煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散試驗(yàn)方法及規(guī)律研究

許順貴

摘 要：為研究煤粒瓦斯的解吸擴(kuò)散規(guī)律，筆者利用TerraTek ISO-300/310等溫吸附/解吸儀和SH-CBM8全自動(dòng)高精度煤層氣/頁(yè)巖氣含氣量多路測(cè)定儀，成功設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)單易操作的煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法。結(jié)合經(jīng)典擴(kuò)散理論模型進(jìn)行煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)，研究探討了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度和吸附平衡壓力對(duì)于煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：煤粒瓦斯 試驗(yàn) 擴(kuò)散理論

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（b）-0086-04

研究煤粒瓦斯的擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)于研究煤中瓦斯含量和預(yù)防瓦斯突出事故具有重要意義。雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極參與煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散的試驗(yàn)研究，然而目前對(duì)于煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚不完善，測(cè)定煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)方法仍然有待改進(jìn)。筆者利用TerraTek ISO-300/310等溫吸附/解吸儀和SH-CBM8全自動(dòng)高精度煤層氣/頁(yè)巖氣含氣量多路測(cè)定儀，成功設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)便可行的煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法并給出煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0的計(jì)算方法和理論模型。通過(guò)煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)，研究了試驗(yàn)溫度和吸附平衡壓力對(duì)于煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)的影響，進(jìn)而研究溫度和吸附平衡壓力對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散的影響。

對(duì)于煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的研究始于1951年劍橋大學(xué)Richard M. Barrer[1]提出的經(jīng)典擴(kuò)散模型。20世紀(jì)60年代首次將經(jīng)典擴(kuò)散理論應(yīng)用于礦業(yè)領(lǐng)域，用經(jīng)典擴(kuò)散模型法計(jì)算初始短時(shí)間內(nèi)的煤中瓦斯擴(kuò)散系數(shù)。國(guó)內(nèi)關(guān)于煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的研究始于1986年，楊其鑾、王佑安等人[2]最先導(dǎo)出了經(jīng)典擴(kuò)散模型的精確解吸簡(jiǎn)化式。其后，2001年聶百勝、郭勇義等人[3]引入第三類邊界條件，基于長(zhǎng)時(shí)間解吸擴(kuò)散導(dǎo)出經(jīng)典模型的三角函數(shù)表達(dá)式，取其中第一項(xiàng)n=1，近似計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)，然而其結(jié)果與經(jīng)典擴(kuò)散模型試驗(yàn)值仍存在較大偏差。在此之后，Shi JQ，Durucan[4]提出了精度更高的雙孔隙模型；劉彥偉[5]提出了三孔隙模型；李志強(qiáng)、劉勇等[6]提出了動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)新模型理論，指出經(jīng)典擴(kuò)散模型是動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)新模型的極長(zhǎng)和極短時(shí)間內(nèi)的特例，并不能準(zhǔn)確描述擴(kuò)散中期的情況。然而由于以上方法在計(jì)算上過(guò)于復(fù)雜，均難以推廣到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中。

以上前人的研究成果，在不同程度上揭示了煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散過(guò)程及機(jī)理，但仍沒(méi)有簡(jiǎn)單有效的數(shù)學(xué)模型描述煤粒瓦斯擴(kuò)散的整體規(guī)律。長(zhǎng)久以來(lái)煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散過(guò)程的研究一直難以突破，其中很重要的一個(gè)原因就是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一且易于推廣的試驗(yàn)設(shè)備和方法，而前人所作的試驗(yàn)均是各成一派。自制試驗(yàn)設(shè)備對(duì)于普通試驗(yàn)室來(lái)說(shuō)難以實(shí)現(xiàn)，加之沒(méi)有統(tǒng)一的方法和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，致使煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散的研究一直停滯不前。在以前的一些研究中，試驗(yàn)缺少必要步驟，其中試驗(yàn)沒(méi)有將吸附平衡后樣品缸內(nèi)的瓦斯壓力清零的情況時(shí)常出現(xiàn)，致使測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。因此，為探明煤粒瓦斯的解吸擴(kuò)散規(guī)律，急需一套步驟完整且標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的試驗(yàn)方法。

1 煤粒瓦斯擴(kuò)散試驗(yàn)新方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

為打破技術(shù)條件對(duì)于研究煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律的束縛，在此筆者設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)便可行的煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法，該方法具有設(shè)備成型、易于推廣、壓力可控范圍大、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。所用試驗(yàn)設(shè)備主要包括兩部分，TerraTek ISO-300/310等溫吸附/解吸儀和SH-CBM8全自動(dòng)高精度煤層氣/頁(yè)巖氣含氣量多路測(cè)定儀，分別構(gòu)成測(cè)試裝置的脫氣、充氣、吸附平衡單元和瓦斯擴(kuò)散測(cè)量單元。等溫吸附儀作為充氣、脫氣和吸附平衡單元使用，可同時(shí)進(jìn)行4組樣品測(cè)試，測(cè)量最大壓力為40MPa，精確度為0.25%。高精度含氣量解吸儀的使用，可每30s自動(dòng)記錄一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，其測(cè)試精確度為0.01mL，相對(duì)于傳統(tǒng)的排水集氣法所測(cè)得數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，免去了試驗(yàn)中因?yàn)槿藶橐蛩卦斐傻恼`差。兩個(gè)裝置之間通過(guò)導(dǎo)氣管和快速接頭連接，相對(duì)于前人自制的試驗(yàn)設(shè)備，該套裝置具有組裝操作簡(jiǎn)便、設(shè)備穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)操作步驟

（1）樣品制備，按照GB/T 474制取粒度為0.25mm至0.18mm（60目～80目）的煤樣，設(shè)置烘干箱溫度105℃，在烘干箱內(nèi)烘干8h。（2）獲得煤樣工業(yè)分析和煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)。（3）試樣裝缸，稱取烘干后煤樣80g，迅速裝入等溫吸附儀樣品缸內(nèi)。（4）試驗(yàn)溫度，設(shè)置并調(diào)節(jié)油浴溫度，使樣品缸和參考缸的溫度穩(wěn)定在儲(chǔ)層溫度（或設(shè)定試驗(yàn)溫度）。（5）氣密性檢測(cè)，向等溫吸附/解吸儀參考缸和樣品缸充入氦氣，壓力高于試驗(yàn)平衡壓力1MPa，觀察參考缸和樣品缸壓力數(shù)據(jù)，6h內(nèi)保持不變，則視為系統(tǒng)氣密性良好。（6）設(shè)備連接，通過(guò)導(dǎo)氣管連接等溫吸附/解吸儀集氣口和高精度含氣量解吸儀進(jìn)氣口。（7）煤樣脫氣，等溫吸附/解吸儀排氣管處連接真空泵，系統(tǒng)抽真空脫氣6h。（8）清洗氣路，向系統(tǒng)內(nèi)以低于試驗(yàn)平衡壓力充入甲烷，片刻后打開(kāi)排氣閥門(mén)排凈甲烷，如此重復(fù)3次。（9）吸附平衡壓力，打開(kāi)甲烷鋼瓶，吸附平衡壓力設(shè)置為1MPa，向系統(tǒng)內(nèi)充入甲烷氣體。（10）吸附平衡時(shí)間，為使煤樣充分吸附甲烷，給定吸附瓦斯平衡時(shí)間不少于12h。（11）排氣，吸附平衡結(jié)束后，打開(kāi)排氣閥排除樣品缸內(nèi)死體積中氣體壓力，待樣品缸、參考缸內(nèi)壓力為0時(shí)，迅速關(guān)閉排氣閥門(mén)，此過(guò)程時(shí)間極短一般為3～5s。（12）數(shù)據(jù)采集，開(kāi)啟等溫吸附/解吸儀集氣系統(tǒng)閥門(mén)和高精度含氣量解吸儀數(shù)據(jù)采集程序，程序自動(dòng)采集樣品缸內(nèi)煤樣瓦斯累計(jì)擴(kuò)散量，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為0.5min，連續(xù)記錄10min，記下試驗(yàn)室的氣溫、大氣壓力作為校正之用并填寫(xiě)數(shù)據(jù)記錄文件。

1.3 煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)

煤粒瓦斯吸附達(dá)到平衡后，突然將其暴露于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，使得其瓦斯?jié)舛冉档停毫?nèi)部和表面上形成濃度差，吸附狀態(tài)的瓦斯解吸為游離態(tài)，解吸過(guò)程可認(rèn)為是瞬時(shí)完成的，進(jìn)而產(chǎn)生瓦斯由煤粒中心向表面的擴(kuò)散現(xiàn)象。endprint

2 初始有效擴(kuò)散系數(shù)的影響因素

2.1 吸附平衡壓力對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散的影響

在此之前，聶百勝、楊濤等人[9、10]對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)與吸附平衡壓力的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究認(rèn)為，吸附平衡壓力越大，對(duì)應(yīng)的煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)越大。筆者經(jīng)過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為其所得結(jié)論與基本擴(kuò)散理論所得數(shù)據(jù)不符并且筆者經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)與其吸附平衡壓力并無(wú)明顯關(guān)系。分別在1/2/3/4/5MPa壓力下進(jìn)行等溫吸附，再經(jīng)過(guò)瞬時(shí)的排氣放壓排除樣品缸中死體積的氣體壓力，模擬突然暴露在大氣壓下的解吸過(guò)程，壓力歸零后每隔30s測(cè)定各吸附平衡壓力下的煤粒瓦斯擴(kuò)散量。經(jīng)研究認(rèn)為，之所以與前者試驗(yàn)結(jié)果不一致，主要在于試驗(yàn)測(cè)試方法上，前者在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有對(duì)樣品缸中的壓力進(jìn)行清零，導(dǎo)致死體積中的壓力對(duì)解吸擴(kuò)散過(guò)程測(cè)量的數(shù)據(jù)造成影響，造成死體積內(nèi)的壓力被代入計(jì)算結(jié)果。因此勢(shì)必會(huì)造成吸附壓力越大解吸擴(kuò)散量越大的假象，進(jìn)而導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量結(jié)果失真。

為研究平衡壓力對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散的影響，在試驗(yàn)室分別對(duì)所制備的1#、2#兩份煤樣進(jìn)行煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)，在測(cè)試過(guò)程中控制煤樣的粒度均為0.18～0.25mm、溫度環(huán)境均為30℃。令其分別在1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa壓力下進(jìn)行甲烷的吸附平衡，經(jīng)擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果見(jiàn)表1，圖1為煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)隨吸附平衡壓力變化的曲線。

從圖1中可以看出，1#煤樣瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)最大值為6.3645MPa，最小值為3.8337MPa，且變化無(wú)規(guī)律可循。隨著吸附壓力從1MPa增大至5MPa，煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)變化范圍在一倍之內(nèi)，由于煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0變化范圍通常在1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以認(rèn)為吸附平衡壓力對(duì)煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0的測(cè)定值影響不大，理論與實(shí)測(cè)結(jié)果相一致。因此，在測(cè)煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，為便于研究通常選取1MPa作為吸附平衡壓力。

2.2 溫度對(duì)瓦斯擴(kuò)散系數(shù)D的影響

各專家對(duì)溫度和煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系結(jié)論不一[11、12]。本次試驗(yàn)旨在通過(guò)探討溫度和煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而探明溫度對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散的影響。

目前研究中存在兩種試驗(yàn)方式，分別是同壓不同溫度吸附平衡后的恒溫?cái)U(kuò)散試驗(yàn)和同壓同溫吸附后的升溫?cái)U(kuò)散試驗(yàn)，對(duì)于以上兩種方法前人均得出不相同的結(jié)論。筆者在此認(rèn)為由于后者試驗(yàn)的升溫過(guò)程，在正常的測(cè)試環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn)，且處于升溫過(guò)程中也難以斷定具體時(shí)刻的擴(kuò)散量所對(duì)應(yīng)的具體溫度，故而這里認(rèn)為此種分析手段不具有可行性，本次試驗(yàn)不進(jìn)行討論。僅對(duì)同壓不同溫度吸附平衡后的恒溫?cái)U(kuò)散試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行論證。

為研究溫度對(duì)測(cè)試煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)究竟有什么樣的影響，在試驗(yàn)室里分別對(duì)制備的3#煤樣和4#煤樣進(jìn)行煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)，在試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)儀器油浴溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)溫度的改變。對(duì)比分析同一個(gè)樣品在不同溫度環(huán)境下測(cè)得的煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0，分析3#煤樣和4#煤樣在煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定中是否具有相同的試驗(yàn)現(xiàn)象規(guī)律。表2為煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果。圖2為煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化的曲線圖。

從圖2中，可以看出，3#煤和4#煤樣在測(cè)試過(guò)程中，初始有效擴(kuò)散系數(shù)總體上是隨著溫度的增加而增大，也就是說(shuō)初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0和試驗(yàn)溫度T呈現(xiàn)正相關(guān)性。這與聶百勝、李志強(qiáng)等人[6、10]的研究結(jié)果相同，證明本次試驗(yàn)結(jié)論符合事實(shí)。由于溫度升高導(dǎo)致甲烷分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子動(dòng)能增加進(jìn)而導(dǎo)致煤粒瓦斯擴(kuò)散能力增強(qiáng)，表現(xiàn)為初始有效擴(kuò)散系數(shù)增大。

3 結(jié)論

（1）給出了煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的試驗(yàn)方法，煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)的理論模型和計(jì)算方法，分別測(cè)得本次試驗(yàn)樣品的煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)。

（2）經(jīng)過(guò)本次試驗(yàn)論證了吸附平衡壓力與煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)之間沒(méi)有明顯線性關(guān)系，進(jìn)而證明吸附平衡壓力不會(huì)對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散造成明顯影響。否定了聶百勝等人關(guān)于吸附平衡壓力與煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)正相關(guān)的論點(diǎn)指出其試驗(yàn)方法上存在的問(wèn)題。筆者在此問(wèn)題上與楊其鑾等人的觀點(diǎn)保持一致。

（3）指出在溫度對(duì)于煤粒瓦斯擴(kuò)散能力的影響試驗(yàn)中，同壓不同溫吸附平衡下的恒溫解吸擴(kuò)散試驗(yàn)才具有現(xiàn)實(shí)意義，否定了前人關(guān)于溫度與煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)呈負(fù)相關(guān)的論點(diǎn)。證明了隨著試驗(yàn)溫度的增加煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散能力增強(qiáng)。

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