煤与瓦斯突出煤层外加水分条件下瓦斯解吸动力学特性及应用研究

随着开采深部的增加，煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸等灾害日趋严重。为了提高这些煤层的透气性和防突效果，我国试验了水力割缝、水力冲孔等一系列水力增透和防突措施，已经发展成为低透气性突出煤层瓦斯灾害防治的重要技术方向。各种水利化措施的本质都是不同程度地增加了煤体的外在水分，改变了煤体的孔隙结构、裂隙发育状况和瓦斯解吸速度，对突出煤层瓦斯抽采和防突指标等产生重大影响。本项目采用理论研究、实验室实验和现场验证性试验相结合的研究方法，研究在外加水分作用下各种不同变质程度突出煤样的孔隙结构变化、水分对吸附瓦斯的封闭作用机制、对吸附瓦斯解吸作用的影响和吸附瓦斯解吸动力学过程，获得突出煤层外加水分条件下吸附瓦斯解吸动力学过程模型、关键参数和变化规律，为提高水利化措施的应用效果提供应用技术基础。

利用的高压吸附-注水-解吸测试装置，在实验温度30℃、吸附平衡压力0.5MPa、0.84 MPa、1.5 MPa和2.5 MPa条件下，采用先对干燥煤样吸附平衡，再对其进行边注水边搅拌的实验方法分别对高变质的永红煤（YH煤）和高家庄煤（GJZ煤）、中等变质程度的祁南煤（QN煤）和低变质程度的大隆煤（DL煤）注入不同外加水分后的瓦斯解吸过程进行了测试。实验结果表明，外加水分能够置换吸附的瓦斯，外加水分越大，水分对吸附瓦斯的置换量和置换率越大。外加水分对YH煤的置换量和置换率最大，对DL煤和QN煤的置换量和置换率居中，对GJZ煤的置换量和置换率最小。外加水分对卸压后煤的瓦斯解吸量、解吸速度、钻屑瓦斯解吸指标、扩散系数、解吸率和瓦斯放散初速度均有影响，它们总体上随着外加水分的增加逐渐减小。外加水分对卸压后煤的前40min内瓦斯解吸速度影响较大，对40min后的瓦斯解吸速度影响较小。外加水分对不同变质程度煤的瓦斯解吸量和钻屑瓦斯解吸指标影响程度存在差异，对DL煤极限解吸量影响最大，对QN煤和YH煤影响次之，对GJZ煤极限解吸量影响最小，造成这种差异性与煤样大孔、中孔和小孔总比表面积有关；对YH煤钻屑瓦斯解吸指标影响最大，对QN煤和DL煤影响次之，对GJZ煤钻屑瓦斯解吸指标影响最小，对钻屑瓦斯解吸指标影响差异性与小孔孔容占总孔容的比例有关。.实验数据表明，外加水分对不同煤种解吸瓦斯的综合影响效果不同，它总体上对中、高变质程度煤的瓦斯解吸起到促进作用，对低变质程度煤的瓦斯解吸起到抑制作用。数值模拟和工程实践表明，外加水分对煤解吸瓦斯既有促进作用，又有抑制作用。