逐級降壓解吸過程中解吸瓦斯膨脹能變化特性

陳向軍，時(shí)豪陽，李新建，馮帥龍

（1.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003；3.煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險(xiǎn)救災(zāi)教育部工程研究中心，河南 焦作 454003）

0 引 言

煤炭是我國的主要能源［1］，在煤炭生產(chǎn)的過程中，會(huì)遭受瓦斯、煤塵、頂板、水災(zāi)以及火災(zāi)等災(zāi)害的影響。 煤與瓦斯突出事故造成人員窒息，突出的煤流埋人，甚至?xí)l(fā)瓦斯爆炸等其他瓦斯事故［2］，且隨著開采深度的增加，煤與瓦斯突出的強(qiáng)度、規(guī)模也大幅度增大，更加影響煤礦的安全生產(chǎn)［3］。 在2020 年全國十大典型案例中，煤與瓦斯突出事故發(fā)生2 起，死亡人數(shù)15 人，且在2021 年6 月連續(xù)2 天發(fā)生煤與瓦斯突出事故，由此可見，我國煤與瓦斯突出事故防范形勢依舊嚴(yán)峻。

煤與瓦斯突出是一個(gè)能量釋放的過程，煤中瓦斯膨脹能與煤巖彈性能共同為突出提供了能量。 對此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，蔣承林等［4-6］提出球殼失穩(wěn)假說，認(rèn)為煤與瓦斯突出的實(shí)質(zhì)是地應(yīng)力破碎煤體，煤體釋放瓦斯，瓦斯使煤體裂隙擴(kuò)張并使形成的煤體失穩(wěn)破壞，瓦斯膨脹能則隨瓦斯壓力，地應(yīng)力的增加而增大。 VALLIAPPAN［7］通過研究發(fā)現(xiàn)，在煤與瓦斯突出過程中不僅煤孔隙的裂隙瓦斯全部參與煤與瓦斯突出過程，并且煤的吸附瓦斯中有部分可解吸瓦斯同樣會(huì)參與煤與瓦斯突出過程。魏風(fēng)清等［8］認(rèn)為瓦斯膨脹能是煤與瓦斯突出的主要能量來源，主要消耗在運(yùn)輸破碎的煤。 姜永東［9］通過研究發(fā)現(xiàn)瓦斯膨脹能與氣體壓力呈線性關(guān)系。張慶賀等［10］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)瓦斯膨脹能比煤巖彈性能高一個(gè)數(shù)量級以上，為突出的主要能量來源。YANG 等［11］通過煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)瓦斯膨脹能占到了突出總能量的85%左右，其中游離瓦斯膨脹能主要消耗在破碎煤體，而解吸瓦斯膨脹能則是消耗在運(yùn)輸破碎的煤。

煤與瓦斯突出發(fā)生后，巷道中瓦斯?jié)舛?、涌出量短時(shí)間內(nèi)不會(huì)降低［12］，說明煤中吸附瓦斯并沒有全部參與到瓦斯突出過程中，只有部分吸附瓦斯初始階段對煤進(jìn)行拋出時(shí)參與了煤與瓦斯突出［13］。 突出后的孔洞呈梨形、舌形等口小腔大的形狀，孔洞附近的瓦斯首先由于降壓開始解吸［14］，隨著煤層內(nèi)瓦斯的擴(kuò)散、滲流，孔洞周圍的壓力開始降低，壓降由孔洞向周圍擴(kuò)散，導(dǎo)致不同位置的煤體處于不同的環(huán)境氣體壓力下［15］，瓦斯解吸在氣體壓力逐漸降低環(huán)境中進(jìn)行。 其中，解吸瓦斯膨脹能能夠反應(yīng)煤層突出危險(xiǎn)性大小。 眾多學(xué)者在計(jì)算瓦斯膨脹能時(shí)采用常壓解吸試驗(yàn)的方法來計(jì)算瓦斯膨脹能，采用降壓解吸實(shí)驗(yàn)的方法來計(jì)算瓦斯膨脹能的文獻(xiàn)尚未見到。 為了得到降壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行逐級降壓解吸試驗(yàn)，研究逐級降壓解吸下解吸瓦斯膨脹能變化特性，對比逐級降壓解吸與常壓解吸瓦斯膨脹能差異性，揭示降壓解吸環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能對煤與瓦斯突出的影響。

1 煤與瓦斯突出階段與瓦斯膨脹能

煤與瓦斯突出過程可劃分為4 個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、激發(fā)階段、發(fā)展階段和終止階段［16］。 其中，準(zhǔn)備階段積蓄能量，為突出做準(zhǔn)備，這一部分能量主要為煤巖彈性能；激發(fā)階段和發(fā)展階段是煤與瓦斯突出的主要階段，在這2 個(gè)階段里，突出的能量主要由煤中瓦斯的瓦斯膨脹能提供，煤層中煤在瓦斯的帶動(dòng)下向工作面拋出［17］。 因此，在煤與瓦斯突出治理方面，研究瓦斯膨脹能對防治瓦斯突出有著重要的作用，而解吸瓦斯作為瓦斯膨脹能的主要能量來源，研究解吸瓦斯膨脹能對揭示煤與瓦斯突出的機(jī)理有一定的意義。

瓦斯膨脹能是煤與瓦斯突出的主要能量來源，為煤與瓦斯突出提供了絕大部分的能量，瓦斯膨脹能是由煤層游離瓦斯與解吸瓦斯膨脹做功產(chǎn)生的能量。 煤與瓦斯突出發(fā)生時(shí)，由于煤孔隙壓力降低，煤基質(zhì)上的吸附瓦斯開始解吸，參與瓦斯突出。 不同學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)煤與瓦斯突出過程不是一個(gè)絕熱過程，而是一個(gè)接近絕熱過程的多變過程［18-20］，并提出了瓦斯膨脹能公式：

式中：W為瓦斯膨脹能，J／g；P0為初始?xì)怏w壓力，MPa；V為參與突出發(fā)動(dòng)的瓦斯體積，cm3；P為最終瓦斯壓力，MPa；m為瓦斯氣體多變指數(shù)，無量綱，取1.31。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

在煤與瓦斯突出的過程中，隨著環(huán)境氣體壓力降低，瓦斯在不同的環(huán)境壓力下進(jìn)行解吸，為煤與瓦斯突出提供能量。 根據(jù)瓦斯突出過程中瓦斯解吸環(huán)境壓力的不同進(jìn)行模擬測試，研究逐級降壓解吸過程中解吸瓦斯膨脹能變化特性。

為了滿足試驗(yàn)需要，開發(fā)了一套試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)煤樣恒溫吸附，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，在恒定的壓力下進(jìn)行甲烷帶壓解吸，自動(dòng)記錄甲烷解吸量數(shù)據(jù)。

2.1 試驗(yàn)裝置

該瓦斯解吸試驗(yàn)平臺包括真空脫氣系統(tǒng)、高壓注氣系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、背壓系統(tǒng)、氣體計(jì)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集裝置，裝置原理如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic of experimental device

2.2 煤樣制備及煤樣基礎(chǔ)參數(shù)

沁水盆地是我國最大的煤層氣開采基地，該區(qū)域煤層為優(yōu)質(zhì)的無煙煤，其中3 號煤層瓦斯含量高達(dá)12.6～21.3 m3／t，煤質(zhì)較硬，屬于典型的高變質(zhì)無煙煤。 試驗(yàn)煤樣采用沁水盆地晉城礦區(qū)3 號煤層煤樣，將采集的煤樣制備成直徑為1～3 mm 的粒煤，置入105 ℃的烘干箱內(nèi)進(jìn)行干燥后裝入密封容器內(nèi)備用。 對采集的煤樣采用高壓容量法進(jìn)行吸附常數(shù)的測定，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)煤樣吸附常數(shù)Table 1 Experimental coal sample adsorption constant

以《煤的工業(yè)分析方法》為標(biāo)準(zhǔn)對煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)煤樣工業(yè)分析Table 2 Proximate analysis results of test coal samples

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)溫度為30 ℃，吸附平衡壓力為0.5、1、1.5、2、2.5 MPa。

1）首先對系統(tǒng)以及干燥好的煤樣進(jìn)行抽真空處理，抽完真空后向參考缸內(nèi)充入瓦斯，記錄初始壓力后打開參考缸與煤樣罐連接的閥門；煤樣開始吸附瓦斯后，實(shí)時(shí)記錄煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力，直到煤樣在設(shè)定的壓力下吸附平衡。

2）常壓解吸試驗(yàn)時(shí)，打開煤樣罐與解吸測量裝置閥門，使游離氣體進(jìn)入氣袋，當(dāng)煤樣罐壓力表降為0 時(shí)，迅速旋轉(zhuǎn)三通并啟動(dòng)計(jì)時(shí)裝置，使解吸的瓦斯進(jìn)入計(jì)量裝置，解吸過程中每30 s 讀取計(jì)量裝置內(nèi)的累計(jì)解吸量，試驗(yàn)直至在背壓系統(tǒng)設(shè)定壓力下1 h內(nèi)的解吸量小于0.06 mL／g 時(shí)結(jié)束，視為煤樣不再解吸。

3）逐級降壓解吸試驗(yàn)時(shí)，打開煤樣罐與解吸測量裝置閥門，使游離氣體進(jìn)入氣袋，當(dāng)煤樣罐壓力表降低0.5 MPa 時(shí)，迅速旋轉(zhuǎn)三通并啟動(dòng)計(jì)時(shí)裝置，使解吸的瓦斯進(jìn)入計(jì)量裝置，解吸過程中每30 s 讀取計(jì)量裝置內(nèi)的累計(jì)解吸量，試驗(yàn)直至在背壓系統(tǒng)設(shè)定壓力下1 h 內(nèi)的解吸量小于0.06 mL／g 時(shí)結(jié)束，視為此階段煤樣解吸完成，然后再次降低0.5 MPa 進(jìn)行解吸試驗(yàn)，直到試驗(yàn)完成。 降壓解吸順序?yàn)?.5 MPa→2 MPa→1.5 MPa→1 MPa→0.5 MPa→0。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同瓦斯壓力下瓦斯內(nèi)能

內(nèi)能是系統(tǒng)的一種固有的屬性，一切系統(tǒng)都具有內(nèi)能，系統(tǒng)具有的內(nèi)能越多，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。 瓦斯突出事故發(fā)生前，瓦斯主要以吸附態(tài)儲存在煤層中，可以根據(jù)氣體內(nèi)能公式計(jì)算出煤中吸附瓦斯具有的能量。 氣體內(nèi)能E計(jì)算公式如下：

式中：i為分子自由度，三原子及多原子分子為6，無量綱；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J／K；T為氣體溫度，K。

根據(jù)氣體內(nèi)能公式，計(jì)算出的煤中吸附瓦斯內(nèi)能見表3，得到的瓦斯內(nèi)能隨瓦斯壓力變化曲線如圖2 所示。

圖2 瓦斯內(nèi)能Fig.2 Gas internal energy

表3 瓦斯內(nèi)能Table 3 Gas internal energy

由表3 和圖2 可知，隨著瓦斯吸附平衡壓力的升高，瓦斯吸附量增大，瓦斯內(nèi)能升高。 吸附平衡壓力越大，瓦斯吸附量越大，瓦斯內(nèi)能也越大，能量越大的體系越不穩(wěn)定，因此煤層瓦斯壓力大的礦井，煤層中吸附瓦斯具有較大的內(nèi)能，體系穩(wěn)定性較差，在外界擾動(dòng)下易于發(fā)生煤與瓦斯突出事故。

3.2 常壓解吸環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能變化規(guī)律

對不同吸附平衡壓力下的煤樣進(jìn)行常壓解吸，得到不同瓦斯壓力下的瓦斯解吸量曲線如圖3所示。

圖3 常壓環(huán)境下瓦斯解吸量Fig.3 Gas desorption volume in atmospheric pressure

由圖3 可以看出，相同的溫度下，隨著瓦斯吸附平衡壓力的升高，瓦斯解吸量逐漸增大，在解吸過程的前期瓦斯大量解吸，隨著時(shí)間的推移，瓦斯解吸量越來越小。 眾多煤與瓦斯突出事故表明，煤與瓦斯突出過程是一個(gè)短暫的過程，突出的主要階段的持續(xù)時(shí)間為前30 s 左右［21］，整個(gè)煤與瓦斯突出過程的持續(xù)時(shí)間為3 ～96 s，因此計(jì)算解吸瓦斯膨脹能時(shí)，使用第1 分鐘的瓦斯解吸量進(jìn)行計(jì)算［22］。 在常壓解吸環(huán)境下，根據(jù)不同瓦斯吸附平衡壓力下的第1分鐘瓦斯解吸量，結(jié)合瓦斯膨脹能計(jì)算公式（1），計(jì)算的常壓解吸下解吸瓦斯膨脹能見表4。 不同瓦斯吸附平衡壓力下瓦斯膨脹能曲線如圖4 所示。

由表4 和圖4 可以看出，高瓦斯吸附平衡壓力下第1 分鐘瓦斯解吸量大于低瓦斯吸附平衡壓力下的解吸量；煤層中瓦斯壓力越高，瓦斯膨脹能越大，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性越高。 隨著瓦斯吸附平衡壓力升高，常壓解吸環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能隨之增大，且相鄰?fù)咚刮狡胶鈮毫ο陆馕咚古蛎浤懿钪惦S著瓦斯吸附平衡壓力的增大而增大，差值最大達(dá)到0.74 J／g，瓦斯吸附平衡壓力越高，解吸瓦斯膨脹能增長幅度越大。

表4 常壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能Table 4 Desorption gas expansion energy in atmospheric pressure environment

圖4 常壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能Fig.4 Desorption gas expansion energy in atmospheric pressure environment

3.3 逐級降壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能變化規(guī)律

對2.5 MPa 吸附平衡壓力下的煤樣，以0.5 MPa為壓差，按照2.5 MPa→2 MPa→1.5 MPa→1 MPa→0.5 MPa→0 的順序進(jìn)行逐級降壓解吸，得到的逐級降壓環(huán)境下瓦斯解吸量曲線如圖5 所示。

圖5 逐級降壓環(huán)境下瓦斯解吸量Fig.5 Gas desorption volume in a step-by-step depressurization environment

根據(jù)逐級降壓環(huán)境下各個(gè)降壓階段第1 分鐘的瓦斯解吸量，結(jié)合瓦斯膨脹能計(jì)算公式，計(jì)算出每個(gè)降壓階段的瓦斯膨脹能見表5，得到逐級降壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能曲線如圖6 所示。

表5 逐級降壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能Table 5 Gas expansion energy in a step-by-step depressurization environment

圖6 逐級降壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能Fig.6 Gas expansion energy in a step-by-step depressurization environment

由表5 和圖6 可以看出，高瓦斯吸附平衡壓力下第1 分鐘瓦斯解吸量大于低瓦斯吸附平衡壓力下瓦斯解吸量；隨著瓦斯壓力的升高，解吸瓦斯膨脹能增大，且隨著瓦斯吸附平衡壓力的升高，相鄰?fù)咚刮狡胶鈮毫ο陆馕咚古蛎浤艿牟钪惦S著瓦斯吸附平衡壓力的升高而增大，差值最大為0.51 J／g。

3.4 不同解吸方式下解吸瓦斯膨脹能差異性

兩種不同解吸方式下，各個(gè)瓦斯吸附平衡壓力的解吸瓦斯膨脹能、瓦斯內(nèi)能如圖7 所示，常壓解吸、降壓解吸各個(gè)階段解吸瓦斯膨脹能差值見表6。

表6 降壓解吸、常壓解吸能量對比Table 6 Energy comparison between decompression desorption and atmospheric pressure desorption

圖7 瓦斯膨脹能、瓦斯內(nèi)能對比Fig.7 Comparison of gas expansion energy and gas internal energy

由表6 和圖7 可知，2 種解吸方式下，瓦斯膨脹能變化的趨勢大致相同，均是隨著瓦斯吸附平衡壓力的增加，瓦斯膨脹能增大，且2 種解吸方式下的瓦斯膨脹能均遠(yuǎn)小于煤中瓦斯具有的內(nèi)能。 在0.5 MPa吸附平衡壓力下，2 種解吸方式解吸瓦斯膨脹能相同，原因是二者試驗(yàn)的瓦斯吸附平衡壓力與解吸壓力相同。 在瓦斯吸附平衡壓力升至1 MPa后，常壓解吸瓦斯膨脹能大于降壓解吸瓦斯膨脹能，且2 種解吸方式下解吸瓦斯膨脹能差值隨著瓦斯吸附平衡壓力的升高而增大，吸附平衡壓力2.5 MPa時(shí)差值達(dá)0.52 J／g，常壓解吸瓦斯膨脹能比降壓解吸瓦斯膨脹能高出28.6%。 降壓環(huán)境下環(huán)境壓力對解吸瓦斯膨脹能起到一定程度的抑制作用，且環(huán)境氣體壓力越高，抑制效果越明顯。

3.5 瓦斯膨脹能變化對突出傾向的影響

煤與瓦斯突出發(fā)動(dòng)是煤巖-瓦斯系統(tǒng)狀態(tài)失衡釋放能量的過程，系統(tǒng)積聚的突出潛能越多，突出危險(xiǎn)性越強(qiáng)。 瓦斯突出的強(qiáng)弱可通過瓦斯能及彈性能等潛在突出能量積累值與煤體破碎所需消耗能量之比Ro來表示［23］，即

式中：Vp為破壞區(qū)煤體體積，m3；ei為突出潛能；ee為單位煤體的彈性潛能，J；eg為瓦斯通過膨脹做功所貢獻(xiàn)的突出能，J；eb為單位體積煤體破碎功，J。

由公式（3）可知，解吸瓦斯膨脹能直接影響煤與瓦斯突出傾向。 在突出發(fā)生過程中，若巷道內(nèi)較為暢通，解吸的氣體能夠及時(shí)排出，在一定程度上會(huì)加劇突出強(qiáng)度，反之，對減弱突出強(qiáng)度具有一定的意義。 降低解吸瓦斯膨脹能是防治煤與瓦斯突出的一種技術(shù)途徑。 為此，在工程實(shí)踐中，常常要求突出危險(xiǎn)工作面在掘進(jìn)時(shí)，前方設(shè)置防突柵欄，突出的煤巖受到防突柵欄阻擋，充填滿巷道，使解吸的瓦斯不能快速排出巷道，增加了巷道內(nèi)氣體壓力，起到降低瓦斯膨脹能的作用，以此達(dá)到降低突出強(qiáng)度的目的。

4 結(jié) 論

1）煤中瓦斯吸附平衡壓力越大，吸附瓦斯量越大，煤中吸附瓦斯內(nèi)能越大，體系穩(wěn)定性越差，在外界擾動(dòng)下易于發(fā)生煤與瓦斯突出事故。

2）吸附平衡壓力相同時(shí)，常壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能高于降壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能，且隨著吸附平衡壓力升高，二者的差值逐漸增大，在2.5 MPa吸附平衡壓力下差值達(dá)到0.52 J／g，常壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能比降壓環(huán)境下解吸瓦斯膨脹能高28.6%。

3）降壓環(huán)境下環(huán)境壓力對解吸瓦斯膨脹能起到一定程度的抑制作用，且環(huán)境氣體壓力越高，抑制效果越明顯。 降低解吸瓦斯膨脹能可作為一種防治煤與瓦斯突出技術(shù)途徑。