電場實時加載下煤層氣解吸-擴散特性實驗研究

周 勇 ，雷東記

（1.國家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

煤炭是我國重要的能源，占我國一次能源構(gòu)成56% 左右，是國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。雖然我國煤礦總儲量大，但分布廣泛，其中大多數(shù)煤田為低透氣性煤層，煤層滲透率低，開采難度大。為了消除礦井煤與瓦斯的突出危險性，提高煤層的透氣性，目前國內(nèi)外主要通過水力壓裂、水力割縫、注氣、預(yù)裂爆破、水平井技術(shù)、物理場激勵等[2-7]增滲技術(shù)來提高煤層氣的抽采率。姜永東等[8]、宋曉[9]針對聲波作用對煤體瓦斯吸附解吸特性、滲透性、解吸-擴散特性等進(jìn)行研究，結(jié)果表明：聲場作用下煤體吸附能力下降，且隨著施加聲場的增大呈線性下降的規(guī)律，聲場作用與未加聲場作用煤體瓦斯解吸規(guī)律相似，均為初始解吸速度較大，隨著時間的增長，瓦斯解吸速度逐漸減小，但聲場下總解吸量仍大于未加聲場的量；雷東記等[10]通過研究外加靜電場激勵煤體瓦斯快速解吸，得出煤樣的變質(zhì)程度與施加場強的大小對瓦斯解吸特性存在關(guān)聯(lián)，歸因于電場作用下煤體內(nèi)瓦斯分子發(fā)生極化效應(yīng)進(jìn)而會影響煤樣瓦斯解吸-擴散特性；趙勇[11]利用自制低頻激振瓦斯吸附解吸實驗系統(tǒng)，探究了不同頻率下煤體吸附性能變化規(guī)律，結(jié)果表明，受振頻率為10 Hz 時，會促進(jìn)瓦斯的吸附，20、30 Hz 下抑制吸附，煤瓦斯吸附飽和與未飽和狀態(tài)下的吸附性能響應(yīng)特征并不相同；何學(xué)秋[12]實驗研究了交變電磁場對煤體吸附性能的影響特征，結(jié)果表明，交變電磁場不但能夠減弱煤體的吸附性能，而且使得煤體內(nèi)瓦斯分子的動態(tài)特性變得活躍，提高了瓦斯擴散，增加了煤體滲透性；于永江等[13]研究得出：超聲波引誘熱效應(yīng)，會導(dǎo)致煤-煤層氣系統(tǒng)溫度升高，引起煤分子和煤層氣分子的熱運動加劇，動能增大，促進(jìn)煤層氣分子脫附，提高煤層氣解吸率；胡國忠等[14]實驗研究了可控源微波強化下煤體解吸擴散特征，分析了微波場下煤體的損傷效應(yīng)與電磁輻射熱效應(yīng)，結(jié)果表明：一方面可控源微波場能夠?qū)㈦姶拍苻D(zhuǎn)化為煤體內(nèi)能，促進(jìn)煤體內(nèi)瓦斯的解吸擴散，另一方面，微波場強化下煤基質(zhì)會發(fā)生失水收縮、礦物界面分離、產(chǎn)生新的孔洞等，引起煤體內(nèi)部氣相體積增大、孔隙變大、裂隙得到擴展等，有利于瓦斯的解吸性能；周曉亭等[15]采用電脈沖技術(shù)對煤樣品進(jìn)行實驗，探究對煤體滲透性能的影響，結(jié)果表明，電脈沖重復(fù)加載次數(shù)越多，煤體微裂隙密度越大，產(chǎn)生的新裂隙也越多，可以極大促進(jìn)煤儲層的滲透性能，并指出脈沖電下煤體破壞包括微裂隙產(chǎn)生階段、微裂隙發(fā)育和強化階段、煤巖解體階段3 個階段。

綜上所述，聲場、電磁場、振動場、微波場、超聲波、電脈沖等對煤層氣的解吸擴散特性都有顯著的影響。而目前電場下煤體研究主要集中于吸附性、滲透性及瓦斯放散初速度特性，而鮮有煤體瓦斯擴散特性的研究?；诖?，采用自主研發(fā)的電場加載下的煤層氣解吸-擴散裝置，實驗研究不同的電場強度下的煤層氣的解吸-擴散規(guī)律，結(jié)合冪函數(shù)擴散模型計算不同電場強度作用下煤層氣擴散系數(shù)的變化特征，從而揭示電場對于提高煤層氣抽采率的機理。

1 實驗設(shè)備及方法

1.1 實驗設(shè)備與煤樣制備

實驗選用自主研發(fā)的電場加載下煤層氣解吸-擴散測定裝置。電場作用下煤中甲烷解吸-擴散裝置示意圖如圖1。裝置由真空抽氣、氣體吸附、溫度控制、電場控制和瓦斯解吸測定等5 個單元構(gòu)成，能夠測定不同場強下煤層氣解吸-擴散量。電場控制單元采用自制的直流電源，可以提供0、30、60、90 kV/m 等不同的場強；恒溫箱提供實驗溫度恒定在（30±0.5 ）℃范圍內(nèi)。

圖1 電場作用下煤中甲烷解吸-擴散裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of methane desorption-diffusion device in coal under electric field

煤樣選自河南省煤化集團(tuán)趙固二礦原生結(jié)構(gòu)煤，變質(zhì)程度為無煙煤。將保存完整的塊狀煤樣切割成50 mm×50 mm×50 mm 方形塊狀煤樣；切割后將剩余的煤塊經(jīng)過破碎機進(jìn)行破碎后選篩取粒徑為200～250 μm 的煤樣。將制備好的顆粒煤樣放入真空干燥箱中干燥，設(shè)置溫度為75 ℃；干燥6 h 后，取出使用靈敏度較高的電子天平稱取50 g為1 份，稱取2 份，裝入密封袋中保存。煤樣基本參數(shù)為：①真密度：1.64 g/cm3；②視密度：1.49 g/cm3；③孔隙率：8.2%；④堅固性系數(shù)：1.85；⑤水分：2.18%；⑥灰分：17.97%；⑦揮發(fā)分：6.56%。

1.2 實驗步驟

1）實驗開始前先調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度，使溫度恒定在（30±0.5）℃范圍內(nèi)；稱取50 g 干燥好的實驗煤樣裝入煤樣罐中，擰緊電場發(fā)生裝置罐蓋，并連接好相應(yīng)的管路；再檢查裝置氣密性，向?qū)嶒炏到y(tǒng)充入壓力為2.5 MPa 的氦氣，關(guān)閉閥門，記錄6 h 內(nèi)系統(tǒng)氣體壓力是否發(fā)生變化，若保持不變則裝置的氣密性良好；將氦氣放出，使用真空泵對參考罐、電場發(fā)生裝置及連接管路等進(jìn)行抽真空，待實驗系統(tǒng)內(nèi)部真空度2 h 維持在10 Pa 以下，關(guān)閉連接閥門后再關(guān)閉真空泵。

2）打開高壓氣瓶，向參考罐充入一定壓力的氣體后，由參考罐為電場發(fā)生裝置進(jìn)行供氣，在整個吸附過程不開啟高壓電源。首先參考罐向電場發(fā)生裝置中充入實驗設(shè)定壓力的氣體，充氣完畢后關(guān)閉對應(yīng)連接閥門，使煤樣充分吸附，每當(dāng)壓力低于實驗設(shè)定值2 MPa 時，再次由參考罐為其充氣，直至吸附平衡壓力長時間保持在2 MPa，則吸附達(dá)到平衡，整個吸附過程不得低于12 h。

3）測定煤樣解吸量。先記錄實驗室溫度及當(dāng)天大氣壓力值，開啟高壓電源并通過電壓控制旋鈕設(shè)定并顯示輸入、輸出電壓值；接著打開放空閥將電場發(fā)生裝置內(nèi)的游離氣體放出，待壓力表讀數(shù)為0 MPa 的瞬間，打開解吸儀開關(guān)，同時點擊高壓電源輸出開關(guān)進(jìn)行供電，每隔1 min 記錄解吸儀讀數(shù)，實驗進(jìn)行120 min 后終止；再選取1份50 g 干燥好的實驗煤樣進(jìn)行1 次完整重復(fù)實驗。最后將實驗記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計算與整理，依據(jù)實驗分析需求進(jìn)行相應(yīng)圖像繪制與比較。

2 實驗結(jié)果

2.1 電場作用下煤體解吸特性

吸附過程均為未加電場狀態(tài)且每次實驗吸附平衡壓力均為2 MPa，電場場強參數(shù)分別為：0、30、60、90 kV/m，主要吸附氣體為：甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），實驗溫度為30 ℃。實驗測定煤體電場下甲烷和二氧化碳在120 min 中的解吸曲線，電場加載下煤體解吸CH4曲線如圖2，電場加載下煤體解吸CO2曲線如圖3。

圖3 電場加載下煤體解吸CO2 曲線Fig.3 CO2 desorption curves of coal under electric field loading

由圖2、圖3 可知：電場實時加載下的煤體解吸量曲線形狀基本相同，均是解吸量前期增加的速度非?？?，隨后趨于平緩；不同場強下煤體解吸能力均得到了不同程度的提高，具有明顯的促進(jìn)作用；由于電場加載的場強不同，煤體解吸CH4和CO2的響應(yīng)情況具有一定的差異性；其中，電場實時加載場強逐漸增大為30、60、90 kV/m條件下，120 min 內(nèi)煤體解吸量均大于未加電場時的狀態(tài)，但區(qū)別較??；而不同電場對煤體解吸CO2影響特征更加明顯，隨著電場場強的增大，煤體解吸CO2性能依次得到提升，且均高于未加電場的狀態(tài)，對煤體促進(jìn)解吸具有非常好的效果；電場加載下煤體解吸CO2比CH4前期解吸量增長更陡峭一些，但煤體解吸CO2的解吸量曲線衰減的更快一些，這可能與不同吸附質(zhì)本身的特性相關(guān)。

2.2 電場作用下煤體解吸動力學(xué)分析

煤層氣的解吸速率的快慢是反映煤層氣解吸性能的關(guān)鍵因素之一，在了解不同加載電場強度對煤瓦斯解吸量影響的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究電場對解吸速度的影響，進(jìn)而揭示電場場強、解吸量、解吸速度三者之間的關(guān)聯(lián)。電場下煤體解吸CH4解吸速度變化曲線如圖4，電場下煤體解吸CO2解吸速度變化曲線如圖5。

圖4 電場下煤體解吸CH4 解吸速度變化曲線Fig.4 Desorption velocity curves of CH4 desorption from coal under electric field

圖5 電場下煤體解吸CO2 解吸速度變化曲線Fig.5 Desorption velocity curves of CO2 desorption from coal under electric field

由圖4、圖5 可知：煤樣在不同電場加載作用下解吸速率規(guī)律大體一致，均隨著解吸時間的增大，CH4和CO2解吸速率減小，最終趨于0；煤樣在解吸初期，解吸速率均下降很快，隨著解吸時間增加，解吸速率趨于相同；煤樣在電場實時加載下的解吸速度均得到了不同程度的增大，且在一定時間內(nèi)CH4和CO2解吸速度大于未加電場時的值；電場強度為90 kV/m 時，煤體的初始解吸速度為各場強的最大值，且隨著施加場強的減小，瓦斯初始解吸速度依次減弱，但均大于未加電場的狀態(tài)；相比而言，電場實時加載場強30、60、90 kV/m 條件下，煤體初始解吸速度與未加電場相比，解吸CH4速率依次提升了6.9%、15.3%、14.6%，解吸CO2速率依次提升3.4%、6.7%、9.2%；在電場加載過程中，煤體初始解吸速度較大，隨時間的延長，瓦斯解吸速度逐漸降低，且降幅不斷減小；解吸初期不同場強之間的瓦斯解吸速度離散性較大，2 min 后瓦斯解吸速度曲線趨于重合并達(dá)到穩(wěn)定值。

總體來說，電場對瓦斯解吸速度的影響可分為3 個階段：①第1 階段為加速期：120 s 之前解吸速度較快；②第2 階段為緩慢期：120～240 s 解吸速度稍高于未加載電場時的解吸速度；③第3階段為穩(wěn)定期：240 s 后加電場和未加電場的解吸速度將趨于重合。因此，瓦斯解吸量的增大其中一方面是由于電場提高了CH4和CO2解吸初期的解吸速度引起的。

3 電場作用下煤中甲烷擴散特性

瓦斯擴散系數(shù)是表征煤中瓦斯解吸擴散特征的基本參數(shù)，基于菲克定律建立的含瓦斯煤體吸附解吸動力學(xué)模型是目前應(yīng)用最為廣泛的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型。描述瓦斯擴散過程的模型主要包括單一孔隙擴散模型、雙孔隙擴散模型等，但這些模型具有一定的局限性，無法準(zhǔn)確表達(dá)煤粒甲烷的擴散過程[16-18]。不同于傳統(tǒng)擴散模型，冪函數(shù)擴散模型對于描述顆粒煤甲烷解吸擴散過程具有較高準(zhǔn)確性，有利于分析甲烷解吸過程解吸量的動態(tài)變化特征。因此，選用冪函數(shù)動擴散模型研究不同強度電場加載下瓦斯擴散規(guī)律的變化特征。為探討顆粒煤吸附甲烷的擴散規(guī)律，作出幾點假設(shè)：①煤粒為各向同性的球體；②甲烷吸附為等溫過程，并將甲烷氣體看做理想氣體；③煤體吸附甲烷過程遵從質(zhì)量守恒定律及連續(xù)性原理；④吸附過程是在濃度梯度作用下進(jìn)行的；⑤擴散系數(shù)D與時間t關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系D（t）=atb[19]。

顆粒煤瓦斯達(dá)到吸附平衡后，煤粒內(nèi)部的瓦斯?jié)舛葹閏0，而當(dāng)其突然暴露在大氣中時，煤粒表面甲烷濃度迅速降低，其表面濃度也會降為c1，這樣煤粒的內(nèi)部和外部會形成一定的濃度差，從而導(dǎo)致瓦斯在濃度差的作用下從煤粒中心向表面進(jìn)行流動。其初始條件和邊界條件如下所示：

式中：a、b為常數(shù)，可通過實驗數(shù)據(jù)求得；c為擴散流體的濃度，mL/g；c0為吸附平衡時的甲烷含量，mL/g；c1為1 個大氣壓下甲烷吸附量，mL/g；D為擴散系數(shù)，m2/s；r為極坐標(biāo)半徑，mm；r0為煤粒半徑，mm；t為擴散時間，s。

采用變量代換法將上述方程化為一維線性流動方程，并運用分離變量法對方程進(jìn)行求解，得到下列等式：

式中：Qt為t時刻的累計擴散量，mL/g；Q∞為極限擴散量，mL/g；Qt/Q∞為t時刻的累計擴散率；n為項級數(shù)。

極限擴散量Q∞為初始含氣量Q與大氣壓下的終態(tài)含氣量Qa的差值，即Q∞=Q-Qa，實驗室條件下Q和Qa按下面公式計算[20]：

式中：Q為初始總含氣量，cm3/g；a1、b1為可燃基吸附常數(shù)；p為吸附平衡壓力，MPa；Ad為煤的灰分，%；W為水分，%；ρ為煤視密度，g/cm3；φ為孔隙率；tw為平衡溫度，℃。

計算大氣壓下的終態(tài)平衡含氣量Qa時,以常壓下的平衡壓力p0=0.1 MPa 代替式（3）中的壓力p。

本文實驗條件下，極限擴散量按Q∞=Q-Qa,擴散率按Qt/Q∞計算。

依據(jù)冪函數(shù)擴散模型中的F與t的關(guān)系式可以得出擴散系數(shù)與時間的關(guān)系式，不同場強下煤粒甲烷擴散參數(shù)見表1。不同場強間隔的動擴散系數(shù)如圖6。

表1 不同場強下煤粒甲烷擴散參數(shù)Table 1 Methane diffusion parameters of coal particles under different electric field strength

圖6 不同場強間隔的動擴散系數(shù)Fig.6 Dynamic diffusion coefficients with different field strength intervals

由圖6 可以看出，煤體的擴散系數(shù)并不是1個常數(shù)，而是隨著時間變化的，前期擴散系數(shù)較大，后趨于平緩；不同場強連續(xù)加載下，相同時間內(nèi)煤體甲烷擴散系數(shù)均大于未加電場時的擴散系數(shù)，且場強越大初始甲烷擴散系數(shù)也越大；煤體內(nèi)甲烷擴散前600 s 擴散系數(shù)變化較大，之后擴散系數(shù)變化基本相同。

因此，電場的加載可以顯著的提升煤體初始擴散系數(shù)，與未加電場狀態(tài)相比，電場強度為30 kV/m 初始擴散系數(shù)增長11.7%，電場強度為60 kV/m 初始擴散系數(shù)增長25.8%，電場強度為90 kV/m 初始擴散系數(shù)增長28.3%。由此可見，電場作用可以明顯提高煤體甲烷的擴散特性，擴散系數(shù)越大，代表甲烷越容易從孔隙進(jìn)入裂隙系統(tǒng)，也越容易解吸出來。

電場強化下煤體擴散系數(shù)具有隨著場強的增大而增大的變化特征，前人在研究中發(fā)現(xiàn)電場作用會使煤體內(nèi)瓦斯分子發(fā)生極化效應(yīng)，引起煤體內(nèi)微小孔的體積和比表面積增加或減小，使得煤體吸附量發(fā)生改變[10]。因此，認(rèn)為電場實時加載下煤體會發(fā)生電動效應(yīng)、熱效應(yīng)和激發(fā)極化效應(yīng)，受其影響煤體一方面提高了系統(tǒng)內(nèi)部溫度與分子間的作用勢，促進(jìn)瓦斯擴散性能；另一方面改變了煤體孔隙結(jié)構(gòu)，連通了瓦斯流動通道，減小了瓦斯擴散過程受到的阻力，促進(jìn)瓦斯解吸。

4 結(jié)語

1）電場實時加載下，煤體解吸CH4和CO2的量均隨著施加電場場強的增大而有所提高，都大于未加電場時的狀態(tài)，且電場強化作用下煤體初始解吸CH4與CO2速率與未加電場相比分別提高了6.9%～14.6%和3.4%～9.2%，表明電場促進(jìn)煤體解吸和放散瓦斯的初始解吸速度。

2）相同時間內(nèi)，電場加載下煤體CH4冪函數(shù)擴散結(jié)果顯示，擴散模型擬合結(jié)果與實驗值高度吻合，能夠準(zhǔn)確反映出瓦斯擴散變化特征；受電場影響瓦斯擴散系數(shù)均提高了11.7%～28.3%，且初始擴散系數(shù)具有隨著場強的增大而增大的變化特征，表明電場促進(jìn)了瓦斯的解吸-擴散。

3）電場實時加載下煤體會發(fā)生電動效應(yīng)、熱效應(yīng)和激發(fā)極化效應(yīng)：一方面提高了系統(tǒng)內(nèi)部溫度與分子間的作用勢促進(jìn)瓦斯擴散；另一方面改變了煤體孔隙結(jié)構(gòu)，連通了瓦斯流動通道，減小了瓦斯擴散過程受到的阻力，促進(jìn)瓦斯解吸。