（河南省新鄭煤電有限責任公司 河南 452384）

瓦斯是一種以甲烷為主的氣體，是煤礦安全開采的一項重大安全隱患，煤礦開采期間，多數(shù)瓦斯事故都是因為落煤或揭煤而導致大量瓦斯涌出造成的。由此可見，在煤礦開采期間，延緩落煤或揭煤時瓦斯發(fā)生集中涌出現(xiàn)象預防該類事故發(fā)生的一項有效途徑。

1.煤礦瓦斯水合化裝置

煤礦瓦斯水合化裝置主要有水和反應釜、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒溫控制箱等共同構(gòu)成。水和反應釜是整個裝置中的核心構(gòu)成部件，該裝置的常見型號有兩種，具體情況如表1所示。

表1 常用的水和反應釜

煤礦瓦斯水合化裝置中采用恒溫箱，在具體應用期間，能夠?qū)囟瓤刂圃?10～60℃，對于溫度的波動來說，不會超過±1.8℃。對于采用的反應釜來說，其溫度通過深入到內(nèi)部的溫度傳感器進行測定，測定溫度范圍在-10～60℃，在實際測量過程中，為了確保測量結(jié)果能夠為后續(xù)各項工作開展提供支持，要將溫度測量誤差控制在±0.01℃以內(nèi)[1]。對于采用的氣象色譜儀性能必須良好，通過對氣象色譜儀的應用能夠精準對瓦斯氣樣及水合物分解氣體組成和摩爾分數(shù)進行精準測量，平行分析獲取到混合氣體摩爾系數(shù)絕對誤差要控制在0.01%以內(nèi)，同時，裝置在具體應用過程中，能夠完成實驗開展期間，各種圖像、壓力、溫度等各項數(shù)據(jù)內(nèi)容的精準、實時記錄[2]。

2.實驗分析探討

氣樣A主要由C2H6、CH4、C3H8、CO2構(gòu)成，氣體的體積分數(shù)分別為4.19%、85.77%、3.84%、6.12%。

氣樣B主要由N2、O2、CH4構(gòu)成，體積分數(shù)分別為59.11%、14.89%、26.00%。

氣樣C主要由N2、O2、CH4構(gòu)成，氣體的體積分數(shù)分別為50.09%、10.11%、39.81%。

氣樣D主要由N2、O2、CH4構(gòu)成，氣體的體積分數(shù)分別為35.08%、5.12%、58.89%。

(1)實驗氣樣

(2)實驗條件

實驗系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 各項實驗參數(shù)

(3)實驗結(jié)果探討

①瓦斯水合物的生成

實驗1中制冷時長達到403min后，在釜內(nèi)形成了宏觀可視化水合物晶體，在水合物生成期間要對水合物生產(chǎn)期間的壓力、溫度進行觀察，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在生成水合物期間，隨著氣體消耗量的增大，高壓釜內(nèi)壓力會不斷降低，造成該現(xiàn)象的原因是生成水合物的速度快，而在該期間釋放熱量的速度較慢，這將會使高壓釜內(nèi)溫度不斷升高。水合物生成主要從煤體表面開始，并且生成的水合物會不斷朝下方延伸，并非在飽和溶液中均勻生成[3]。

實驗2制冷在809min中時出現(xiàn)宏觀可視化水合物晶體，因此，高壓釜內(nèi)部瓦斯氣體會參與到化學反應中，經(jīng)過一系列反應，最終會轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔?，瓦斯氣體體積量將會不斷減小，在整個生成期間，水合物會以煤體和水交界面為兩者的分界線，水合物將會不斷朝著向下和向上兩個方向發(fā)展[4]。在實驗2中，瓦斯水合物生成速度快，整個生產(chǎn)作業(yè)能夠在175min內(nèi)完成，這一特性的存在，采用瓦斯水能夠?qū)崿F(xiàn)對瓦斯各種事故的合理防治，進而減少各種事故的發(fā)生，為煤礦開采作業(yè)進行提供支持。

實驗3的開展是以前一次水合物作為基礎進行，簡單來說就是完成前一次水合物生成結(jié)束后，通過降壓法分解水合物，完成分解后，要排出分解后的氣液，然后吸液，進行加壓，開展相應實驗。加壓后期就開始生成水合物，該期間誘導時長僅為46.5min。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，瓦斯水合物能夠在含有煤表面活性劑溶解中快速生成，因此，采用瓦斯水合作用對煤開采時的瓦斯事故預防，從理論上來說是可行的[5]。在實驗3中，水合物生成的誘導時間相對較短，僅為46.5min，但是，從具體情況來看，受溫度、環(huán)境等各項因素影響，會殘留部分結(jié)構(gòu)，在該情況下，若溫度再次降低，則會再次生成水合物。隨著人們對分子力學研究的逐漸深入，人們發(fā)現(xiàn)水的五體面等各種殘余結(jié)構(gòu)能夠在315K溫度下保持穩(wěn)定，因此，會使水合物成核平均誘導時間隨著水源的變化而發(fā)生改變，這一效應被稱作“記憶效應”[6]。通過對“記憶效應”的合理應用，能夠促進瓦斯水合物生成，能夠?qū)⒆匀粻顟B(tài)下的冰融化為冰水狀態(tài)，將其作為煤層高壓注水的水源，這可以大幅度降低礦井煤層中瓦斯水合物生成周圍溫度，同時，高壓水中會存在大量冰粒，這些冰粒能夠起到添加晶種作用，這可以大幅度縮短水合物生成時的誘導時間，而且也可以加快瓦斯水合進程，這對后續(xù)煤礦開采作業(yè)的進行提供支持，減少事故發(fā)生，促進行業(yè)發(fā)展。

②分離不同瓦斯水合物效果

實驗4采用瓦斯氣樣B，采用的THF的溶液濃度為1mol/L，實驗開始的初始壓力大小為9.8MPa，實驗時間達到7.8min時，在溶液中產(chǎn)生一定量的白色晶粒，而當實驗時間達到了11.8min時，在溶液中會產(chǎn)生大量水合物顆粒，此時，水合物將會沿著界面處不斷朝著視窗處生長，當實驗時間達到33.0min后，生長的水合物基本覆蓋了觀察視窗口，而當實驗時間達到了81.5min后，水合物會將觀察視窗口全部覆蓋[7]。在實驗過程中，當水合物生成完成后，要通過人工方式將反應釜內(nèi)剩余氣體全部都排出，同時，要讓真空度保持在0.1MPa，通過升高溫度方式，分解水合物。

實驗5采用的瓦斯氣樣C，SDS溶液濃度為0.4mol/L，實驗起初壓力位7.8MPa，當實驗時間達到106.5min時自反應釜中溶液終會產(chǎn)生幾片白色羽毛狀水合物晶體，產(chǎn)生的晶體會在溶液中快速生長，當實驗時間達到118.0min時，溶液會被白色羽毛狀水合物充滿，而當時間來到133.5min時，溶液則會成為白色水合物柱。

實驗6采用的瓦斯氣樣D，SDS溶液濃度為0.2mol/L，實驗開展初期階段的壓力大小為8.8MPa。在實驗開展期間，緩慢制冷，當實驗時間來到95.8min時，在溶液中會出現(xiàn)大量細小球狀晶體顆粒，時間達到118.0min后，溶液中形成大量棉絮狀晶體，而當時間達到142.5min時，溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榱税咨绍浌腆w，同時，在氣—水合物界面形成水合物膜。生成水合物膜，取水合物分解氣體，采取氣相色譜法對水解氣體進行分析，在該過程中，可以利用外標法對水合物分解氣體中CH4體積分數(shù)進行計算。實驗結(jié)果如下：

實驗4：瓦斯氣樣中CH4體積分數(shù)為25.58%，水合物分離后CH4的體積分數(shù)為40.58%，體積分數(shù)的提高值為15.00%。

實驗5：瓦斯氣樣中CH4體積分數(shù)為39.28%，水合物分離后CH4的體積分數(shù)為60.39%，體積分數(shù)的提高值為21.11%。

實驗6：瓦斯氣樣中CH4體積分數(shù)為59.68%，水合物分離后CH4的體積分數(shù)為81.78%，體積分數(shù)的提高值為22.10%。

由此可見，采用水合原理對礦井瓦斯進行分離提純是可行的。

3.結(jié)語

綜上所述，采用水合機理對瓦斯事故進行預防是可行的，同時，還要加強對低濃度瓦斯水合化分離性方法的研究，完成對低濃度瓦斯的分離，從而為后續(xù)煤礦開采作業(yè)順利進行提供支持，減小安全事故的發(fā)生。