水力化措施中的水锁效应及其解除方法实验研究

随着煤矿开采强度的加大，瓦斯灾害事故日益凸显，其约占煤矿事故总量的80%～90%。水力化措施是瓦斯治理的有效方法，然而外来水的侵入易造成水锁效应，水锁效应是抑制瓦斯抽采的不良因素，如何快速、有效地解除水锁效应已成为实现煤矿提高瓦斯抽采中亟待解决的重大问题之一。 针对瓦斯抽采中的水锁效应这一科学问题，本文利用实验方法从表面活性剂性能实验研究、饱和溶液状态下煤样液相滞留效应的核磁共振研究、基于离心分离和煤水相自吸的水锁解除评价实验等方面探讨利用表面活性剂解除水锁效应的可行性，提出利用煤层注水中添加表面活性剂来解除水锁效应，取得如下主要研究成果： 首先，分析了水锁效应的产生机理。毛细管自吸作用和液相滞留效应是导致水锁伤害的主要原因；煤层物理性质（主要包括孔隙结构、渗透率、原始含水饱和度等）、流体界面张力、毛细管力、水侵入深度等是影响煤层水锁效应的重要因素；利用表面活性剂降低毛细管力，并确立了筛选标准：使溶液表面张力降低，使溶液在煤表面形成的接触角增大或者不减小，使煤孔隙不会产生闭合、收缩现象，使液相滞留效应降低或不增强。 其次，评价了表面活性剂的性能。表面活性剂达到临界胶束浓度时，其对应的浓度很小，降低溶液表面张力的效能不同；高分子CMC溶液在煤表面形成的接触角比水的大，阴离子、阳离子、非离子、两性离子表面活性剂溶液在煤表面形成的接触角比水的小；经过饱和水处理后，煤样的微孔孔容减少，小孔孔容、中孔孔容、大孔孔容、总孔容、平均孔径皆增大；高分子CMC溶液可以显著降低毛细管力，在较高变质程度煤中使用可以将毛细管力变成瓦斯抽采的动力。 再次，利用核磁共振方法研究了煤样的液相滞留效应。煤样在饱和水状态下所测的束缚流体饱和度比饱和高分子CMC溶液状态下高；同等条件下，煤样在饱和高分子CMC条件下，滞留在煤体中的水要少，液相滞留效应微弱，水锁效应得到有效缓解；大孔孔容与束缚流体饱和度呈负相关关系，两者之间的关联模型为：Sl=-1827.11Vm+97.62。 最后，利用离心分离和煤水相自吸实验评价了水锁效应的解除效果。同等变质条件下，离心单位质量煤中的水比CMC溶液需要更大的离心力，单位质量煤吸水量大于吸高分子CMC溶液的质量；在高分子CMC表面活性剂溶液加入后，煤自吸作用得到减缓，使单位质量煤样吸水量-时间曲线上升趋势更平缓，具有防水锁效果。