水分對(duì)顆粒煤的瓦斯擴(kuò)散影響規(guī)律研究

高志鵬

(晉煤集團(tuán) 趙莊煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046600)

煤層瓦斯以吸附態(tài)和游離態(tài)的形式存在于煤層中，煤層瓦斯擴(kuò)散需經(jīng)過微孔、小孔、中孔及大孔，影響煤層瓦斯解吸規(guī)律的主要因素有：壓力、溫度、煤粒直徑、煤的破壞類型、煤體的變質(zhì)程度、孔隙結(jié)構(gòu)及水分等。陳向軍等[1]研究了煤樣粒徑、吸附平衡壓力、煤樣破壞類型對(duì)煤層瓦斯擴(kuò)散的影響規(guī)律，得出煤樣粒徑越小、吸附平衡壓力越大、煤樣破壞越嚴(yán)重，同一時(shí)間段內(nèi)的瓦斯解吸量越大的結(jié)論；ZHOU Dong[2]，YUE Gao- wei等[3]揭示了溫度對(duì)含瓦斯煤擴(kuò)散的影響機(jī)理，溫度的變化影響了甲烷分子的活性，改變了瓦斯在煤粒中的擴(kuò)散能力，不同的溫度條件下，甲烷分子的擴(kuò)散能力不同；孫麗娟[4]、李子文等[5]研究發(fā)現(xiàn)，煤的吸附能力隨著變質(zhì)程度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，煤的微孔和中孔含量對(duì)瓦斯的吸附量影響較大；YIN Guang- zhi[6]等研究認(rèn)為，水分含量對(duì)含瓦斯煤層的透氣性有較大影響。本文擬從水分對(duì)瓦斯擴(kuò)散量、擴(kuò)散率的角度探析水分對(duì)顆粒煤瓦斯擴(kuò)散規(guī)律，以期為煤層瓦斯治理提供理論基礎(chǔ)。

1 不同含水率試驗(yàn)煤樣的制備

試驗(yàn)煤樣取自晉煤集團(tuán)趙莊煤礦，將取回的新鮮煤樣采用粉碎機(jī)粉碎，篩選出粒徑為60～80目及1～3 mm粒徑的煤樣。粒徑為60～80目的煤樣用于吸附常數(shù)測(cè)試及工業(yè)分析，工業(yè)分析按照《煤的工業(yè)分析方法》GB/T212-2008測(cè)得自然煤樣水分Mad為1.78%，灰分Aad為10.55%，揮發(fā)分Vad為8.52%；粒徑為1～3 mm的煤樣用于制備不同含水率的試樣，不同含水率煤樣制備步驟如下：

1) 將制備好粒徑為1～3 mm的煤樣放置在熱空氣干燥箱內(nèi)干燥，設(shè)置干燥箱溫度為105 ℃，得到干燥煤樣，并稱其重量；

2) 采用編織網(wǎng)袋子，取一定質(zhì)量上述干燥后的試驗(yàn)煤樣(m)包裹后放入真空飽和水試驗(yàn)裝置中，使煤樣飽和吸水，并稱其質(zhì)量(m1)，則其含水率為：w=(m1-m)×100%/m；

3) 將飽和吸水后的煤樣，放入熱空氣干燥箱內(nèi)干燥，通過控制干燥時(shí)間，間隔一段時(shí)間對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，獲取不同水分的煤樣；

4) 將制取的一定含水率煤樣放入煤樣罐中，按照檢驗(yàn)氣密性、死體積標(biāo)定、充氣吸附平衡、常壓解吸的試驗(yàn)步驟進(jìn)行水分對(duì)顆粒煤瓦斯擴(kuò)散影響規(guī)律研究。

2 煤的瓦斯吸附常數(shù)測(cè)試

根據(jù)《煤的甲烷吸附量測(cè)定方法(高壓容量法)》(MT/T752-1997)進(jìn)行煤的吸附常數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示，吸附常數(shù)a值為46.423 66，b值為0.610 48。

圖1 煤的瓦斯吸附常數(shù)測(cè)試

3 水分對(duì)顆粒煤瓦斯擴(kuò)散的影響規(guī)律

按照上述試驗(yàn)步驟，分別測(cè)試吸附平衡壓力為0.5 MPa、1.0 MPa，不同含水率下的擴(kuò)散量，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 水分對(duì)顆粒煤瓦斯擴(kuò)散量影響

由圖2可知，同一吸附平衡壓力下，隨著含水率的增加，瓦斯擴(kuò)散量逐漸減小，瓦斯擴(kuò)散速度逐漸減小，隨著含水率的增加，水分對(duì)瓦斯解吸產(chǎn)生了明顯的抑制效應(yīng)。

楊其鑾等[7]通過數(shù)值計(jì)算出了煤的瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的一般表達(dá)式：

(1)

式中：Qt表示擴(kuò)散時(shí)間為t時(shí)累計(jì)的瓦斯解吸量；A=π2D/R2；D為煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；R表示煤屑半徑，m；Q∞表示t趨向于無窮時(shí)瓦斯極限解吸量，Q∞可采用式(2)表示：

(2)

式中：a、b為煤的瓦斯吸附常數(shù)；p為吸附平衡壓力，MPa；p0為大氣壓力；Aad為煤的灰分，%。

根據(jù)式(2)計(jì)算出干燥煤吸附平衡壓力為0.5 MPa，1.0 MPa時(shí)極限解吸量為6.84 mL/g和10.08 mL/g。根據(jù)圖2中水分對(duì)顆粒煤的瓦斯擴(kuò)散量，即可計(jì)算出不同水分條件下瓦斯在不同時(shí)刻的擴(kuò)散率，如圖3所示。

圖3 水分對(duì)顆粒煤瓦斯擴(kuò)散量影響

由圖3可知，同一吸附平衡壓力下，隨著含水率的增加，瓦斯擴(kuò)散率逐漸減小。水分與煤體表面的作用主要是水分與極性吸附位間的氫鍵作用，而甲烷與煤體分子表面主要靠分子間作用力，煤體對(duì)水分子的吸附能力大于對(duì)甲烷分子的吸附能力，煤體含水率越大，造成可用于甲烷的吸附位減少，瓦斯的吸附量減小，在解吸的初期，瓦斯從大孔中擴(kuò)散出，水分子會(huì)在微孔隙內(nèi)產(chǎn)生一定的蒸氣壓，存在一部分氣體狀態(tài)水分子，增大了瓦斯擴(kuò)散的阻力，抑制了瓦斯的擴(kuò)散。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 同一吸附平衡壓力下，隨著含水率的增加，瓦斯擴(kuò)散量逐漸減小，瓦斯擴(kuò)散速度逐漸減小，隨著含水率的增加，水分對(duì)瓦斯解吸產(chǎn)生了明顯的抑制效應(yīng)；

2) 含水率的增加，增大了瓦斯的擴(kuò)散阻力，抑制了瓦斯的擴(kuò)散。