煤粒瓦斯解吸時變規(guī)律實驗研究

姚壯壯

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室， 重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引言

研究瓦斯解吸時變規(guī)律，可為瓦斯含量的準(zhǔn)確測定及結(jié)果修正提供理論依據(jù)，對瓦斯災(zāi)害預(yù)防具有重要意義。美國、澳大利亞、英國等國家及我國的一些科研院所對瓦斯解吸時變規(guī)律開展了大量的實驗及相關(guān)理論研究。根據(jù)解吸量和時間的關(guān)系，瓦斯解吸模型主要分為冪函數(shù)式和指數(shù)式兩大類[1-3]。其中冪函數(shù)式包括巴雷爾式、文特式、烏斯基諾夫式、王佑安式等[4]。這兩大類瓦斯解吸模型通過累計瓦斯解吸量、解吸速度和使用條件來描述瓦斯解吸過程。另外有學(xué)者基于煤的擴(kuò)散性、滲透性、粒度大小及孔隙度等的不同，通過實驗得到不同的累計瓦斯解吸量和解吸速度方程[5-7]。除了指數(shù)式和冪函數(shù)式之外，還有雙曲線式、對數(shù)式及上述模型的變形式[8-11]。

目前國內(nèi)外研究的瓦斯解吸模型眾多，但問題是采樣范圍小，且模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)之間存在誤差，必須進(jìn)行適當(dāng)修正。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對提高煤粒瓦斯解吸規(guī)律準(zhǔn)確性這一著力點，探索更加具有普遍適用性的瓦斯解吸規(guī)律。通過在神華烏海能源公司五虎山礦、平溝礦、老石旦礦采樣，擴(kuò)大了煤樣采集范圍；基于搭建的煤粒瓦斯解吸實驗平臺，采用控制變量法，研究煤粒在不同吸附平衡壓力、不同溫度、不同粒度下的瓦斯解吸時變規(guī)律。瓦斯含量的準(zhǔn)確測定是預(yù)防瓦斯安全事故的關(guān)鍵，通過不同地質(zhì)條件下的煤樣進(jìn)行解吸實驗研究，提高了瓦斯解吸模型的適用性，進(jìn)一步驗證了溫度、粒度等主控因素對瓦斯解吸規(guī)律的影響。

1 瓦斯解吸實驗

1.1 實驗平臺

瓦斯解吸實驗平臺包括真空脫氣系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、解吸控制系統(tǒng)，如圖1所示。真空脫氣系統(tǒng)由真空罐路系統(tǒng)、真空計、真空隔膜閥、真空機(jī)組等組成。溫控系統(tǒng)由恒溫水浴和相關(guān)控制系統(tǒng)組成，恒溫水浴由隔熱棉、不銹鋼板等材料加工而成。充氣系統(tǒng)由高壓瓦斯瓶(甲烷體積分?jǐn)?shù)為99.99%)、減壓閥、耐高壓閥門等組成。解吸控制系統(tǒng)包括瓦斯氣囊、水準(zhǔn)瓶、三通等。

圖1 瓦斯解吸實驗平臺

Fig.1 Gas desorption experiment platform

待瓦斯吸附平衡后，打開罐體閥門進(jìn)行卸壓，卸壓時間為10 s，測定不同時間的解吸量。根據(jù)罐體內(nèi)的“死空間”與吸附平衡壓力計算解吸量，并繪制整個解吸過程中的瓦斯解吸量變化曲線。

1.2 煤樣采集

對五虎山礦、平溝礦、老石旦礦的煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，測定孔隙率、真密度、視密度等基本參數(shù)，結(jié)果見表1。

2 瓦斯解吸時變規(guī)律

2.1 吸附平衡壓力對瓦斯解吸規(guī)律的影響

將各煤樣粒度統(tǒng)一為1～3 mm，設(shè)溫度為(40±1)℃(等溫)，吸附平衡壓力分別為0.5，1.0，1.5 MPa，通過實驗得出不同吸附平衡壓力下各煤樣瓦斯解吸量變化曲線，如圖2所示。

表1 實驗煤樣工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of experimental coal samples

由圖2可知，在相同吸附平衡壓力下不同煤礦所取煤樣解吸量不同。以五虎山礦煤樣為例，在吸附平衡壓力分別為0.5，1.0，1.5 MPa下，30 min時瓦斯解吸量分別為7.52，14.85，22.14 cm3/g?？梢?，吸附平衡壓力越大，瓦斯解吸量越大。

(a) 五虎山礦煤樣

(b) 平溝礦煤樣

(c) 老石旦礦煤樣

2.2 粒度對瓦斯解吸規(guī)律的影響

極限粒度是煤中所固有的粒度，在極限粒度內(nèi)瓦斯解吸量、解吸速度隨著粒度的增加而逐漸減小[12-15]。通過擴(kuò)大采樣范圍，研究在相同實驗條件下粒度對瓦斯解吸規(guī)律的影響，得到極限粒度的數(shù)值范圍，對瓦斯含量測定實驗中煤粒大小的選擇及結(jié)果修正具有重要意義。采用五虎山礦、平溝礦、老石旦礦的煤樣進(jìn)行實驗，設(shè)粒度分別為0.5～1，1～3，3～5，5～10 mm，利用控制變量法，即保持溫度相同(40 ℃)、吸附平衡壓力相同(1 MPa)，得出瓦斯解吸量變化曲線，如圖3所示。

(a) 五虎山礦煤樣

(b) 平溝礦礦煤樣

(c) 老石旦礦煤樣

分析圖3可得出以下結(jié)論：

(1) 煤粒粒度越大，瓦斯解吸量越小，但是當(dāng)粒度達(dá)到5 mm左右時，如粒度為3～5 mm與粒度為5～10 mm時的瓦斯解吸量差別并不大，甚至趨于相等。即存在一個閾值粒度，當(dāng)煤樣粒度超過閾值粒度后，粒度對瓦斯解吸量的影響很小。

(2) 解吸初期，在一定范圍內(nèi)，粒度越大，解吸速度越小，但是當(dāng)粒度增大到極限粒度后，粒度對解吸速度的影響很小。

煤粒粒度小于極限粒度時，瓦斯解吸量和解吸速度隨著粒度的減小而增大，這是因為粒度越小，煤?？紫侗砻娣e和暴露的總面積越大，使得參與解吸的甲烷分子越多，解吸速度越大，相同時間內(nèi)的瓦斯解吸量越大。極限粒度是煤體自身的結(jié)構(gòu)特征，煤粒粒度大于極限粒度之后，較大的煤粒就會被原生裂隙和次生裂隙分割成若干極限粒度大小的小煤粒，這些小煤粒的瓦斯擴(kuò)散阻力是一定的，遠(yuǎn)小于裂隙和大孔的阻力。因此，隨著煤粒粒度增大，瓦斯解吸速度和解吸量不會一直減小。

2.3 溫度對瓦斯解吸規(guī)律的影響

以五虎山礦、平溝礦煤樣(粒度為1～3 mm，吸附平衡壓力為1 MPa)為例，設(shè)溫度分別為20,30,40 ℃進(jìn)行實驗。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制瓦斯解吸量變化曲線，如圖4所示。

(a) 五虎山礦煤樣

(b) 平溝礦煤樣

由圖4可看出，在相同吸附平衡壓力、相同粒度、不同溫度條件下，瓦斯解吸量隨時間單調(diào)遞增，溫度越高，解吸量越大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的內(nèi)在原因：由于煤粒暴露面瓦斯解吸、膨脹、擴(kuò)散，內(nèi)能得到釋放，溫度越高，瓦斯內(nèi)能越大，甲烷分子動能也越大，運動越劇烈，從而越容易擺脫煤粒表面及孔隙表面吸附。溫度升高會使孔隙擴(kuò)張，表面積增大，從而提高瓦斯解吸能力。

2.4 瓦斯解吸過程分析

分析圖2—圖4可知，隨著時間的變化，解吸曲線斜率逐漸變小，說明瓦斯解吸速度逐漸減小。將瓦斯解吸過程分為3個階段，即解吸初期、解吸中期、解吸后期。0～5 min為解吸初期，瓦斯解吸速度較快；5～25 min為解吸中期，瓦斯解吸速度逐漸放緩；25 min后為解吸后期，瓦斯解吸速度趨于零，即解吸完畢。

針對瓦斯解吸過程的3個階段，分析解吸量時變特性和解吸速度變化原因。解吸初期：在煤樣暴露初期，煤粒間存在大量孔隙，孔隙之間形成通道，吸附在煤粒表面的瓦斯首先擺脫煤粒，瞬間解吸釋放，遇到的阻力較小，所以初期解吸速度較快。解吸中期：當(dāng)大孔隙附近暴露面積較大的煤粒瓦斯趨于殆盡時，解吸速度隨之變小，小孔隙內(nèi)的瓦斯需要克服更大阻力才能進(jìn)入大孔隙匯入通道，使得解吸中期解吸速度逐漸減小，解吸量增加緩慢。解吸后期：煤樣內(nèi)瓦斯解吸趨于完畢，解吸速度趨于零，解吸量基本維持在定值。

3 結(jié)論

搭建了瓦斯解吸實驗平臺，采集五虎山礦、平溝礦、老石旦礦的煤樣進(jìn)行解吸實驗，分析瓦斯解吸時變規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 分析了吸附平衡壓力、煤樣粒度、溫度對瓦斯解吸時變規(guī)律的影響：吸附平衡壓力越大，瓦斯解吸量越大；粒度越大，解吸量和解吸速度越小，到達(dá)閾值粒度后，粒度對解吸量和解吸速度的影響較?。粶囟仍礁?，解吸量越大。

(2) 得出解吸量隨時間變化規(guī)律：隨著時間的增加，解吸量逐漸增加，瓦斯解吸速度逐漸減小。根據(jù)解吸速度變化將解吸過程分為解吸初期、解吸中期、解吸后期3個階段，分析了各階段解吸量時變特性和解吸速度變化原因。