軟硬煤瓦斯擴(kuò)散特性及差異性研究

李薛強(qiáng)

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 晉圣公司，山西 晉城 048006)

煤體是一種雙重孔隙結(jié)構(gòu)，即具有孔隙-裂隙結(jié)構(gòu)[1]，孔隙-裂隙是煤層瓦斯賦存的場(chǎng)所。煤層瓦斯含量的80%處于吸附態(tài)[2]，加速吸附態(tài)向游離態(tài)的轉(zhuǎn)變對(duì)開采煤層瓦斯至關(guān)重要。然而在同一煤層中軟硬煤共存是一種常見的現(xiàn)象，軟硬煤瓦斯擴(kuò)散的差異性與施工瓦斯抽采鉆孔的數(shù)量、間距緊密相關(guān)。

毋耀凱[3]基于低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)軟硬煤孔隙結(jié)構(gòu)分形特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在高壓段，軟煤的分形維數(shù)大于硬煤的分形維數(shù)，在低壓段，軟煤的分形維數(shù)小于硬煤的分形維數(shù)；馬雄偉[4]對(duì)軟硬煤的吸附模型進(jìn)行了適應(yīng)性研究，結(jié)果表明，Langmuir公式的適用性較好，F(xiàn)reundlich公式的適用性較差；邢萌等[5]通過高壓容量法對(duì)軟硬煤的吸附特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明構(gòu)造作用使微孔的含量增加，比表面積增加，軟煤的吸附量大于硬煤的吸附量；郝凱[6]對(duì)軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，軟煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)大于硬煤。

為了弄清軟硬煤瓦斯擴(kuò)散特性的差異性，本文從實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)軟硬煤擴(kuò)散特性的差異性進(jìn)行研究，其中差異性包括擴(kuò)散量的差異性，擴(kuò)散率的差異性，擴(kuò)散系數(shù)的差異性。研究結(jié)果為軟硬煤的瓦斯防治提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 煤樣的采集及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 煤樣的采集

實(shí)驗(yàn)煤樣取自河南焦作九里山礦及山西某礦，按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤層煤樣采取方法》(GB/T482-2008)在井下工作面分別采集了新鮮煤樣并密封保存后送至實(shí)驗(yàn)室。將煤樣分別制作成粒徑為60～80目及1 ～3 mm的煤樣，其中粒徑為60～80目的煤樣用于工業(yè)分析、吸附常數(shù)及擴(kuò)散特性測(cè)試，粒徑為1～3 mm的煤樣用于孔隙率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)煤樣的視密度、真密度、水分、灰分及揮發(fā)分測(cè)試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)煤樣的吸附常數(shù)按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)煤的高壓容量法進(jìn)行測(cè)試，不同平衡壓力下的吸附量如圖1所示，實(shí)驗(yàn)煤樣的吸附常數(shù)如表2所示。由圖1可知，吸附量隨著平衡壓力的增加而增加，同一平衡壓力下軟煤的吸附量大于硬煤的吸附量，軟煤的吸附常數(shù)a值大于硬煤的吸附常數(shù)a值。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

表2 實(shí)驗(yàn)煤樣的吸附常數(shù)測(cè)試結(jié)果

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用自制的吸附解吸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖2所示)進(jìn)行軟硬煤的擴(kuò)散特性測(cè)試，測(cè)試方法如下：

圖2 吸附解吸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1) 將一定質(zhì)量干燥后的煤樣裝入煤樣罐中，擰緊煤樣罐，進(jìn)行檢驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性；

2) 系統(tǒng)不漏氣后，打開真空泵對(duì)吸附系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，直至系統(tǒng)的真空度達(dá)到30 Pa以下；

3) 打開高壓甲烷瓶的閥門，向參考罐中充入一定量的甲烷氣體，關(guān)閉參考罐的閥門；

4) 打開閥門(6)，采用參考罐向煤樣罐中充入一定量的甲烷氣體，進(jìn)行吸附，吸附一段時(shí)間后，如果煤樣罐的壓力未達(dá)到吸附平衡壓力，則繼續(xù)向煤樣罐中充入甲烷氣體，直至達(dá)到預(yù)定的吸附平衡壓力；

5) 吸附平衡后，打開閥門(7)釋放出管路中的游離氣體，然后進(jìn)行解吸，每間隔一定的時(shí)間，記錄一次，直至解吸完畢。

2 軟硬煤的解吸量測(cè)試結(jié)果及差異性分析

2.1 軟硬煤解吸量的差異性

采用吸附解吸實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)軟硬煤的解吸量進(jìn)行測(cè)試，軟硬煤的解吸量測(cè)試均在吸附平衡壓力1.5 MPa條件下進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，解吸量隨著時(shí)間的增加而增加，軟煤的解吸量大于硬煤的解吸量，說明軟煤的孔隙連通性優(yōu)于硬煤的孔隙連通性。解吸量與時(shí)間滿足孫重旭式，因此可采用孫重旭式進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖3所示，擬合參數(shù)如表3所示，擬合效果較好。

圖3 軟硬煤的解吸量進(jìn)行測(cè)試結(jié)果

表3 擬合參數(shù)

2.2 軟硬煤的擴(kuò)散率的差異性

關(guān)于顆粒煤的瓦斯擴(kuò)散規(guī)律國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究，本文采用經(jīng)典的擴(kuò)散模型進(jìn)行研究，經(jīng)典的擴(kuò)散模型如式(1)所示[7]。

(1)

當(dāng)n=1時(shí)，式(1)可變化為式(2)：

(2)

按照式(1)計(jì)算軟硬煤的擴(kuò)散率，如圖4所示。由圖4可知，軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散率隨著時(shí)間的增加逐漸增加，增加的梯度逐漸減小，軟煤的瓦斯擴(kuò)散率大于硬煤的擴(kuò)散率；說明了軟煤中的擴(kuò)散阻力較小，硬煤中的擴(kuò)散阻力較大，軟煤中的瓦斯得到了充分的釋放。

按照式(2)計(jì)算不同時(shí)間軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)，如圖5所示。由圖5可知，軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)隨著時(shí)間的增加而減小，在擴(kuò)散的前期軟硬煤擴(kuò)散系數(shù)減小幅度最大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，擴(kuò)散系數(shù)減小幅度逐漸減小，軟煤擴(kuò)散系數(shù)的衰減速度大于硬煤瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的衰減速度，軟煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)大于硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)。

圖4 軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散率

圖5 不同時(shí)間軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散率

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟煤的瓦斯極限吸附量大于硬煤的瓦斯極限吸附量；

2) 軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散量隨著時(shí)間的增加而增加，軟煤的瓦斯擴(kuò)散量大于硬煤的瓦斯擴(kuò)散量；

3) 軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散率隨著時(shí)間的增加而增加，但增加的梯度逐漸減小，軟煤的瓦斯擴(kuò)散率大于硬煤的瓦斯擴(kuò)散率；

4) 軟硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)隨著時(shí)間的增加而減小，在擴(kuò)散的前期軟硬煤擴(kuò)散系數(shù)減小幅度最大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，擴(kuò)散系數(shù)減小幅度逐漸減??；軟煤擴(kuò)散系數(shù)的衰減速度大于硬煤瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的衰減速度，軟煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)大于硬煤的瓦斯擴(kuò)散系數(shù)。