張 波，謝雄剛,2*，劉錦偉

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 喀斯特地區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.西安慶華民用爆破器材股份有限公司，陜西 西安 710038)

煤炭被譽(yù)為工業(yè)的糧食，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用，也是我國(guó)最重要的基礎(chǔ)能源之一，煤炭在所有能源中占到65.7%，預(yù)計(jì)2050年仍將占到50%以上[1-2]。然而，我國(guó)70%以上的煤系地層為低透氣性煤層，其瓦斯?jié)B透率一般為0.1～10 mD，這一特點(diǎn)決定了我國(guó)多數(shù)礦井屬于難抽采礦井[3]。隨著開采深度的增加，在反應(yīng)熱、地?zé)岬茸匀灰蛩氐挠绊懴拢簩訙囟仍黾?，加上采掘活?dòng)引起的煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化等多種因素，使得瓦斯在煤中的賦存狀態(tài)不穩(wěn)定，吸附和解吸狀態(tài)隨時(shí)變化，導(dǎo)致煤體中瓦斯壓力分布不均勻，如果煤巖穩(wěn)定性差時(shí)就可能出現(xiàn)破壞性的突出事故[4-5]，因此，研究高溫條件下瓦斯的解吸原理對(duì)防治煤礦瓦斯事故具有重要意義。

溫度對(duì)瓦斯在煤中的吸附解吸有顯著影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，張?zhí)燔奫6]研究得到升高溫度會(huì)使煤體瓦斯吸附量減小，該規(guī)律還與平衡壓力有關(guān)，平衡壓力越大變化越顯著。李波波等[7]研究了水-熱耦合下的三軸滲流試驗(yàn)，得出溫度比含水率對(duì)瓦斯?jié)B透率影響更大；馬東民等[8-9]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，瓦斯的解吸過(guò)程略微滯后于吸附過(guò)程，本文通過(guò)高溫條件下瓦斯吸附解吸試驗(yàn)，試圖解釋溫度對(duì)瓦斯在煤層中的吸附解吸影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)方案

1.1 制取煤樣

貴州省煤礦多處于地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)地帶，煤層透氣性系數(shù)較低(8.7×10-6mD)，動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性大，瓦斯含量高(10～39.89 m3/t)。試驗(yàn)選取了貴州省具有代表性的位于六盤水高突瓦斯帶的松河煤礦突出煤樣，進(jìn)行系列溫度點(diǎn)、系列充氣壓力下瓦斯吸附量、解吸量、解吸速率及其相關(guān)試驗(yàn)的研究，煤樣工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

表1 煤樣的工業(yè)分析結(jié)果Tab. 1 Industrial analysis results of coal samples

各煤樣在實(shí)驗(yàn)室破碎、篩分后，取60～80目煤粒與適當(dāng)清水混合，然后壓制成尺寸為Φ25×50 mm的型煤試件。制備好的煤樣在室溫下放置3～5 d形成空氣干燥基待用。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)利用華北科技學(xué)院的WCC-DCS-Ⅰ型煤體瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以較好地模擬恒定高溫條件下煤層瓦斯吸附解吸的過(guò)程，能夠測(cè)試吸附解吸過(guò)程中瓦斯罐內(nèi)的溫度、壓力、解吸量等值，滿足高溫條件下瓦斯吸附解吸規(guī)律的研究。WCC-DCS-Ⅰ型煤體瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

1-高壓甲烷氣瓶;2-氮?dú)馄?3-真空泵;4-參考罐;5-煤樣罐;6-溫度傳感器;7-壓力傳感器;8-水浴加熱器;9-溫度控制器;10-數(shù)字壓力溫度表;11-量筒;12-水浴恒溫箱;13-數(shù)據(jù)傳輸線;14-參數(shù)顯示屏。

圖1WCC-DCS-Ⅰ瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖
Fig.1StructurediagramofWCC-DCS-Igasadsorptiondesorptionexperiment

圖2 WCC-DCS-Ⅰ瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖Fig.2 WCC-DCS-I gas adsorption desorption experiment physical map

將一定的氦氣充入?yún)⒖脊藓兔簶庸?，并達(dá)到一定壓力進(jìn)行試驗(yàn)裝置密封性測(cè)試，把儲(chǔ)備好的煤樣放入罐內(nèi)，恒溫水浴進(jìn)行加熱處理，試驗(yàn)所用甲烷濃度為99.9%，依據(jù)高壓容積法原理，首先對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行抽真空處理，確保煤樣中的水分和其他氣體被全部抽出，利用99.999%的氦氣標(biāo)定樣品罐自由空間體積，然后逐漸升高瓦斯壓力，當(dāng)在最高壓力下達(dá)到吸附平衡后，逐漸降低瓦斯壓力，測(cè)試煤樣在各級(jí)瓦斯壓力下的瓦斯量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫吸附試驗(yàn)結(jié)果

高壓瓦斯罐的工作壓力為30 MPa，甲烷純度為99.9%，充裝壓力12.5±0.5 MPa(20 ℃)；氦氣純度為99.999%，充裝壓力15±0.5 MPa(20 ℃)；試驗(yàn)進(jìn)行了系列溫度點(diǎn)(40 ℃、50 ℃、60 ℃)及系列壓力點(diǎn)(1 MPa、1.5 MPa、2 MPa)下瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)，每組瓦斯吸附解吸試驗(yàn)開始后，立即對(duì)數(shù)字壓力溫度表10進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置數(shù)據(jù)記錄儲(chǔ)存時(shí)間為30 min，數(shù)字壓力溫度表10會(huì)自動(dòng)記錄吸附解吸過(guò)程中瓦斯壓力變化情況。吸附過(guò)程中瓦斯量統(tǒng)計(jì)及計(jì)算結(jié)果如圖3所示：

圖3 松河礦吸附量與溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between adsorption capacity and temperature of Songhe Mine

從圖3可以看出：恒定高溫試驗(yàn)條件下，充氣瓦斯壓力一定時(shí)，煤樣瓦斯吸附量隨著溫度的增加而逐漸降低，但煤體溫度50 ℃以上時(shí)，瓦斯吸附量下降緩慢；同一煤層煤樣吸附溫度相同時(shí)，瓦斯吸附量隨著瓦斯壓力的升高而增大；瓦斯充氣壓力為1.5 MPa及2.0 MPa時(shí)，瓦斯吸附量隨溫度的變化關(guān)系表現(xiàn)出很好的一致性。

2.2 高溫解吸試驗(yàn)結(jié)果

溫度對(duì)于瓦斯解吸作用效果比較明顯，大量學(xué)者的研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)[10-12]。然而不同的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)過(guò)程，瓦斯解吸特征明顯不同。為了研究高溫條件下煤樣瓦斯解吸量隨時(shí)間的變化關(guān)系，分析一定充氣壓力下的瓦斯解吸特性，對(duì)瓦斯解吸量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)2 h后瓦斯解吸量基本不再增加。

圖4 1 MPa時(shí)瓦斯解吸量與時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between gas desorption and time at 1 MPa

圖5 1.5 MPa時(shí)瓦斯解吸量與時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between gas desorption and time at 1.5 MPa

圖6 2 MPa時(shí)瓦斯解吸量與時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship between gas desorption and time at 2 MPa

通過(guò)對(duì)比分析同一充氣壓力、不同解吸溫度條件下煤樣瓦斯解吸量隨時(shí)間的變化關(guān)系，由圖4～6可以看出：煤樣瓦斯解吸累積量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，單位時(shí)間內(nèi)瓦斯解吸量逐漸減??；溫度越高，相同解吸時(shí)間時(shí)瓦斯解吸量越大，瓦斯初始解吸量也越大。

2.3 瓦斯解吸量隨溫度變化分析

為了分析不同吸附平衡壓力瓦斯解吸量隨溫度的變化關(guān)系，對(duì)同一煤樣、同一溫度，不同充氣量下的吸附平衡壓力與解吸量進(jìn)行線性關(guān)系擬合，利用線性插值法，得到0.75 MPa、1 MPa、1.25 MPa、1.5 MPa下的瓦斯解吸量隨著溫度的變化趨勢(shì)線，如圖7所示。

圖7 松河礦瓦斯解吸量隨溫度變化關(guān)系Fig.7 Relationship between gas desorption of Songhe Mine and temperature

由圖7可以看出，吸附平衡壓力一定時(shí)，煤樣瓦斯解吸量隨著溫度的升高而增大，但增長(zhǎng)較緩慢，基本呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到90%以上。溫度一定時(shí)，吸附平衡壓力越大，瓦斯解吸量越大。

2.4 瓦斯解吸速度及解吸加速度分析

為了解瓦斯解吸速度及解吸加速度在恒定溫度下隨時(shí)間的變化關(guān)系，對(duì)不同溫度、不同充氣壓力下的瓦斯解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，能更加清晰的觀察瓦斯解吸加速度隨著時(shí)間的變化關(guān)系，對(duì)瓦斯解吸加速度擴(kuò)大20倍后與瓦斯解吸速度繪制于同一張圖中。圖8-10為不同溫度時(shí)的瓦斯解吸速度及解吸加速度隨時(shí)間變化曲線。

圖8 1 MPa時(shí)解吸速度和加速度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.8 Relationship between desorption rate and acceleration with time at 1 MPa

圖9 1.5 MPa時(shí)解吸速度和加速度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.9 Relationship between desorption rate and acceleration with time at 1.5 MPa

圖10 2 MPa時(shí)解吸速度和加速度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.10 Relationship between desorption rate and acceleration with time at 2 MPa

由圖8-10中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在瓦斯解吸初始階段，瓦斯解吸速度和瓦斯解吸加速度下降較快，隨著解吸時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯解吸速度及解吸加速度趨于緩慢，最后趨于零。從圖中可以看出，煤樣從開始解吸到1 h時(shí)間里，解吸速度變化非常明顯。溫度越高，瓦斯解吸速度和瓦斯解吸加速度越大，證明升高溫度極易促進(jìn)瓦斯的解吸。

3 溫度及壓力對(duì)解吸速度的影響

3.1 壓力與瓦斯解吸速度

吸附平衡壓力為0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa，解吸溫度為40 ℃、50 ℃及60 ℃下的瓦斯解吸速度進(jìn)行整理，利用一次函數(shù)的性質(zhì)，定義自變量x的系數(shù)為溫度影響系數(shù)及壓力影響系數(shù)，吸附平衡壓力一定時(shí)，溫度影響系數(shù)隨吸附平衡壓力的變化關(guān)系如圖11、12所示。

通過(guò)圖11可以看出，不同解吸溫度下的瓦斯解吸速度隨吸附平衡壓力的升高而增大。從圖12可以看出，壓力影響系數(shù)隨著溫度的升高而降低，說(shuō)明溫度升高時(shí)，壓力對(duì)瓦斯解吸速度的影響減小。

圖11 瓦斯解吸速度與吸附平衡壓力關(guān)系Fig.11 The relationship between gas desorption rate and adsorption equilibrium pressure

圖12 壓力影響系數(shù)隨溫度變化關(guān)系Fig.12 Pressure influence coefficient with change of temperature

3.2 溫度與瓦斯解吸速度

通過(guò)圖13可知，不同吸附平衡壓力下的煤樣瓦斯解吸速度隨解吸溫度升高而增大。從圖14可以看出，溫度影響系數(shù)隨著壓力的升高而降低，說(shuō)明壓力升高時(shí)，溫度對(duì)瓦斯解吸速度的影響減小。

圖13 瓦斯解吸速度隨解吸溫度變化關(guān)系Fig.13 Relationship between gas desorption rate and desorption temperature

圖14 溫度影響系數(shù)隨壓力變化關(guān)系Fig.14 Temperature influence coefficient as a function of pressure

3.3 不同溫度下對(duì)a、b值的影響

將煤層瓦斯看成理想氣體，根據(jù)朗繆爾方程和氣體狀態(tài)方程[13-14]，可得以下公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Qx為吸附瓦斯含量，m3/t；Qy為游離瓦斯含量，m3/t；a、b為吸附常數(shù)；C為煤質(zhì)矯正參數(shù)；p為吸附平衡時(shí)的瓦斯壓力，MPa；e-α(t-t0)為煤樣的飽和吸附量與溫度的擬合形式；A、W分別為水分和灰分；n為煤層孔隙率；ρ為瓦斯氣體密度，kg/m3；M為瓦斯氣體分子量；R為氣體狀態(tài)常數(shù)，取值為8.3143 J/(mol·K)；T為煤層溫度，℃。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)將不同溫度下煤體對(duì)瓦斯的吸附量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合朗繆爾等溫吸附方程可得到吸附常數(shù)a、b值隨溫度變化的曲線，如圖15所示。

圖15 a、b值隨溫度變化圖Fig.15 a, b value with temperature changes

從圖15可以看出，隨著溫度從40 ℃向60 ℃的增長(zhǎng)過(guò)程中，朗繆爾方程中的吸附常數(shù)a值呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。吸附常數(shù)b值是隨著溫度的變化逐漸減小，基于b值在朗繆爾吸附方程中主要是煤吸附甲烷快慢的指標(biāo)，因此，隨著煤層溫度升高，煤對(duì)甲烷的吸附速度也相應(yīng)的降低。

4 討論

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，煤基質(zhì)表面分子的力場(chǎng)是不飽和的，其具有吸附瓦斯的潛能。煤分子和甲烷氣體分子之間的作用力是范德華力，由此而形成吸引勢(shì)，即吸附勢(shì)阱深度Ea，煤分子和甲烷氣體分子之間的引力越大，吸附量就越大。甲烷分子在吸附勢(shì)的作用下，由自由狀態(tài)分子轉(zhuǎn)變?yōu)槲綉B(tài)分子，逐漸在煤基質(zhì)表面沉積下來(lái)(圖16)。自由氣體分子必須損失部分所具有的能量才能停留在煤的孔隙表面，因此吸附是放熱的；處于吸附狀態(tài)的甲烷氣體分子只有獲得能量Ea才能越出吸附勢(shì)阱而成為自由氣體分子，因此解吸是吸熱的。

圖16 瓦斯吸附示意圖Fig.16 Schematic diagram of gas adsorption

溫度升高，煤分子和甲烷分子獲取大量熱能，一方面甲烷分子獲取較多內(nèi)能，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，氣體粘度系數(shù)降低，同時(shí)煤分子內(nèi)能增加，表面勢(shì)能降低，吸附甲烷的能力降低，吸附態(tài)瓦斯獲取足夠的能量和機(jī)會(huì)掙脫與煤分子的分子間作用力，轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯。游離態(tài)瓦斯內(nèi)能增加，雖然增加了和煤分子的碰撞幾率，但由于煤分子表面勢(shì)能降低，吸附瓦斯能力降低，整體表現(xiàn)為溫度升高，吸附瓦斯含量減少，游離態(tài)瓦斯含量增加。

此外，從化學(xué)熱平衡角度出發(fā)，煤對(duì)瓦斯的吸附是放熱過(guò)程，瓦斯從煤表面解吸是吸熱過(guò)程，當(dāng)溫度升高時(shí)，促進(jìn)了吸熱過(guò)程的分子運(yùn)動(dòng)，抑制了放熱過(guò)程的分子運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為促進(jìn)了瓦斯的解吸作用，抑制了煤對(duì)瓦斯的吸附作用。

5 結(jié)論

(1)進(jìn)行了瓦斯高溫吸附解吸試驗(yàn)，通過(guò)比較瓦斯解吸量、解吸速度和解吸加速度，得出升高溫度極易促進(jìn)瓦斯解吸，隨著時(shí)間的推移解吸速率逐漸減小。

(2)從煤分子和瓦斯分子間作用力的原理，闡述了升溫促進(jìn)瓦斯解吸的機(jī)理。

(3)驗(yàn)證了煤對(duì)瓦斯的吸附是放熱過(guò)程，瓦斯解吸是吸熱過(guò)程，溫度升高促進(jìn)了瓦斯的解吸作用，抑制了煤對(duì)瓦斯的吸附作用。