的饱和吸附量、解吸量和
解吸速度来研究瓦斯解吸特性规律ꎮ
１ 实验装置及煤样制备
１. １ 实验装置
含水量对煤的瓦斯解吸特性的影响规律直接决
收稿日期:２０１９
０５
２４
作者简介:王晓东(１９８４ － ) ꎬ男ꎬ山西阳泉人ꎬ工程师ꎬ从事瓦斯治理技术及管理工作ꎮ
２０１９ 年 １１ 月 王晓东:煤体含水量对瓦斯解吸特性影响规律实验研究 第 ２８ 卷第 １１ 期
把不同含水量的煤样放入吸附罐ꎬ用高压容量法测
和充气罐、精密压力传感表组成ꎮ 该单元可保持煤
样罐中煤样在吸附和解吸过程中恒温ꎬ由水浴和超
７８
级恒温器实施ꎮ
３) 吸附平衡单元ꎮ 由精密压力传感表、瓦斯
气、煤样罐和充气罐以及连通阀门组成ꎮ
４) 煤样注水单元ꎮ 由精密压力表、平流泵、
量杯测定仪组成ꎮ
５) 解吸测量控制单元ꎮ 该单元由压力调控
斯解吸过程测试ꎮ 不同含水量煤体的瓦斯解吸量随
时间的变化关系曲线见图 ２ꎮ
图 ２ 不同煤体含水量在 １. ０ ＭＰａ 压力下
瓦斯解吸量随时间的变化关系曲线
由图 ２ 可以看出:煤体含水量越大ꎬ瓦斯解吸量
样在 ３０ ℃ 条件下测试ꎬ吸附平衡压力为 １. ０ ＭＰａꎮ
不同含水量煤体的瓦斯解吸速度随着时间的变化曲
线见图 ３ꎮ
来越小ꎮ
３ 解析量和解吸速度
３. １ 瓦斯解吸总量的影响研究
为了考察煤体含水量对新景矿 ３ 号煤层煤样瓦
斯解析量的影响ꎬ吸附平衡压力设置为 １ ＭＰａꎬ温度
设置为 ３０ ℃ ꎬ分别对不同含水量的实验煤样进行瓦
定了含水煤层的瓦斯涌出规律ꎬ也是水力压裂等技
术措施的理论基础ꎮ 水分含量对煤中瓦斯解吸特征
的影响实验装置由真空脱气、恒温、吸附平衡、煤样
注水及解吸测量五个单元构成ꎬ各单元具体组成及
功能如下ꎮ
１) 真空脱气单元ꎮ 由真空泵、真空管、复合
真空计和玻璃三通阀等组成ꎬ可完成煤样的脱气和
体积测定ꎮ
２) 恒温单元ꎮ 由恒温水浴、恒温器、煤样罐
问题探讨总第ຫໍສະໝຸດ ２４３ 期ｄｏｉ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ２７９８. ２０１９. １１. ０３０
煤体含水量对瓦斯解吸特性影响规律实验研究
王晓东
( 阳泉煤业集团公司 生产技术中心ꎬ山西 阳泉 ０４５０００)
摘 要:为了验证含水量对煤体中瓦斯解吸特性的影响ꎬ以新景矿 ３ 号煤层为实验对象对煤体的饱和吸附
式中:Ｗ ｔ 为煤样的全水分含量ꎬ％ ꎻＭ１ 为加入
水分后的煤样和方盘的质量ꎬｇꎻＭ０ 为干燥煤样和方
盘的质量ꎬｇꎻＭ０ ′为方盘的质量ꎬｇꎮ
吸附罐内装样量按式(２) 计算:
Ｍ ＝ Ｍ１ － Ｍ′
(２)
式中:Ｍ 为装罐含水煤样质量ꎬｇꎻＭ′为剩余含
水煤样和方盘的质量ꎬｇꎮ
２ 吸附量
为了研究煤体含水量对瓦斯吸附能力的影响ꎬ
４) 向煤样喷洒水雾并均匀搅拌ꎬ浸润 ４ ｈꎬ称
煤样和容器的质量ꎬ计为 Ｍ１ ꎻ
５) 将上述含水煤样装入吸附罐ꎬ称剩余煤样
和容器的质量ꎬ计为 Ｍ′ꎻ
６) 每次控制向煤样喷水雾的量ꎬ可控制煤样
的含水量ꎬ煤样的含水量按式(１) 计算:
Ｍ１ － Ｍ０
Ｗｔ ＝
× １００％
(１)
Ｍ１ － Ｍ０ ′
量、解吸量和解吸速度进行了测试ꎮ 结果表明:随着煤体含水量的增加ꎬ煤体的瓦斯吸附量逐渐减少ꎬ且减
少幅度越来越小ꎻ随着煤体含水量的增加ꎬ煤体的瓦斯解析量减少且解吸速度越慢ꎻ含水量达到 １１. ５％ 后ꎬ
含水量对煤体的瓦斯解吸特性影响非常小ꎮ 研究结果对确定瓦斯压力和突出风险具有重要的作用ꎮ
关键词:煤体含水量ꎻ吸附量ꎻ解析量ꎻ解吸速度
８. １３
７. ０２
由表 １ 可知ꎬ不同水分含量的煤样在吸附平衡
压力 １. ０ ＭＰａ 条件下ꎬ其解吸量随着水分的增加是
逐渐递减的ꎮ 通过比较可以发现ꎬ在吸附平衡压力
图 １ 不同煤体含水量的瓦斯吸附等温线
由图 １ 可以看出ꎬ新景矿 ３ 号煤层煤体对瓦斯
的吸附能力随着煤中含水量的增加而减小ꎮ 含水量
试其瓦斯吸附等温线ꎮ 煤样的含水量分别为 ０％ 、
１. ５５％ 、２. ６０％ 、３. ８０％ 和 ４. ５８％ 情况下瓦斯吸附
等温线见图 １ꎮ
表 １ 不同煤体含水量前 １５０ ｍｉｎ 解吸量统计
水分含量 Ｗ / ％
Ｑ１５０ / ( ｍｌｇ － １ )
８. ６
７. ４８
１５. ５
６. ９６
０
１１. ５
阀、自制瓦斯解吸测定仪组成ꎮ
１. ２ 煤样制备
１) 称取方盘重量ꎬ计为 Ｍ０ ′ꎻ
２) 取新景矿 ３ 号煤层ꎬ制成粒度为 ０. １７ ~
０. ２５ ｍｍ的 样 品 ２００ ｇꎬ 装 入 容 器 中 均 匀 摊 开ꎬ 在
１０５ ℃ 下烘干 ２４ ｈꎻ
３) 用天平称取煤样和容器的总质量ꎬ为 Ｍ０ ꎻ
对煤体的瓦斯吸附量的影响是非线性的ꎬ随着煤体
含水量的增加ꎬ煤体含水量对瓦斯吸附量的影响越
相同的情况下ꎬ水分愈大ꎬＱ１５０ 值越小ꎮ
３. ２ 瓦斯解吸速度的影响研究
不同水分含量对瓦斯解吸速度影响的考察是在
水分对瓦斯解吸量影响的基础上ꎬ分别计算每 ２ ｍｉｎ
的解吸量ꎮ 试验选取同一粒度(０. １７ ~ ０. ２５ ｍｍ) 煤
对煤体进行水力压裂措施后ꎬ大量的水被高压
压入煤体内部ꎬ随着煤体内的孔隙被水分侵入ꎬ将导
致瓦斯解吸特性发生变化ꎮ 煤体的瓦斯解吸特性在
一定程度上决定了煤层突出风险的大小ꎬ对确定瓦
斯压力和突出风险具有重要作用ꎮ 煤体中裂隙水挤
走煤体中 的 部 分 瓦 斯ꎬ 同 时 阻 碍 煤 体 中 瓦 斯 的 移
动 [１] ꎮ 水在进入煤体的过程中有置换效应ꎬ大约可
置换掉煤体中 １０％ 的瓦斯含量 [２ － ３] ꎬ置换的量和液
体性质有关 [４] ꎻ水在煤体中产生毛细管力ꎬ对瓦斯
的移动起到阻碍作用ꎬ孔隙压力使游离态瓦斯转变
成吸附态瓦斯 [５ － ６] ꎮ 含水量的增加对瓦斯解吸起到
抑制作用ꎬ并且和煤的变质程度相关 [７ － ８] ꎮ
本文以新景矿 ３ 号低透气性煤层为对象ꎬ通过
实验测试不同含水量煤体的饱和吸附量、解吸量和
解吸速度来研究瓦斯解吸特性规律ꎮ
１ 实验装置及煤样制备
１. １ 实验装置
含水量对煤的瓦斯解吸特性的影响规律直接决
收稿日期:２０１９
０５
２４
作者简介:王晓东(１９８４ － ) ꎬ男ꎬ山西阳泉人ꎬ工程师ꎬ从事瓦斯治理技术及管理工作ꎮ
２０１９ 年 １１ 月 王晓东:煤体含水量对瓦斯解吸特性影响规律实验研究 第 ２８ 卷第 １１ 期
把不同含水量的煤样放入吸附罐ꎬ用高压容量法测
和充气罐、精密压力传感表组成ꎮ 该单元可保持煤
样罐中煤样在吸附和解吸过程中恒温ꎬ由水浴和超
７８
级恒温器实施ꎮ
３) 吸附平衡单元ꎮ 由精密压力传感表、瓦斯
气、煤样罐和充气罐以及连通阀门组成ꎮ
４) 煤样注水单元ꎮ 由精密压力表、平流泵、
量杯测定仪组成ꎮ
５) 解吸测量控制单元ꎮ 该单元由压力调控
斯解吸过程测试ꎮ 不同含水量煤体的瓦斯解吸量随
时间的变化关系曲线见图 ２ꎮ
图 ２ 不同煤体含水量在 １. ０ ＭＰａ 压力下
瓦斯解吸量随时间的变化关系曲线
由图 ２ 可以看出:煤体含水量越大ꎬ瓦斯解吸量
样在 ３０ ℃ 条件下测试ꎬ吸附平衡压力为 １. ０ ＭＰａꎮ
不同含水量煤体的瓦斯解吸速度随着时间的变化曲
线见图 ３ꎮ
来越小ꎮ
３ 解析量和解吸速度
３. １ 瓦斯解吸总量的影响研究
为了考察煤体含水量对新景矿 ３ 号煤层煤样瓦
斯解析量的影响ꎬ吸附平衡压力设置为 １ ＭＰａꎬ温度
设置为 ３０ ℃ ꎬ分别对不同含水量的实验煤样进行瓦
定了含水煤层的瓦斯涌出规律ꎬ也是水力压裂等技
术措施的理论基础ꎮ 水分含量对煤中瓦斯解吸特征
的影响实验装置由真空脱气、恒温、吸附平衡、煤样
注水及解吸测量五个单元构成ꎬ各单元具体组成及
功能如下ꎮ
１) 真空脱气单元ꎮ 由真空泵、真空管、复合
真空计和玻璃三通阀等组成ꎬ可完成煤样的脱气和
体积测定ꎮ
２) 恒温单元ꎮ 由恒温水浴、恒温器、煤样罐
问题探讨总第ຫໍສະໝຸດ ２４３ 期ｄｏｉ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ２７９８. ２０１９. １１. ０３０
煤体含水量对瓦斯解吸特性影响规律实验研究
王晓东
( 阳泉煤业集团公司 生产技术中心ꎬ山西 阳泉 ０４５０００)
摘 要:为了验证含水量对煤体中瓦斯解吸特性的影响ꎬ以新景矿 ３ 号煤层为实验对象对煤体的饱和吸附
式中:Ｗ ｔ 为煤样的全水分含量ꎬ％ ꎻＭ１ 为加入
水分后的煤样和方盘的质量ꎬｇꎻＭ０ 为干燥煤样和方
盘的质量ꎬｇꎻＭ０ ′为方盘的质量ꎬｇꎮ
吸附罐内装样量按式(２) 计算:
Ｍ ＝ Ｍ１ － Ｍ′
(２)
式中:Ｍ 为装罐含水煤样质量ꎬｇꎻＭ′为剩余含
水煤样和方盘的质量ꎬｇꎮ
２ 吸附量
为了研究煤体含水量对瓦斯吸附能力的影响ꎬ
４) 向煤样喷洒水雾并均匀搅拌ꎬ浸润 ４ ｈꎬ称
煤样和容器的质量ꎬ计为 Ｍ１ ꎻ
５) 将上述含水煤样装入吸附罐ꎬ称剩余煤样
和容器的质量ꎬ计为 Ｍ′ꎻ
６) 每次控制向煤样喷水雾的量ꎬ可控制煤样
的含水量ꎬ煤样的含水量按式(１) 计算:
Ｍ１ － Ｍ０
Ｗｔ ＝
× １００％
(１)
Ｍ１ － Ｍ０ ′
量、解吸量和解吸速度进行了测试ꎮ 结果表明:随着煤体含水量的增加ꎬ煤体的瓦斯吸附量逐渐减少ꎬ且减
少幅度越来越小ꎻ随着煤体含水量的增加ꎬ煤体的瓦斯解析量减少且解吸速度越慢ꎻ含水量达到 １１. ５％ 后ꎬ
含水量对煤体的瓦斯解吸特性影响非常小ꎮ 研究结果对确定瓦斯压力和突出风险具有重要的作用ꎮ
关键词:煤体含水量ꎻ吸附量ꎻ解析量ꎻ解吸速度
８. １３
７. ０２
由表 １ 可知ꎬ不同水分含量的煤样在吸附平衡
压力 １. ０ ＭＰａ 条件下ꎬ其解吸量随着水分的增加是
逐渐递减的ꎮ 通过比较可以发现ꎬ在吸附平衡压力
图 １ 不同煤体含水量的瓦斯吸附等温线
由图 １ 可以看出ꎬ新景矿 ３ 号煤层煤体对瓦斯
的吸附能力随着煤中含水量的增加而减小ꎮ 含水量
试其瓦斯吸附等温线ꎮ 煤样的含水量分别为 ０％ 、
１. ５５％ 、２. ６０％ 、３. ８０％ 和 ４. ５８％ 情况下瓦斯吸附
等温线见图 １ꎮ
表 １ 不同煤体含水量前 １５０ ｍｉｎ 解吸量统计
水分含量 Ｗ / ％
Ｑ１５０ / ( ｍｌｇ － １ )
８. ６
７. ４８
１５. ５
６. ９６
０
１１. ５
阀、自制瓦斯解吸测定仪组成ꎮ
１. ２ 煤样制备
１) 称取方盘重量ꎬ计为 Ｍ０ ′ꎻ
２) 取新景矿 ３ 号煤层ꎬ制成粒度为 ０. １７ ~
０. ２５ ｍｍ的 样 品 ２００ ｇꎬ 装 入 容 器 中 均 匀 摊 开ꎬ 在
１０５ ℃ 下烘干 ２４ ｈꎻ
３) 用天平称取煤样和容器的总质量ꎬ为 Ｍ０ ꎻ
对煤体的瓦斯吸附量的影响是非线性的ꎬ随着煤体
含水量的增加ꎬ煤体含水量对瓦斯吸附量的影响越
相同的情况下ꎬ水分愈大ꎬＱ１５０ 值越小ꎮ
３. ２ 瓦斯解吸速度的影响研究
不同水分含量对瓦斯解吸速度影响的考察是在
水分对瓦斯解吸量影响的基础上ꎬ分别计算每 ２ ｍｉｎ
的解吸量ꎮ 试验选取同一粒度(０. １７ ~ ０. ２５ ｍｍ) 煤