張國華, 韓永輝, 侯鳳才, 張錦鵬

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

含瓦斯煤帶壓解吸規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

張國華, 韓永輝, 侯鳳才, 張錦鵬

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

為獲得含瓦斯煤帶壓解吸規(guī)律,提高瓦斯抽采效率,對含瓦斯煤的帶壓與常壓條件下的解吸過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究表明:瓦斯抽采過程中含瓦斯煤中的瓦斯屬于帶壓解吸,帶壓瓦斯的解吸量和解吸速度均小于常壓下的瓦斯解吸量和解吸速度,帶壓解吸條件下的解吸終止時間明顯滯后于常壓下的解吸終止時間。評價含瓦斯煤中瓦斯的可采性和確定瓦斯抽采終止時間時應(yīng)以帶壓解吸指標(biāo)作為衡量指標(biāo)。該研究對瓦斯資源抽采具有一定的指導(dǎo)意義。

瓦斯;瓦斯抽采;帶壓解吸;常壓解吸

Abstract:This paper seeks to obtain the desorption law of coal containing gas and increase the efficiency of gas extraction by experimental study under pressure and gas desorption process under atmospheric pressure.The results show that:Gas desorption of coal containing gas belongs to pressure desorption during gas extraction process,the gas under pressure gives smaller desorption volume and lower desorption rate than does the gas under atmospheric pressure,and gives a significantly delayed desorption termination than the gas under atmospheric pressure.It follows that the evaluation of extraction admissibility of gas-containing coal and the dete rmination of the te rmination time of gas extraction are dete rmined by the desorption index under pressure as a measure index.The study is of value for guiding field extraction of gas resources.

Key words:gas;gas extraction;pressure desorption;atmospheric pressure desorption

0 引 言

隨著國內(nèi)外學(xué)者研究的不斷深入,瓦斯作為煤形成過程中的伴生物,已由傳統(tǒng)的災(zāi)害防治對象逐步轉(zhuǎn)為資源開采利用對象。近年來,學(xué)者們已經(jīng)認(rèn)識到瓦斯解吸研究的重要性,就瓦斯吸附與解吸機(jī)理,以及瓦斯吸附解吸同壓力、溫度、水分、煤顆粒粒度、氣體組分之間相互關(guān)系開展了實(shí)驗(yàn)研究[1-11],取得了階段性成果。其實(shí)驗(yàn)研究過程具有兩個明顯特點(diǎn):一是在瓦斯吸附與解吸可逆的基礎(chǔ)上,以吸附代替解吸;二是即使是解吸實(shí)驗(yàn),也隸屬于含瓦斯煤處于常壓環(huán)境條件下的瓦斯解吸過程。

在煤層瓦斯抽采過程中,賦存于煤層內(nèi)的瓦斯隨著瓦斯壓力的逐步降低而發(fā)生解吸,由擴(kuò)散和滲流兩個環(huán)節(jié)沿煤體孔隙通道進(jìn)入鉆孔而被抽采。遠(yuǎn)離鉆孔的煤體內(nèi)瓦斯最初解吸處,始終有一定的瓦斯壓力存在,應(yīng)屬于瓦斯的帶壓解吸過程。該過程直接影響到瓦斯的抽采效率。為探索瓦斯在帶壓條件下的解吸規(guī)律,筆者以實(shí)測煤儲層瓦斯壓力為初始條件進(jìn)行了相應(yīng)的降壓解吸實(shí)驗(yàn),以求為瓦斯抽采研究提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 煤層原始條件

實(shí)驗(yàn)煤樣取自黑龍江龍煤控股集團(tuán)七臺河分公司桃山煤礦一采區(qū) 85#煤層,煤種為 1/3焦煤,實(shí)驗(yàn)所測工業(yè)指標(biāo)分別為水分 1.12%,灰分 5.49%,揮發(fā)分 31.51%,固定碳 63.00%。

實(shí)測煤層的原始瓦斯壓力為 2.2 MPa,工作面瓦斯絕對涌出量為 18 m3/min,煤層溫度為 12.6℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)過程

參照煤高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn) (GB/T19560—2008)中的高壓容量法[12],根據(jù)研究需要,在實(shí)驗(yàn)過程中采用 2 kg的大計(jì)量煤樣。實(shí)驗(yàn)儀器采用自制的瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示。

圖 1 瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Gas desorption exper iment system

在實(shí)驗(yàn)過程中,環(huán)境溫度保持在 12.6℃,煤樣的塊體粒度取 2.5～3.0 cm,且煤樣不經(jīng)過干燥處理、使之接近原始狀態(tài)。

1.2.1 帶壓解吸實(shí)驗(yàn)

首先利用氦氣實(shí)測樣品缸內(nèi)自由體積和煤的實(shí)體體積,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)保持真空,然后向樣品缸注入甲烷使其經(jīng)過 24 h吸附平衡后儲層瓦斯壓力達(dá)到2.2MPa。為模擬抽采過程中的瓦斯解吸狀況,先打開控制閥 5使樣品缸內(nèi)瓦斯壓力降到 2.0MPa(此時壓力簡稱降點(diǎn)壓力),然后關(guān)閉控制閥。開始 2 h內(nèi)以 10 min為間隔,依次記錄樣品缸內(nèi)的瓦斯壓力;后 10 h則以 20 min為間隔,依次記錄樣品缸內(nèi)的瓦斯壓力。整個解吸時間持續(xù) 12 h。不同時間點(diǎn)的瓦斯解吸量計(jì)算公式為

其中,Δm為單位質(zhì)量煤所解吸出來的瓦斯量,cm3/g;Vm為甲烷氣體的摩爾體積,22.4×103cm3/mol;M為煤樣的總質(zhì)量,g;V為樣品缸內(nèi)自由空間的體積,cm3;R為氣體常數(shù),R=8.314 J/(mol·K);T為實(shí)驗(yàn)溫度,K;p1、p0分別為樣品缸內(nèi)記錄時間點(diǎn)的壓力和降點(diǎn)壓力,MPa;Z1、Z0分別為 p1和 p0壓力時所對應(yīng)的甲烷氣體壓縮因子。

依次打開控制閥 5使樣品缸內(nèi)瓦斯壓力分別降到 1.5、1.0、0.5 Mpa。同樣按上述過程每隔 10 min記錄一次樣品缸內(nèi)瓦斯壓力,每個壓力點(diǎn)的解吸持續(xù)時間均為 12 h,然后分別按式 (1)計(jì)算出不同時間點(diǎn)的瓦斯解吸量。

1.2.2 常壓解吸實(shí)驗(yàn)

為說明帶壓解吸與常壓解吸的區(qū)別,對應(yīng)于瓦斯吸附平衡壓力 2.0 Mpa的情形進(jìn)行了環(huán)境壓力為常壓的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)。將樣品缸充入瓦斯并使24 h后的平衡壓力穩(wěn)定在 2.0 MPa,打開控制閥 5使樣品缸內(nèi)的環(huán)境壓力與外界大氣壓力相等,直接連接壓差計(jì),每隔 10 min讀取一次壓差值,計(jì)算瓦斯解吸量。每隔 10 min拔掉連接管以便使樣品缸內(nèi)自由空間壓力與外界大氣壓力相等。實(shí)驗(yàn)總體持續(xù)時間為 8 h。同樣利用式 (1)分別計(jì)算各時間段的瓦斯解吸量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測得含瓦斯煤在不同環(huán)境瓦斯壓力條件下的瓦斯解吸量 (帶壓解吸),如表 1所示。實(shí)驗(yàn)測得含瓦斯煤在常壓條件下的瓦斯解吸量 (常壓解吸),如表 2所示。

表 1 不同環(huán)境瓦斯壓力條件下含瓦斯煤不同時間點(diǎn)的瓦斯解吸量Table 1 Gas desorption of coal conta in ing gas at different t ime under diverse ambient pressure

表 2 常壓下含瓦斯煤的瓦斯解吸量Table 2 Gas desorption of coal conta in ing gas under at mospheric pressure cm3/g

3 瓦斯解吸規(guī)律

據(jù)表 1、2,可分別獲得含瓦斯煤在不同環(huán)境瓦斯壓力條件下的帶壓瓦斯解吸量變化曲線 (圖 2)以及在常壓條件下的瓦斯解吸量變化曲線 (圖 3、4)。

圖 4 常壓下含瓦斯煤每 10 m in內(nèi)瓦斯解吸量變化Fig.4 Variation of gas desorption in coal conta in ing gas every 10 m in under atmospheric pressure

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和變化曲線顯示,帶壓解吸具有如下規(guī)律:

(1)比較 2.0 MPa和其它各壓力點(diǎn)的瓦斯解吸量。從 2.2 MPa降到 2.0 MPa,其壓降為 0.2 MPa,同其它 0.5 MPa壓降相比,并非壓降越小其瓦斯解吸量就越小,而是與原始瓦斯壓力所處的水平有關(guān)。

(2)比較 1.5、1.0和 0.5 MPa三個壓力點(diǎn)的瓦斯解吸曲線。在相同壓降的條件下,原始瓦斯壓力所處的水平越高,其瓦斯解吸量也越多,但這種差別在瓦斯壓力降到一定程度時會越來越不明顯。

(3)由圖 5,原始瓦斯壓力所處的水平越高,其瓦斯解吸終止所需的時間就越長。當(dāng)瓦斯壓力降到一定水平后,不僅瓦斯解吸終止的時間變短,而且瓦斯的可解吸量基本保持恒定。同時,無論瓦斯壓力所處的水平如何,在瓦斯解吸初期 (30 min以內(nèi)),其瓦斯解吸速度基本相當(dāng)。

圖 5 帶壓解吸條件下瓦斯解吸量對比Fig.5 Comparison d iagram of gas pressure desorption

含瓦斯煤在帶壓條件下的解吸與常壓下的解吸相比則具有如下規(guī)律:

(1)原始瓦斯壓力為 2.0 MPa時,8 h內(nèi)含瓦斯煤 (圖 6),常壓下的瓦斯解吸量和解吸速度明顯大于帶壓解吸條件下的瓦斯解吸量和解吸速度。

(2)常壓解吸終止時間遠(yuǎn)超前于帶壓解吸的終止時間,即在常壓下瓦斯解吸終止時,帶壓下的瓦斯解吸過程仍在進(jìn)行。

圖 6 帶壓與常壓條件下含瓦斯煤的瓦斯解吸對比Fig.6 Gas desorption of coal conta in ing gas comparison between pressure and at mospheric pressure conditions

4 結(jié) 論

對原始瓦斯處于吸附平衡條件下的含瓦斯煤體進(jìn)行瓦斯抽采時,對于距離鉆孔一定距離位置處的含瓦斯煤,其內(nèi)的瓦斯解吸屬于帶壓解吸。由含瓦斯煤的帶壓與常壓條件下的瓦斯解吸對比實(shí)驗(yàn),以及所得出的帶壓解吸規(guī)律,獲得啟示如下:

(1)含瓦斯煤在帶壓條件下與常壓條件下的解吸之間存在著明顯的區(qū)別。評價瓦斯可采性時,除考慮煤體的含瓦斯量、瓦斯壓力、煤體滲透率等指標(biāo)外,還應(yīng)將瓦斯的解吸指標(biāo)考慮在內(nèi)。此時的瓦斯解吸指標(biāo)采用帶壓解吸條件下的瓦斯解吸指標(biāo)更為符合實(shí)際。

(2)由于帶壓條件下的瓦斯解吸速度要明顯小于常壓條件下瓦斯解吸速度,對該煤層瓦斯抽采時,不能單純以常壓條件下的瓦斯解吸終止時間作為瓦斯抽采的終止時間,否則會使瓦斯抽采后的煤體在回采過程中仍存在工作面瓦斯超限現(xiàn)象。

[1] 張小東,張子戌.煤吸附瓦斯機(jī)理研究的新進(jìn)展[J].中國礦業(yè),2008,17(6):70-72,76.

[2] 曹垚林,仇海生.碎屑狀煤芯瓦斯解吸規(guī)律研究[J].中國礦業(yè),2007,16(12):119-123.

[3] 霍永忠.煤儲層的氣體解吸特性研究 [J].天然氣工業(yè),2004,24(5):24-26.

[4] 魏建平,陳永超,溫志輝.構(gòu)造煤瓦斯解吸規(guī)律研究[J].煤礦安全,2008,39(8):1-3.

[5] 張遂安,葉建平,唐書恒,等.煤對甲烷氣體吸附—解吸機(jī)理的可逆性實(shí)驗(yàn)研究[J].天然氣工業(yè),2005,25(1):44-46.

[6] 張曉靜,溫百根,趙耀江.煤層瓦斯吸附能力實(shí)驗(yàn)研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2008,39(S1):128-130.

[7] 張占存,馬丕梁.水分對不同煤種瓦斯吸附特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報,2008,33(2):144-147.

[8] 牛國慶,顏愛華,劉明舉.瓦斯吸附和解吸過程中溫度變化實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003,22(2):155-157.

[9] 李小彥,解光新.煤儲層吸附時間特征及影響因素[J].天然氣地球科學(xué),2003,14(6):502-505.

[10] 張曉紅,錢春江,彭建新.煤中多元?dú)怏w的吸附與解吸[J].試采技術(shù),2004,25(3):23-24.

[11] 鄭愛玲,王新海,江 山,等.煤層多元?dú)怏w相互作用與替代機(jī)理研究方向 [J].天然氣地球科學(xué),2004,15(4):352-354.

[12] 全國煤炭標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 19560—2008煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

(編輯 晁曉筠)

Exper imental study on gas pressure desorption law governing coal containing gas

ZHANG Guohua, HAN Yonghui, HOU Fengcai, ZHANG Jinpeng
(College of Safety Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TD712.61

A

1671-0118(2011)01-0031-05

2010-11-23

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11513098)

張國華 (1971-),男,黑龍江省訥河人,教授,博士,研究方向:礦山安全,E-mail:zgh710828131@163.com。