煤的解吸規(guī)律研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉健

摘 要：瓦斯是煤層中的主要?dú)怏w，研究分析煤層解吸瓦斯的規(guī)律，能夠有效地避免煤層開采時(shí)煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)。在以往的研究中，不難發(fā)現(xiàn)煤解吸瓦斯與煤的孔隙結(jié)構(gòu)、破壞類型以及水分、灰分和揮發(fā)分有關(guān)，還與振動(dòng)、壓力、溫度等因素有關(guān)。本文主要分析溫度、振動(dòng)以及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯解吸的影響程度，并且提出目前存在的不足，指出了煤炭解吸瓦斯的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景，并將其應(yīng)用于需要解決的實(shí)際工程問題。

關(guān)鍵詞：煤解吸;瓦斯

中圖分類號(hào)：TD712? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2021）24-0062-03

Research Status and Development Trend of Desorption Law of Coal

LIU Jian

（School of Safety Science and Engineering， Anhui University of Technology， Huainan Anhui? 232001）

Abstract： Gas is the main composition in coal seam. The research and analysis of the law of desorption gas in coal seam can effectively avoid the danger of coal and gas outburst in coal seam mining. In past researches， it is not difficult to find that desorption gas of coal is related to pore structure， failure type， water， ash and volatile matter of coal， and also related to vibration， pressure， temperature and other factors. This paper mainly analyzes the influence of temperature and pore structure on gas desorption， and puts forward the existing shortcomings. Meanwhile， it points out the development trend and application prospect of coal desorption gas， which is used to solve the engineering problems in the practical application.

Keywords： coal desorption; gas

1 造解吸規(guī)律研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，煤礦瓦斯抽采技術(shù)日趨成熟，但仍有許多問題亟待解決。為了安全生產(chǎn)，保證人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，深入了解煤對(duì)瓦斯解吸的影響因素以及多因素耦合，對(duì)于煤解吸的影響有著重要的作用。

煤層的瓦斯吸附特性屬于物理特性，當(dāng)任意改變外界條件時(shí)，很容易發(fā)生解吸，且因?yàn)槊旱慕馕c吸附在理論上是一個(gè)平衡過程，因此最終的解吸量應(yīng)與吸附量大體一致。在開采煤層的過程中，壓力降低是實(shí)現(xiàn)解吸的主要途徑，世界各國(guó)煤礦生產(chǎn)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)依舊是煤與瓦斯突出災(zāi)害的防治。

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)，也是煤礦災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家。因此，一些學(xué)者對(duì)煤儲(chǔ)層吸附的理論和模型提出了自己的觀點(diǎn)。趙志根等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蘭式方程表達(dá)的是暴露于空氣中的單分子吸附解吸模型，對(duì)比較復(fù)雜的煤孔隙結(jié)構(gòu)不太適用[1]。部分學(xué)者研究了不同煤樣的吸附解吸特性，發(fā)現(xiàn)與蘭式曲線最相似的是等溫吸附曲線;馬行陟等開展的三個(gè)變量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，優(yōu)化過的樣本在結(jié)果準(zhǔn)確性上優(yōu)于其他樣本[2]。張慶玲等通過校正試驗(yàn)對(duì)吸附解吸曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，不做修正的吸附曲線更符合實(shí)際[3]。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用先進(jìn)儀器對(duì)煤儲(chǔ)層原進(jìn)行模擬，得到始溫度下的吸附解吸特點(diǎn)，最終得出壓力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)煤的高壓等溫吸附產(chǎn)生的溫差范圍是溫度在1 ℃左右造成的。

馬東民進(jìn)行升溫解吸實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的結(jié)果表明，升溫能夠有效地提高煤層氣的解吸速率，有利于煤層氣的開采和抽取[4]。趙鵬濤研究了不同氣體對(duì)煤層氣的吸附和解吸特性，得到結(jié)論，認(rèn)為可以用空氣將煤中的甲烷氣體置換出來(lái)，該方法可以廣泛應(yīng)用于礦井開采[5]。劉冰昌分析了深部?jī)?chǔ)煤層的數(shù)據(jù)特征，認(rèn)為淮南潘集深部煤儲(chǔ)層瓦斯含量與煤層高度無(wú)關(guān)，并對(duì)解吸速率和解吸時(shí)間進(jìn)行了分析[6]。在新集礦區(qū)儲(chǔ)煤層解吸特征分析中，雷崇利以瓦斯含量約為2 m3/T的地方作為煤層瓦斯風(fēng)化帶的分界線[7]。

2 溫度對(duì)煤解吸瓦斯的影響

瓦斯在煤體中的吸附和解吸被認(rèn)為是可逆的物理過程，通常認(rèn)為吸附是放熱過程，而解吸則與之相反，是一個(gè)吸熱反應(yīng)。大量實(shí)驗(yàn)表明，隨著煤體溫度升高，解吸率升高升溫使得解吸速度和解吸量增加，研究瓦斯溫度變化對(duì)解吸過程的影響，能夠有效地對(duì)煤層氣進(jìn)行開發(fā)，并且對(duì)于防治煤與瓦斯突出等煤層災(zāi)害意義重大。

牛國(guó)慶等通過試驗(yàn)測(cè)定了煤吸附和解吸氣體作用過程中溫度的變化情況，吸附時(shí)溫度升高，解吸時(shí)溫度降低，以此可以得出，瓦斯吸附過程是放熱過程，而解吸過程則是吸熱過程[8]。在吸附和解吸過程中，溫度變化幅度與氣體平衡壓力、氣體吸附特性等自身因素有關(guān)。也就是說(shuō)，壓力越高，氣體吸附性能越高，導(dǎo)致吸附與解吸時(shí)溫度變化越大。部分學(xué)者利用高溫紅外測(cè)溫技術(shù)對(duì)煤體解吸過程中的溫度變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到結(jié)論：煤解吸瓦斯過程受瓦斯充氣壓力大小的直接影響，并且也與吸附解吸過程中的溫度變化幅度有關(guān)系。在相同的瓦斯壓力下，瓦斯吸附常數(shù)越大，瓦斯解吸量越大，使得煤溫變化越大。國(guó)內(nèi)學(xué)者采用試驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法對(duì)瓦斯解吸過程和含瓦斯煤體破壞過程中的溫度變化規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為利用監(jiān)測(cè)溫度變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤和瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并且提出采用紅外測(cè)溫系統(tǒng)將其他氣體相關(guān)參數(shù)結(jié)合起來(lái)，形成經(jīng)濟(jì)可靠的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系。