雷建華

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 安全生產(chǎn)管理中心，山西 太原 030000)

瓦斯解吸時(shí)變規(guī)律的研究能為準(zhǔn)確測(cè)定瓦斯含量和修正測(cè)定結(jié)果提供參考，指導(dǎo)礦井治理瓦斯。為此，國(guó)內(nèi)外科研工作者進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究和理論分析，按照瓦斯解吸量與時(shí)間的變化關(guān)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(gè)指標(biāo)描述瓦斯解析過(guò)程：解吸速度、累計(jì)瓦斯解吸量及使用條件，同時(shí)一部分科研工作者致力于滲透性、擴(kuò)散性、孔隙度和粒度大小不同的煤樣瓦斯解吸時(shí)變規(guī)律的研究，借助試驗(yàn)手段獲得各不相同的解吸速度方程和累計(jì)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(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，需進(jìn)行結(jié)果修正[6]。此試驗(yàn)研究在上述基礎(chǔ)上，從有效增加煤粒瓦斯解吸規(guī)律的精準(zhǔn)度出發(fā)，得到具有更強(qiáng)普遍適用性的瓦斯解吸規(guī)律。以山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪礦、西銘礦、官地礦為試驗(yàn)對(duì)象，分別在每個(gè)礦獲取新鮮煤樣，達(dá)到擴(kuò)大采集范圍的目的；采用自主設(shè)計(jì)的煤粒瓦斯解吸試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)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(shí)變規(guī)律[7]。

瓦斯含量能否準(zhǔn)確測(cè)量是關(guān)系瓦斯事故預(yù)防的重要手段，采用地質(zhì)條件存在差異的煤樣進(jìn)行試驗(yàn)，目的是進(jìn)一步提高瓦斯解吸模型的有效性、適應(yīng)性，檢驗(yàn)3個(gè)主控因素—吸附平衡壓力、粒度及溫度對(duì)瓦斯解吸的影響[8-9]。

1 解吸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

瓦斯解吸試驗(yàn)系統(tǒng)包括4個(gè)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(yàn)系統(tǒng)圖

充氣系統(tǒng)主要由高壓瓦斯瓶(甲烷體積分?jǐn)?shù)為99.99%)、耐高壓閥門(mén)及減壓閥等組成；真空脫氣系統(tǒng)主要由真空機(jī)組、真空隔膜閥、真空計(jì)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(zhǔn)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(kāi)啟閥門(mén)對(duì)罐體卸壓10 s，隨后對(duì)瓦斯解吸量進(jìn)行一系列測(cè)量，并利用罐體體積和平衡狀態(tài)時(shí)的壓力來(lái)對(duì)瓦斯解吸量進(jìn)行核算，通過(guò)數(shù)值軟件將瓦斯解吸量隨時(shí)間的變化曲線描繪出來(lái)。

1.2 采集煤樣

在杜兒坪礦、西銘礦、官地礦等三個(gè)礦井回采工作面采集新鮮暴露煤樣之后，在試驗(yàn)室進(jìn)行工業(yè)分析，測(cè)定水分、灰分、揮發(fā)分等參數(shù)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 工業(yè)分析結(jié)果

2 影響瓦斯解吸的主控因素

2.1 吸附平衡壓力

在實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一制作煤樣，保證粒度處于1～3 mm，設(shè)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(yàn)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(dāng)吸附平衡壓力相同時(shí)，不同煤樣的瓦斯解吸量不一樣。杜兒坪礦煤樣當(dāng)吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa時(shí)，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(dāng)吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa時(shí)，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(dāng)吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa時(shí)，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(chēng)為極限粒度，在煤樣極限粒度范圍內(nèi)，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(yàn)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(dǎo)測(cè)定瓦斯含量試驗(yàn)中選擇煤粒的大小及修正結(jié)果。在杜兒坪礦、西銘礦、官地礦等3個(gè)礦井下現(xiàn)場(chǎng)采集新鮮暴露煤樣開(kāi)展試驗(yàn)，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(guò)控制變量法進(jìn)行試驗(yàn)，也就是設(shè)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(guò)圖3可知，①同等時(shí)間條件下，煤粒粒度和瓦斯解吸量基本呈反比趨勢(shì)。但當(dāng)粒度增大到一定程度時(shí)，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(shí)，瓦斯解吸量幾乎相等，此粒度即極限粒度，當(dāng)煤樣粒度超過(guò)極限粒度時(shí)，粒度大小對(duì)瓦斯解吸量的影響很小；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(dāng)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(shí)間的推移，煤樣解吸速度在逐漸降低。

在極限粒度范圍內(nèi)，煤粒越小，煤粒之間的空隙和表面積就越大，使得煤樣內(nèi)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(dāng)煤樣粒度超過(guò)極限粒度后，雖然粒度增大，其暴露表面積會(huì)減少，大粒度煤樣自身會(huì)產(chǎn)生各種裂隙，這些裂隙又會(huì)無(wú)形中增大暴露表面積，所以在超過(guò)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(gè)礦的煤樣，設(shè)置溫度條件分別為20 ℃、30 ℃、40 ℃，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(shí)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(shì)，即溫度越高，解吸量越大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要有兩點(diǎn)原因：一是對(duì)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(huì)隨之增大，增加了瓦斯解吸量；二是因?yàn)闇囟壬?，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，賦存在煤樣表面的甲烷分子動(dòng)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(guò)程

從圖2～圖4發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)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(shì)，可以將曲線(解吸過(guò)程)大致分為3個(gè)階段：前期、中期、后期。解吸前期時(shí)間為0～5 min，解吸速度較快；中期時(shí)間為5～25 min，速度逐步降低；后期時(shí)間為25 min之后，速度接近于零，即解吸過(guò)程結(jié)束；利用這一過(guò)程研究瓦斯解吸量的時(shí)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(guò)煤樣孔隙快速逃離，瞬間由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，故這一階段的瓦斯解吸速度相對(duì)較快。

解吸中期：處于暴露面積較大且孔隙相對(duì)較大區(qū)域附近的甲烷分子基本擺脫吸附后，煤粒內(nèi)部更深層處的瓦斯逐步釋放，此時(shí)，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(nèi)賦存的瓦斯基本釋放完畢，解吸量處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎不再增加，解吸速度趨于零。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于自主設(shè)計(jì)的瓦斯解吸試驗(yàn)平臺(tái)，在山西焦煤西山煤電杜兒坪礦、西銘礦及官地礦等3個(gè)礦井采集新鮮煤樣，通過(guò)解吸試驗(yàn)研究變化規(guī)律。

1) 影響瓦斯解吸的3個(gè)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(shí)間的延長(zhǎng)逐步升高，而瓦斯解吸速度逐步降低。