西山礦區(qū)煤粒瓦斯解吸影響因素研究

雷建華

(山西焦煤集團有限責任公司 安全生產管理中心，山西 太原 030000)

瓦斯解吸時變規(guī)律的研究能為準確測定瓦斯含量和修正測定結果提供參考，指導礦井治理瓦斯。為此，國內外科研工作者進行了大量試驗研究和理論分析，按照瓦斯解吸量與時間的變化關系，可將瓦斯解吸模型劃分為2種：指數(shù)式和冪函數(shù)式[1-3]，此兩種模型主要用以下3個指標描述瓦斯解析過程：解吸速度、累計瓦斯解吸量及使用條件，同時一部分科研工作者致力于滲透性、擴散性、孔隙度和粒度大小不同的煤樣瓦斯解吸時變規(guī)律的研究，借助試驗手段獲得各不相同的解吸速度方程和累計瓦斯解吸量[4-5]。

雖然現(xiàn)階段瓦斯解吸模型較多，但仍然存在煤樣采集范圍小，依據(jù)模型所得結果與實測結果相差較大，需進行結果修正[6]。此試驗研究在上述基礎上，從有效增加煤粒瓦斯解吸規(guī)律的精準度出發(fā)，得到具有更強普遍適用性的瓦斯解吸規(guī)律。以山西焦煤西山煤電集團有限責任公司杜兒坪礦、西銘礦、官地礦為試驗對象，分別在每個礦獲取新鮮煤樣，達到擴大采集范圍的目的；采用自主設計的煤粒瓦斯解吸試驗平臺，通過控制變量分析在吸附平衡壓力、溫度和粒度不同條件下煤粒的瓦斯解吸時變規(guī)律[7]。

瓦斯含量能否準確測量是關系瓦斯事故預防的重要手段，采用地質條件存在差異的煤樣進行試驗，目的是進一步提高瓦斯解吸模型的有效性、適應性，檢驗3個主控因素—吸附平衡壓力、粒度及溫度對瓦斯解吸的影響[8-9]。

1 解吸試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

瓦斯解吸試驗系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)(充氣、真空脫氣、溫控、解吸控制系統(tǒng))，具體如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)圖

充氣系統(tǒng)主要由高壓瓦斯瓶(甲烷體積分數(shù)為99.99%)、耐高壓閥門及減壓閥等組成；真空脫氣系統(tǒng)主要由真空機組、真空隔膜閥、真空計及真空罐路系統(tǒng)等組成；溫控系統(tǒng)主要由恒溫水浴裝置和控制系統(tǒng)組成，其中恒溫水浴裝置主要包括隔熱棉、不銹鋼板等；解吸控制系統(tǒng)主要由水準瓶、瓦斯氣囊、三通等組成。

在煤樣瓦斯吸附處于平衡狀態(tài)后，開啟閥門對罐體卸壓10 s，隨后對瓦斯解吸量進行一系列測量，并利用罐體體積和平衡狀態(tài)時的壓力來對瓦斯解吸量進行核算，通過數(shù)值軟件將瓦斯解吸量隨時間的變化曲線描繪出來。

1.2 采集煤樣

在杜兒坪礦、西銘礦、官地礦等三個礦井回采工作面采集新鮮暴露煤樣之后，在試驗室進行工業(yè)分析，測定水分、灰分、揮發(fā)分等參數(shù)，測定結果見表1。

表1 工業(yè)分析結果

2 影響瓦斯解吸的主控因素

2.1 吸附平衡壓力

在實驗室統(tǒng)一制作煤樣，保證粒度處于1～3 mm，設置溫度在(40±1)℃，保持溫度不變條件下，控制吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制各煤樣瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力變化曲線，如圖2所示。

從圖2可知，當吸附平衡壓力相同時，不同煤樣的瓦斯解吸量不一樣。杜兒坪礦煤樣當吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa時，解析30 min后瓦斯解吸量由7.49 cm3/g增加到22.18 cm3/g；西銘礦煤樣當吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa時，解析30 min后瓦斯解吸量由9.97 cm3/g增加到24.35 cm3/g；官地礦煤樣當吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa時，解析30 min后瓦斯解吸量由7.18 cm3/g增加到20.06 cm3/g；表明瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力的增大而增大。

圖2 各煤樣瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力的變化曲線圖

2.2 粒 度

煤樣中本身所固有的粒度稱為極限粒度，在煤樣極限粒度范圍內，隨著粒度的增大，瓦斯解吸量和解吸速度逐步降低[10-11]。利用增大的煤樣采集范圍，在試驗條件一致下，研究瓦斯解吸量隨粒度的變化規(guī)律，從而獲得極限粒度的區(qū)間，將指導測定瓦斯含量試驗中選擇煤粒的大小及修正結果。在杜兒坪礦、西銘礦、官地礦等3個礦井下現(xiàn)場采集新鮮暴露煤樣開展試驗，控制煤樣粒度保持在0.5～1 mm、1～3 mm、3～5 mm和5～10 mm，通過控制變量法進行試驗，也就是設置溫度為40 ℃、吸附平衡壓力為1 MPa不變，獲得瓦斯解吸量隨粒度的變化曲線，具體如圖3所示。

圖3 瓦斯解吸量隨著粒度不同而變化圖

通過圖3可知，①同等時間條件下，煤粒粒度和瓦斯解吸量基本呈反比趨勢。但當粒度增大到一定程度時，瓦斯解吸量增加幅度很小，比如3～5 mm粒度與5～10 mm粒度時，瓦斯解吸量幾乎相等，此粒度即極限粒度，當煤樣粒度超過極限粒度時，粒度大小對瓦斯解吸量的影響很??；②在解吸初始階段，不同粒度的煤樣解吸速度存在明顯的差異，粒度越小，速度越大，當粒度增大到一定限度(極限粒度)后，吸收速度幾乎不受煤樣粒度范圍的影響；此外，同一煤樣，隨著時間的推移，煤樣解吸速度在逐漸降低。

在極限粒度范圍內，煤粒越小，煤粒之間的空隙和表面積就越大，使得煤樣內賦存的瓦斯更容易釋放，煤樣的瓦斯解吸量、解吸速度就越大；隨著煤樣粒度逐漸增大，暴露的空隙和表面積較之變小，故解吸量和速度就下降。但當煤樣粒度超過極限粒度后，雖然粒度增大，其暴露表面積會減少，大粒度煤樣自身會產生各種裂隙，這些裂隙又會無形中增大暴露表面積，所以在超過極限粒度后，大粒度的煤樣與小粒度的煤樣解吸量和解吸速度的差別不大。

2.3 溫 度

控制煤樣1～3 mm的粒度、1 MPa的吸附平衡壓力，分析杜兒坪礦、西銘礦兩個礦的煤樣，設置溫度條件分別為20 ℃、30 ℃、40 ℃，根據(jù)試驗結果，繪制出不同溫度條件下瓦斯解吸量變化圖，如圖4所示。

圖4 溫度不同時瓦斯解吸量的變化規(guī)律圖

從圖4可知，在相同的條件下，煤樣的解吸量與溫度呈正比趨勢，即溫度越高，解吸量越大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要有兩點原因：一是對于同一煤樣，隨著溫度的升高，煤樣受熱膨脹，煤粒之間的空隙、表面積也會隨之增大，增加了瓦斯解吸量；二是因為溫度升高，分子熱運動加快，賦存在煤樣表面的甲烷分子動能增大，更容易從煤樣吸附中逃離，從而使得瓦斯解吸量越高。

2.4 分析解吸過程

從圖2～圖4發(fā)現(xiàn)，隨著時間推移，解吸曲線逐漸趨于平緩，曲線斜率代表解吸速度，也在逐漸減??；根據(jù)曲線走勢，可以將曲線(解吸過程)大致分為3個階段：前期、中期、后期。解吸前期時間為0～5 min，解吸速度較快；中期時間為5～25 min，速度逐步降低；后期時間為25 min之后，速度接近于零，即解吸過程結束；利用這一過程研究瓦斯解吸量的時變規(guī)律。

解吸前期：煤樣初步暴露在解吸環(huán)境中，大量附著在煤樣表面、吸附力較小的甲烷分子通過煤樣孔隙快速逃離，瞬間由吸附態(tài)轉變?yōu)橛坞x態(tài)，故這一階段的瓦斯解吸速度相對較快。

解吸中期：處于暴露面積較大且孔隙相對較大區(qū)域附近的甲烷分子基本擺脫吸附后，煤粒內部更深層處的瓦斯逐步釋放，此時，需要克服更大的吸附力，且瓦斯含量相較之前更少，因此解吸速度逐漸緩慢。

解吸后期：煤樣內賦存的瓦斯基本釋放完畢，解吸量處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎不再增加，解吸速度趨于零。

3 結 語

基于自主設計的瓦斯解吸試驗平臺，在山西焦煤西山煤電杜兒坪礦、西銘礦及官地礦等3個礦井采集新鮮煤樣，通過解吸試驗研究變化規(guī)律。

1) 影響瓦斯解吸的3個主控因素—吸附平衡壓力、粒度及溫度中，瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力增大而增大、隨著粒度的增大而減小、隨著溫度升高而增大。

2) 瓦斯解吸量隨時間的延長逐步升高，而瓦斯解吸速度逐步降低。