煤礦瓦斯固化防突及低濃度瓦斯固化分離新技術(shù)分析

（河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司 河南 452384）

瓦斯是一種以甲烷為主的氣體，是煤礦安全開(kāi)采的一項(xiàng)重大安全隱患，煤礦開(kāi)采期間，多數(shù)瓦斯事故都是因?yàn)槁涿夯蚪颐憾鴮?dǎo)致大量瓦斯涌出造成的。由此可見(jiàn)，在煤礦開(kāi)采期間，延緩落煤或揭煤時(shí)瓦斯發(fā)生集中涌出現(xiàn)象預(yù)防該類(lèi)事故發(fā)生的一項(xiàng)有效途徑。

1.煤礦瓦斯水合化裝置

煤礦瓦斯水合化裝置主要有水和反應(yīng)釜、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒溫控制箱等共同構(gòu)成。水和反應(yīng)釜是整個(gè)裝置中的核心構(gòu)成部件，該裝置的常見(jiàn)型號(hào)有兩種，具體情況如表1所示。

表1 常用的水和反應(yīng)釜

煤礦瓦斯水合化裝置中采用恒溫箱，在具體應(yīng)用期間，能夠?qū)囟瓤刂圃?10～60℃，對(duì)于溫度的波動(dòng)來(lái)說(shuō)，不會(huì)超過(guò)±1.8℃。對(duì)于采用的反應(yīng)釜來(lái)說(shuō)，其溫度通過(guò)深入到內(nèi)部的溫度傳感器進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定溫度范圍在-10～60℃，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，為了確保測(cè)量結(jié)果能夠?yàn)楹罄m(xù)各項(xiàng)工作開(kāi)展提供支持，要將溫度測(cè)量誤差控制在±0.01℃以?xún)?nèi)[1]。對(duì)于采用的氣象色譜儀性能必須良好，通過(guò)對(duì)氣象色譜儀的應(yīng)用能夠精準(zhǔn)對(duì)瓦斯氣樣及水合物分解氣體組成和摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，平行分析獲取到混合氣體摩爾系數(shù)絕對(duì)誤差要控制在0.01%以?xún)?nèi)，同時(shí)，裝置在具體應(yīng)用過(guò)程中，能夠完成實(shí)驗(yàn)開(kāi)展期間，各種圖像、壓力、溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)內(nèi)容的精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)記錄[2]。

2.實(shí)驗(yàn)分析探討

氣樣A主要由C2H6、CH4、C3H8、CO2構(gòu)成，氣體的體積分?jǐn)?shù)分別為4.19%、85.77%、3.84%、6.12%。

氣樣B主要由N2、O2、CH4構(gòu)成，體積分?jǐn)?shù)分別為59.11%、14.89%、26.00%。

氣樣C主要由N2、O2、CH4構(gòu)成，氣體的體積分?jǐn)?shù)分別為50.09%、10.11%、39.81%。

氣樣D主要由N2、O2、CH4構(gòu)成，氣體的體積分?jǐn)?shù)分別為35.08%、5.12%、58.89%。

(1)實(shí)驗(yàn)氣樣

(2)實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果探討

①瓦斯水合物的生成

實(shí)驗(yàn)1中制冷時(shí)長(zhǎng)達(dá)到403min后，在釜內(nèi)形成了宏觀可視化水合物晶體，在水合物生成期間要對(duì)水合物生產(chǎn)期間的壓力、溫度進(jìn)行觀察，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在生成水合物期間，隨著氣體消耗量的增大，高壓釜內(nèi)壓力會(huì)不斷降低，造成該現(xiàn)象的原因是生成水合物的速度快，而在該期間釋放熱量的速度較慢，這將會(huì)使高壓釜內(nèi)溫度不斷升高。水合物生成主要從煤體表面開(kāi)始，并且生成的水合物會(huì)不斷朝下方延伸，并非在飽和溶液中均勻生成[3]。

實(shí)驗(yàn)2制冷在809min中時(shí)出現(xiàn)宏觀可視化水合物晶體，因此，高壓釜內(nèi)部瓦斯氣體會(huì)參與到化學(xué)反應(yīng)中，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)，最終會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔?，瓦斯氣體體積量將會(huì)不斷減小，在整個(gè)生成期間，水合物會(huì)以煤體和水交界面為兩者的分界線，水合物將會(huì)不斷朝著向下和向上兩個(gè)方向發(fā)展[4]。在實(shí)驗(yàn)2中，瓦斯水合物生成速度快，整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)能夠在175min內(nèi)完成，這一特性的存在，采用瓦斯水能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)瓦斯各種事故的合理防治，進(jìn)而減少各種事故的發(fā)生，為煤礦開(kāi)采作業(yè)進(jìn)行提供支持。

實(shí)驗(yàn)3的開(kāi)展是以前一次水合物作為基礎(chǔ)進(jìn)行，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是完成前一次水合物生成結(jié)束后，通過(guò)降壓法分解水合物，完成分解后，要排出分解后的氣液，然后吸液，進(jìn)行加壓，開(kāi)展相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。加壓后期就開(kāi)始生成水合物，該期間誘導(dǎo)時(shí)長(zhǎng)僅為46.5min。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，瓦斯水合物能夠在含有煤表面活性劑溶解中快速生成，因此，采用瓦斯水合作用對(duì)煤開(kāi)采時(shí)的瓦斯事故預(yù)防，從理論上來(lái)說(shuō)是可行的[5]。在實(shí)驗(yàn)3中，水合物生成的誘導(dǎo)時(shí)間相對(duì)較短，僅為46.5min，但是，從具體情況來(lái)看，受溫度、環(huán)境等各項(xiàng)因素影響，會(huì)殘留部分結(jié)構(gòu)，在該情況下，若溫度再次降低，則會(huì)再次生成水合物。隨著人們對(duì)分子力學(xué)研究的逐漸深入，人們發(fā)現(xiàn)水的五體面等各種殘余結(jié)構(gòu)能夠在315K溫度下保持穩(wěn)定，因此，會(huì)使水合物成核平均誘導(dǎo)時(shí)間隨著水源的變化而發(fā)生改變，這一效應(yīng)被稱(chēng)作“記憶效應(yīng)”[6]。通過(guò)對(duì)“記憶效應(yīng)”的合理應(yīng)用，能夠促進(jìn)瓦斯水合物生成，能夠?qū)⒆匀粻顟B(tài)下的冰融化為冰水狀態(tài)，將其作為煤層高壓注水的水源，這可以大幅度降低礦井煤層中瓦斯水合物生成周?chē)鷾囟?，同時(shí)，高壓水中會(huì)存在大量冰粒，這些冰粒能夠起到添加晶種作用，這可以大幅度縮短水合物生成時(shí)的誘導(dǎo)時(shí)間，而且也可以加快瓦斯水合進(jìn)程，這對(duì)后續(xù)煤礦開(kāi)采作業(yè)的進(jìn)行提供支持，減少事故發(fā)生，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。

②分離不同瓦斯水合物效果

實(shí)驗(yàn)4采用瓦斯氣樣B，采用的THF的溶液濃度為1mol/L，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的初始?jí)毫Υ笮?.8MPa，實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到7.8min時(shí)，在溶液中產(chǎn)生一定量的白色晶粒，而當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到了11.8min時(shí)，在溶液中會(huì)產(chǎn)生大量水合物顆粒，此時(shí)，水合物將會(huì)沿著界面處不斷朝著視窗處生長(zhǎng)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到33.0min后，生長(zhǎng)的水合物基本覆蓋了觀察視窗口，而當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到了81.5min后，水合物會(huì)將觀察視窗口全部覆蓋[7]。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)水合物生成完成后，要通過(guò)人工方式將反應(yīng)釜內(nèi)剩余氣體全部都排出，同時(shí)，要讓真空度保持在0.1MPa，通過(guò)升高溫度方式，分解水合物。

實(shí)驗(yàn)5采用的瓦斯氣樣C，SDS溶液濃度為0.4mol/L，實(shí)驗(yàn)起初壓力位7.8MPa，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到106.5min時(shí)自反應(yīng)釜中溶液終會(huì)產(chǎn)生幾片白色羽毛狀水合物晶體，產(chǎn)生的晶體會(huì)在溶液中快速生長(zhǎng)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到118.0min時(shí)，溶液會(huì)被白色羽毛狀水合物充滿(mǎn)，而當(dāng)時(shí)間來(lái)到133.5min時(shí)，溶液則會(huì)成為白色水合物柱。

實(shí)驗(yàn)6采用的瓦斯氣樣D，SDS溶液濃度為0.2mol/L，實(shí)驗(yàn)開(kāi)展初期階段的壓力大小為8.8MPa。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展期間，緩慢制冷，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間來(lái)到95.8min時(shí)，在溶液中會(huì)出現(xiàn)大量細(xì)小球狀晶體顆粒，時(shí)間達(dá)到118.0min后，溶液中形成大量棉絮狀晶體，而當(dāng)時(shí)間達(dá)到142.5min時(shí)，溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榱税咨绍浌腆w，同時(shí)，在氣—水合物界面形成水合物膜。生成水合物膜，取水合物分解氣體，采取氣相色譜法對(duì)水解氣體進(jìn)行分析，在該過(guò)程中，可以利用外標(biāo)法對(duì)水合物分解氣體中CH4體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

實(shí)驗(yàn)4：瓦斯氣樣中CH4體積分?jǐn)?shù)為25.58%，水合物分離后CH4的體積分?jǐn)?shù)為40.58%，體積分?jǐn)?shù)的提高值為15.00%。

實(shí)驗(yàn)5：瓦斯氣樣中CH4體積分?jǐn)?shù)為39.28%，水合物分離后CH4的體積分?jǐn)?shù)為60.39%，體積分?jǐn)?shù)的提高值為21.11%。

實(shí)驗(yàn)6：瓦斯氣樣中CH4體積分?jǐn)?shù)為59.68%，水合物分離后CH4的體積分?jǐn)?shù)為81.78%，體積分?jǐn)?shù)的提高值為22.10%。

由此可見(jiàn)，采用水合原理對(duì)礦井瓦斯進(jìn)行分離提純是可行的。

3.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用水合機(jī)理對(duì)瓦斯事故進(jìn)行預(yù)防是可行的，同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)低濃度瓦斯水合化分離性方法的研究，完成對(duì)低濃度瓦斯的分離，從而為后續(xù)煤礦開(kāi)采作業(yè)順利進(jìn)行提供支持，減小安全事故的發(fā)生。