郝 凱
(晉煤集團(tuán) 坪上煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048006)
擴(kuò)散是自然界中一種較為常見的現(xiàn)象,常常在多孔介質(zhì)中發(fā)生。擴(kuò)散系數(shù)是研究擴(kuò)散過程的一個重要的參量,同一物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)與溫度、壓力及濃度等有關(guān)[1]。煤體是一種多孔介質(zhì),具有雙重孔隙結(jié)構(gòu),微孔小孔發(fā)育,具有較大的比表面積[2-3],煤體中瓦斯的流動也屬于擴(kuò)散,其擴(kuò)散動力是濃度梯度。
李青松等[4]采用經(jīng)典擴(kuò)散模型對不同粒徑煤瓦斯擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究,結(jié)果表明擴(kuò)散率隨著粒徑的增大而減?。粶刂据x等[5]對煤屑的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)煤屑瓦斯擴(kuò)散系數(shù)與時間滿足冪函數(shù)的關(guān)系;岳高偉等[6]分析了煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)時變特性,結(jié)果表明低溫環(huán)境中煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)小于高溫環(huán)境中;梁可[7]采用自研的吸附/解吸實驗裝置對不同粒徑煤的煤樣擴(kuò)散特征進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)粒徑與擴(kuò)散率緊密相關(guān)。同一個礦井常常賦存著軟硬煤,其擴(kuò)散規(guī)律不盡相同,因此研究軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)對軟硬煤的瓦斯治理具有重要意義。
本文采用自行研制的瓦斯吸附解吸實驗裝置對不同吸附平衡壓力(0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa)條件下的軟硬煤瓦斯擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究,以期為軟硬煤的瓦斯治理提供科學(xué)依據(jù)。
試驗煤樣取自山西沁水盆地南部的坪上煤礦,煤質(zhì)為無煙煤,在井下分別采集軟硬煤,密封保存后送至實驗室,編號為:P-Y(坪上硬煤),P-R(坪上軟煤)。首先將實驗煤樣粉碎,篩選出粒徑為1~3 mm及0.18~0.25 mm的煤樣,其中1~3 mm煤樣用于測試煤樣的瓦斯擴(kuò)散規(guī)律,0.18~0.25 mm煤樣用于測試煤樣灰分(Aad),揮發(fā)分(Vad),水分(Mad),視密度(ARD),真密度(TRD)及堅固性系數(shù)(f)。將篩選出的煤樣放入干燥箱中,在105 ℃條件下進(jìn)行干燥,直至煤樣的質(zhì)量不變,視為干燥完畢,然后冷卻備用。試驗煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)基于國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T212-2008,GB/T23561.12-2010,GB/T217-2008)進(jìn)行測試,測試結(jié)果見表1。
表1 試驗煤樣基礎(chǔ)參數(shù)
試驗煤樣的瓦斯擴(kuò)散測試采用如圖1所示的試驗裝置,裝置由甲烷罐,參考罐,真空泵,真空計,煤樣罐,解吸儀,精密壓力傳感器,閥門等組成。
1) 采用高壓甲烷充入煤樣罐的方法檢驗裝置氣密性,確保系統(tǒng)不漏氣;
2) 將恒溫水浴設(shè)置為30 ℃,確保煤樣罐全部在恒溫水浴中;
3) 將干燥好的煤樣裝入煤樣罐,然后對系統(tǒng)進(jìn)行抽真空,當(dāng)真空度達(dá)到30 Pa以下時,視為抽真空結(jié)束;
圖1 實驗裝置
4) 抽真空結(jié)束以后,將甲烷充入煤樣罐中,并不斷補(bǔ)氣,使煤樣罐內(nèi)的壓力達(dá)到吸附平衡壓力;
5) 煤樣吸附平衡后,放出煤樣罐內(nèi)的游離氣體,當(dāng)煤樣罐內(nèi)的壓力將為0時開始解吸,并采用解吸儀記錄每時刻的瓦斯解吸量;
6) 試驗煤樣的瓦斯解吸量按式(1)進(jìn)行計算:
(1)
式中:Qt為單位質(zhì)量的瓦斯解吸量,mL/g;V為量筒內(nèi)氣體體積讀數(shù),cm3;P0為室內(nèi)大氣壓,kPa;0.02t為動槽式壓力計隨溫度變化壓力校正值,kPa;t為瓦斯解吸時間,s;m為煤樣質(zhì)量,g;Wp為飽和食鹽水蒸汽壓,kPa。
對于顆粒煤的瓦斯擴(kuò)散規(guī)律,有以下假設(shè):①煤屑是由很多球形顆粒組成;②煤屑各向同性;③瓦斯解吸過程中遵循連續(xù)性及質(zhì)量守恒定律。顆粒煤瓦斯解吸遵循菲克擴(kuò)散第二定律,如式(2)所示:
(2)
式中:r為極坐標(biāo)半徑,m;c為瓦斯?jié)舛?,g/cm3;D為擴(kuò)散系數(shù),m2/s;t為解吸時間,s。
顆粒煤的瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的表達(dá)式為[8]:
(3)
式中:Q∞為極限解吸量,mL/g;r0為顆粒煤半徑,mm。
(4)
對式(3)中n取1,對式(3)兩邊同時求對數(shù),得到式(5):
(5)
(6)
通過試驗煤樣的瓦斯解吸實驗,建立Qt/Q∞的關(guān)系,通過采用Origin軟件進(jìn)行擬合即可得到軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)。
按照上述試驗步驟對軟硬煤不同吸附平衡壓力(0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa)條件下的瓦斯擴(kuò)散量測試,測試結(jié)果如圖2所示。
圖2 試驗煤樣的瓦斯擴(kuò)散規(guī)律
由圖2可知,無論對于軟煤還是硬煤,煤的瓦斯擴(kuò)散量隨著時間的增加而增大。對于同一煤樣,吸附平衡壓力越大,煤的瓦斯擴(kuò)散量越大,試驗煤樣的瓦斯擴(kuò)散量與時間滿足冪函數(shù)的關(guān)系(式7),擬合度較高,其擬合參數(shù)如表2所示。
Qt=a1tb1
(7)
根據(jù)式(4)計算出煤的瓦斯極限解吸量,再根據(jù)煤的瓦斯解吸量即可得出軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散率(Qt/Q∞)與時間(t)的關(guān)系曲線,如圖3所示,求解煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù),如圖4所示。
表2 擬合參數(shù)
圖3 試驗煤樣的瓦斯擴(kuò)散率
圖4 軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)對比
由圖3可知,無論對于軟煤還是硬煤,煤的瓦斯擴(kuò)散率隨著時間的增加而增大。對于同一煤樣,吸附平衡壓力越大,煤的瓦斯擴(kuò)散率越?。辉谕晃狡胶鈮毫ο?,軟煤的瓦斯擴(kuò)散率大于硬煤。由圖4可知,無論對于軟煤還是硬煤,隨著吸附平衡壓力的增大,煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小;軟煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)大于硬煤,且煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)與吸附平衡壓力滿足冪指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。
1) 對于同一煤樣,吸附平衡壓力越大,煤的瓦斯擴(kuò)散量越大,煤的瓦斯擴(kuò)散量與時間滿足冪函數(shù)的關(guān)系。
2) 對于同一煤樣,煤的瓦斯擴(kuò)散率隨吸附平衡壓力的增大而減?。辉谕晃狡胶鈮毫ο?,軟煤的瓦斯擴(kuò)散率大于硬煤。
3) 軟煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)大于硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù),煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)與吸附平衡壓力滿足冪指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。