低溫條件下煤體瓦斯解吸規(guī)律研究

王軼波 李紅濤 齊黎明

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,河北省三河市,101601)

低溫條件下煤體瓦斯解吸規(guī)律研究

王軼波 李紅濤 齊黎明

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,河北省三河市,101601)

實(shí)驗(yàn)研究了3個(gè)不同溫度條件下的煤體瓦斯解吸規(guī)律,結(jié)果表明,在常溫下,煤體瓦斯解吸量的增加趨勢隨著時(shí)間逐漸減緩,即瓦斯解吸速度隨時(shí)間緩慢下降;冷凍后恒溫條件下的解吸規(guī)律與常溫下大致類似,所不同的是解吸量相對較小;冷凍后變溫條件下的解吸量與解吸時(shí)間平方根之間基本呈線性關(guān)系,證明在低溫條件下煤體瓦斯解吸速度比常溫下和變溫條件下慢許多。

瓦斯防治 低溫瓦斯解吸 臨界溫度

目前測定煤層瓦斯含量使用最多的方法是直接測定法,直接測定法中瓦斯損失量的計(jì)算依賴于鉆屑瓦斯解吸規(guī)律。通過解吸規(guī)律推算出來的損失量會存在一定誤差,損失量越大,誤差也會越大。目前眾多學(xué)者提出若干假想并進(jìn)行了大量的科學(xué)研究,以減小損失量降低測定誤差,提高瓦斯含量測定的準(zhǔn)確性。溫度是決定氣體分子的運(yùn)動狀態(tài)的主要因素,其對甲烷從煤體中的釋放起著非常重要的作用。煤體溫度降低后,瓦斯分子的動能勢必減小,為掌握低溫條件下瓦斯解吸規(guī)律,本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并對此進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

煤體低溫瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)的基本原理是先將吸附瓦斯的煤體冷凍,然后在設(shè)定溫度狀態(tài)下讓其自然解吸,測定不同時(shí)間的解吸量。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理,該實(shí)驗(yàn)主要包括以下步驟:準(zhǔn)備煤樣→干燥→抽真空→煤樣在常溫下高壓吸附瓦斯→冷凍→解吸并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 冷凍煤樣解吸實(shí)驗(yàn)裝置圖

本實(shí)驗(yàn)用煤樣取自陽泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司程莊煤礦9#煤層,煤樣基本參數(shù):瓦斯放散初速度為1.96 kPa;水分0.27%～0.35%、灰分15.21%～20.83%、揮發(fā)分13.74%～15.42%;煤樣有明顯層理,稍有彎曲現(xiàn)象,屬于Ⅰ類非破壞類型;孔隙特征為小孔容積和小孔表面積所占比例最大分別為53.07%和48.84%,其次為微孔、大孔、中孔、可見孔,總孔隙體積為0.0309 cm3/g;瓦斯吸附常數(shù)a=22.79,b=1.47。在實(shí)驗(yàn)室破碎后,選取粒度為0.17～0.25 mm的煤樣200 g,烘干后,裝入煤樣罐并密封,為防止煤粒飛濺,在其表面敷設(shè)一層薄脫脂棉。

將實(shí)驗(yàn)分成3組,測試環(huán)境為常溫常壓。每組實(shí)驗(yàn)煤樣的初始條件均相同,即:常溫下打開高壓氣罐向煤樣罐充氣,充氣完畢后,關(guān)閉高壓氣罐,讓其自由吸附約7 h,最終平衡壓力為0.85 MPa,煤樣瓦斯含量11.47 m3/t。

實(shí)驗(yàn)過程中,第1組煤樣不冷凍,在常溫下進(jìn)行解吸;第2組煤樣為變溫解吸,先將煤樣冷卻至-36℃,然后開始解吸,在解吸過程中,煤樣罐暴露于常溫環(huán)境;第3組煤樣在純低溫條件下解吸,將煤樣冷凍至-36℃后,在解吸過程中,煤樣罐一直處于-36℃的低溫浴槽中。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過程主要記錄測定時(shí)間和量管讀數(shù)。根據(jù)它們推算出觀測時(shí)間、水柱高度及解吸時(shí)間平方根,并最終計(jì)算出解吸氣體體積。數(shù)據(jù)結(jié)果見圖2。

圖2 不同條件下煤樣解吸隨時(shí)間變化

煤樣常溫條件下解吸:

煤樣冷凍后變溫條件下解吸:

煤樣冷凍后恒溫條件下解吸:

由變溫解吸擬合多項(xiàng)式和決定系數(shù)可見,x2項(xiàng)系數(shù)接近0,而R2接近于1,即變溫解吸規(guī)律接近于線性規(guī)律;常溫解吸和全冷凍條件下恒溫解吸的R2值都較大,說明曲線擬合較好,基本符合二次多項(xiàng)式規(guī)律,而全冷凍條件下恒溫解吸擬合多項(xiàng)式中x2項(xiàng)系數(shù)絕對值大于其在煤樣常溫解吸中的絕對值,且其系數(shù)均為負(fù)值,說明在一定時(shí)間內(nèi)冷凍條件下恒溫解吸量要小于常溫解吸量,而且隨著時(shí)間的增加其差距會越來越大。

圖3 不同條件下的煤樣解析曲線

由圖3可以看出,在常溫下,煤體瓦斯解吸量的增加趨勢隨著時(shí)間逐漸減緩,即瓦斯解吸速度隨時(shí)間緩慢下降;冷凍后恒溫條件下的解吸規(guī)律與常溫下大致類似,所不同的是解吸量相對較小;冷凍后變溫條件下的解吸量與解吸時(shí)間平方根之間基本呈線性關(guān)系。

經(jīng)分析,在變溫解吸過程中隨著解吸時(shí)間增加,一方面,煤體瓦斯含量逐漸降低,則解吸速度也自然降低,另一方面,由于導(dǎo)熱,煤體溫度上升,這使得解吸速度增加,綜合來看,解吸量隨解吸時(shí)間平方根呈線性增長;冷凍后,變溫與恒溫相比,初始解吸量基本相同(約2 min之內(nèi)),隨著解吸時(shí)間增長,二者的差距逐漸拉開;常溫和冷凍變溫相比,初始解吸量是前者較大(約4 min之內(nèi)),但隨著時(shí)間增加,后者逐漸占優(yōu)勢,這與冷凍后瓦斯壓力降低、初始30 s內(nèi)釋放瓦斯量相對較少有關(guān)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,煤體在低溫冷凍條件下的解吸速度比較低(冷凍后 恒溫條件),由此可見,通過預(yù)先冷凍待取煤樣,可降低瓦斯損失量,提高瓦斯含量測定的準(zhǔn)確程度。

但是,當(dāng)待取煤樣被預(yù)先放置在取芯筒里的冷凍劑中冷卻后,由于導(dǎo)熱作用,煤樣不能一直保持恒定不變的溫度,在采樣過程中,它的溫度會逐漸升高,這也就是冷凍后變溫解吸。因此,它的解吸規(guī)律也就與冷凍后變溫條件下的解吸規(guī)律類似。

根據(jù)冷凍后變溫條件下的解吸規(guī)律,如果取樣過程在4 min內(nèi)完成,則可減少取樣過程中的瓦斯損失量,若再考慮初始30 s內(nèi)的瓦斯釋放量差異,則效果會更明顯。根據(jù)瓦斯含量測定的有關(guān)規(guī)定,工作面鉆孔煤屑解吸法的取樣時(shí)間為3 min,由此可見,通過鉆取冷凍煤樣進(jìn)行瓦斯含量測定,可有效降低取樣過程中的瓦斯損失量,從而提高瓦斯含量測定的準(zhǔn)確程度,冷凍取樣法測定煤層瓦斯含量為未來瓦斯含量測定研究的一個(gè)新方向。

[1] H.F.雅納斯,于策.煤樣的瓦斯解吸過程[J].煤炭工程師,1992(2)

[2] 陳寶,魏少華,張小明.基于恒溫動態(tài)吸附解吸試驗(yàn)的瓦斯解吸方程探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010(7)

[3] 張慶玲,崔永君,曹利戈.煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)中各因素影響分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2004(2)

[4] 楊其鑾.煤屑瓦斯放散隨時(shí)間變化規(guī)律的初步探討[J].煤礦安全,1986(4)

[5] 牛國慶,顏愛華,劉明舉.瓦斯吸附和解吸過程中溫度變化實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2003(2)

[6] 謝振華,陳紹杰.水分及溫度對煤吸附甲烷的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007(S2)

[7] 趙東,馮增朝,趙陽升.煤層瓦斯解吸影響因素的試驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010(5)

Study on gas desorption law of coal mass at low temperatures

Wang Yibo,Li Hongtao,Qi Liming
(School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Sanhe,Hebei 101601,China)

The gas desorption laws of coal mass were studied at three different temperatures.The results showed that the gas desorption speed gradually slowed down with time.The law of gas desorption at constant temperature after freezing was similar to that at ambient temperature.The difference was less gas desorbed.The gas quantity desorbed at variable temperatures after freezing was linear to square root of desorption time,indicating that the desorption speed at lower temperature was slower than that at ambient and variable temperatures.

gas control,gas desorption at low temperature,critical temperature

TD712.5

A

王軼波(1973-),男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,碩士,華北科技學(xué)院講師,從事礦山安全方面的研究工作。

(責(zé)任編輯 梁子榮)