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        煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散試驗(yàn)方法及規(guī)律研究

        2017-09-13 17:29:49許順貴
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2017年20期
        關(guān)鍵詞:試驗(yàn)

        許順貴

        摘 要:為研究煤粒瓦斯的解吸擴(kuò)散規(guī)律,筆者利用TerraTek ISO-300/310等溫吸附/解吸儀和SH-CBM8全自動(dòng)高精度煤層氣/頁巖氣含氣量多路測(cè)定儀,成功設(shè)計(jì)出一套簡單易操作的煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法。結(jié)合經(jīng)典擴(kuò)散理論模型進(jìn)行煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn),研究探討了實(shí)驗(yàn)過程中溫度和吸附平衡壓力對(duì)于煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)的影響。

        關(guān)鍵詞:煤粒瓦斯 試驗(yàn) 擴(kuò)散理論

        中圖分類號(hào):TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)07(b)-0086-04

        研究煤粒瓦斯的擴(kuò)散規(guī)律,對(duì)于研究煤中瓦斯含量和預(yù)防瓦斯突出事故具有重要意義。雖然近年來國內(nèi)外學(xué)者積極參與煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散的試驗(yàn)研究,然而目前對(duì)于煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚不完善,測(cè)定煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)方法仍然有待改進(jìn)。筆者利用TerraTek ISO-300/310等溫吸附/解吸儀和SH-CBM8全自動(dòng)高精度煤層氣/頁巖氣含氣量多路測(cè)定儀,成功設(shè)計(jì)出一套簡便可行的煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法并給出煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0的計(jì)算方法和理論模型。通過煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn),研究了試驗(yàn)溫度和吸附平衡壓力對(duì)于煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)的影響,進(jìn)而研究溫度和吸附平衡壓力對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散的影響。

        對(duì)于煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的研究始于1951年劍橋大學(xué)Richard M. Barrer[1]提出的經(jīng)典擴(kuò)散模型。20世紀(jì)60年代首次將經(jīng)典擴(kuò)散理論應(yīng)用于礦業(yè)領(lǐng)域,用經(jīng)典擴(kuò)散模型法計(jì)算初始短時(shí)間內(nèi)的煤中瓦斯擴(kuò)散系數(shù)。國內(nèi)關(guān)于煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的研究始于1986年,楊其鑾、王佑安等人[2]最先導(dǎo)出了經(jīng)典擴(kuò)散模型的精確解吸簡化式。其后,2001年聶百勝、郭勇義等人[3]引入第三類邊界條件,基于長時(shí)間解吸擴(kuò)散導(dǎo)出經(jīng)典模型的三角函數(shù)表達(dá)式,取其中第一項(xiàng)n=1,近似計(jì)算擴(kuò)散系數(shù),然而其結(jié)果與經(jīng)典擴(kuò)散模型試驗(yàn)值仍存在較大偏差。在此之后,Shi JQ,Durucan[4]提出了精度更高的雙孔隙模型;劉彥偉[5]提出了三孔隙模型;李志強(qiáng)、劉勇等[6]提出了動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)新模型理論,指出經(jīng)典擴(kuò)散模型是動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)新模型的極長和極短時(shí)間內(nèi)的特例,并不能準(zhǔn)確描述擴(kuò)散中期的情況。然而由于以上方法在計(jì)算上過于復(fù)雜,均難以推廣到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中。

        以上前人的研究成果,在不同程度上揭示了煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散過程及機(jī)理,但仍沒有簡單有效的數(shù)學(xué)模型描述煤粒瓦斯擴(kuò)散的整體規(guī)律。長久以來煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散過程的研究一直難以突破,其中很重要的一個(gè)原因就是沒有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一且易于推廣的試驗(yàn)設(shè)備和方法,而前人所作的試驗(yàn)均是各成一派。自制試驗(yàn)設(shè)備對(duì)于普通試驗(yàn)室來說難以實(shí)現(xiàn),加之沒有統(tǒng)一的方法和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn),致使煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散的研究一直停滯不前。在以前的一些研究中,試驗(yàn)缺少必要步驟,其中試驗(yàn)沒有將吸附平衡后樣品缸內(nèi)的瓦斯壓力清零的情況時(shí)常出現(xiàn),致使測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。因此,為探明煤粒瓦斯的解吸擴(kuò)散規(guī)律,急需一套步驟完整且標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的試驗(yàn)方法。

        1 煤粒瓦斯擴(kuò)散試驗(yàn)新方法

        1.1 試驗(yàn)設(shè)備

        為打破技術(shù)條件對(duì)于研究煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律的束縛,在此筆者設(shè)計(jì)出一套簡便可行的煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法,該方法具有設(shè)備成型、易于推廣、壓力可控范圍大、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。所用試驗(yàn)設(shè)備主要包括兩部分,TerraTek ISO-300/310等溫吸附/解吸儀和SH-CBM8全自動(dòng)高精度煤層氣/頁巖氣含氣量多路測(cè)定儀,分別構(gòu)成測(cè)試裝置的脫氣、充氣、吸附平衡單元和瓦斯擴(kuò)散測(cè)量單元。等溫吸附儀作為充氣、脫氣和吸附平衡單元使用,可同時(shí)進(jìn)行4組樣品測(cè)試,測(cè)量最大壓力為40MPa,精確度為0.25%。高精度含氣量解吸儀的使用,可每30s自動(dòng)記錄一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),其測(cè)試精確度為0.01mL,相對(duì)于傳統(tǒng)的排水集氣法所測(cè)得數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn),免去了試驗(yàn)中因?yàn)槿藶橐蛩卦斐傻恼`差。兩個(gè)裝置之間通過導(dǎo)氣管和快速接頭連接,相對(duì)于前人自制的試驗(yàn)設(shè)備,該套裝置具有組裝操作簡便、設(shè)備穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

        1.2 試驗(yàn)操作步驟

        (1)樣品制備,按照GB/T 474制取粒度為0.25mm至0.18mm(60目~80目)的煤樣,設(shè)置烘干箱溫度105℃,在烘干箱內(nèi)烘干8h。(2)獲得煤樣工業(yè)分析和煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)。(3)試樣裝缸,稱取烘干后煤樣80g,迅速裝入等溫吸附儀樣品缸內(nèi)。(4)試驗(yàn)溫度,設(shè)置并調(diào)節(jié)油浴溫度,使樣品缸和參考缸的溫度穩(wěn)定在儲(chǔ)層溫度(或設(shè)定試驗(yàn)溫度)。(5)氣密性檢測(cè),向等溫吸附/解吸儀參考缸和樣品缸充入氦氣,壓力高于試驗(yàn)平衡壓力1MPa,觀察參考缸和樣品缸壓力數(shù)據(jù),6h內(nèi)保持不變,則視為系統(tǒng)氣密性良好。(6)設(shè)備連接,通過導(dǎo)氣管連接等溫吸附/解吸儀集氣口和高精度含氣量解吸儀進(jìn)氣口。(7)煤樣脫氣,等溫吸附/解吸儀排氣管處連接真空泵,系統(tǒng)抽真空脫氣6h。(8)清洗氣路,向系統(tǒng)內(nèi)以低于試驗(yàn)平衡壓力充入甲烷,片刻后打開排氣閥門排凈甲烷,如此重復(fù)3次。(9)吸附平衡壓力,打開甲烷鋼瓶,吸附平衡壓力設(shè)置為1MPa,向系統(tǒng)內(nèi)充入甲烷氣體。(10)吸附平衡時(shí)間,為使煤樣充分吸附甲烷,給定吸附瓦斯平衡時(shí)間不少于12h。(11)排氣,吸附平衡結(jié)束后,打開排氣閥排除樣品缸內(nèi)死體積中氣體壓力,待樣品缸、參考缸內(nèi)壓力為0時(shí),迅速關(guān)閉排氣閥門,此過程時(shí)間極短一般為3~5s。(12)數(shù)據(jù)采集,開啟等溫吸附/解吸儀集氣系統(tǒng)閥門和高精度含氣量解吸儀數(shù)據(jù)采集程序,程序自動(dòng)采集樣品缸內(nèi)煤樣瓦斯累計(jì)擴(kuò)散量,設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為0.5min,連續(xù)記錄10min,記下試驗(yàn)室的氣溫、大氣壓力作為校正之用并填寫數(shù)據(jù)記錄文件。

        1.3 煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)

        煤粒瓦斯吸附達(dá)到平衡后,突然將其暴露于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,使得其瓦斯?jié)舛冉档?,煤粒?nèi)部和表面上形成濃度差,吸附狀態(tài)的瓦斯解吸為游離態(tài),解吸過程可認(rèn)為是瞬時(shí)完成的,進(jìn)而產(chǎn)生瓦斯由煤粒中心向表面的擴(kuò)散現(xiàn)象。endprint

        2 初始有效擴(kuò)散系數(shù)的影響因素

        2.1 吸附平衡壓力對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散的影響

        在此之前,聶百勝、楊濤等人[9、10]對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)與吸附平衡壓力的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究認(rèn)為,吸附平衡壓力越大,對(duì)應(yīng)的煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)越大。筆者經(jīng)過試驗(yàn)認(rèn)為其所得結(jié)論與基本擴(kuò)散理論所得數(shù)據(jù)不符并且筆者經(jīng)過試驗(yàn)證明煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)與其吸附平衡壓力并無明顯關(guān)系。分別在1/2/3/4/5MPa壓力下進(jìn)行等溫吸附,再經(jīng)過瞬時(shí)的排氣放壓排除樣品缸中死體積的氣體壓力,模擬突然暴露在大氣壓下的解吸過程,壓力歸零后每隔30s測(cè)定各吸附平衡壓力下的煤粒瓦斯擴(kuò)散量。經(jīng)研究認(rèn)為,之所以與前者試驗(yàn)結(jié)果不一致,主要在于試驗(yàn)測(cè)試方法上,前者在試驗(yàn)過程中沒有對(duì)樣品缸中的壓力進(jìn)行清零,導(dǎo)致死體積中的壓力對(duì)解吸擴(kuò)散過程測(cè)量的數(shù)據(jù)造成影響,造成死體積內(nèi)的壓力被代入計(jì)算結(jié)果。因此勢(shì)必會(huì)造成吸附壓力越大解吸擴(kuò)散量越大的假象,進(jìn)而導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量結(jié)果失真。

        為研究平衡壓力對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散的影響,在試驗(yàn)室分別對(duì)所制備的1#、2#兩份煤樣進(jìn)行煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn),在測(cè)試過程中控制煤樣的粒度均為0.18~0.25mm、溫度環(huán)境均為30℃。令其分別在1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa壓力下進(jìn)行甲烷的吸附平衡,經(jīng)擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果見表1,圖1為煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)隨吸附平衡壓力變化的曲線。

        從圖1中可以看出,1#煤樣瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)最大值為6.3645MPa,最小值為3.8337MPa,且變化無規(guī)律可循。隨著吸附壓力從1MPa增大至5MPa,煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)變化范圍在一倍之內(nèi),由于煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0變化范圍通常在1~2個(gè)數(shù)量級(jí),因此可以認(rèn)為吸附平衡壓力對(duì)煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0的測(cè)定值影響不大,理論與實(shí)測(cè)結(jié)果相一致。因此,在測(cè)煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)時(shí),為便于研究通常選取1MPa作為吸附平衡壓力。

        2.2 溫度對(duì)瓦斯擴(kuò)散系數(shù)D的影響

        各專家對(duì)溫度和煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系結(jié)論不一[11、12]。本次試驗(yàn)旨在通過探討溫度和煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律,進(jìn)而探明溫度對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散的影響。

        目前研究中存在兩種試驗(yàn)方式,分別是同壓不同溫度吸附平衡后的恒溫?cái)U(kuò)散試驗(yàn)和同壓同溫吸附后的升溫?cái)U(kuò)散試驗(yàn),對(duì)于以上兩種方法前人均得出不相同的結(jié)論。筆者在此認(rèn)為由于后者試驗(yàn)的升溫過程,在正常的測(cè)試環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn),且處于升溫過程中也難以斷定具體時(shí)刻的擴(kuò)散量所對(duì)應(yīng)的具體溫度,故而這里認(rèn)為此種分析手段不具有可行性,本次試驗(yàn)不進(jìn)行討論。僅對(duì)同壓不同溫度吸附平衡后的恒溫?cái)U(kuò)散試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行論證。

        為研究溫度對(duì)測(cè)試煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)究竟有什么樣的影響,在試驗(yàn)室里分別對(duì)制備的3#煤樣和4#煤樣進(jìn)行煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn),在試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)儀器油浴溫度來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)溫度的改變。對(duì)比分析同一個(gè)樣品在不同溫度環(huán)境下測(cè)得的煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0,分析3#煤樣和4#煤樣在煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定中是否具有相同的試驗(yàn)現(xiàn)象規(guī)律。表2為煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果。圖2為煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化的曲線圖。

        從圖2中,可以看出,3#煤和4#煤樣在測(cè)試過程中,初始有效擴(kuò)散系數(shù)總體上是隨著溫度的增加而增大,也就是說初始有效擴(kuò)散系數(shù)D0和試驗(yàn)溫度T呈現(xiàn)正相關(guān)性。這與聶百勝、李志強(qiáng)等人[6、10]的研究結(jié)果相同,證明本次試驗(yàn)結(jié)論符合事實(shí)。由于溫度升高導(dǎo)致甲烷分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,分子動(dòng)能增加進(jìn)而導(dǎo)致煤粒瓦斯擴(kuò)散能力增強(qiáng),表現(xiàn)為初始有效擴(kuò)散系數(shù)增大。

        3 結(jié)論

        (1)給出了煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的試驗(yàn)方法,煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)的理論模型和計(jì)算方法,分別測(cè)得本次試驗(yàn)樣品的煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)。

        (2)經(jīng)過本次試驗(yàn)論證了吸附平衡壓力與煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)之間沒有明顯線性關(guān)系,進(jìn)而證明吸附平衡壓力不會(huì)對(duì)煤粒瓦斯擴(kuò)散造成明顯影響。否定了聶百勝等人關(guān)于吸附平衡壓力與煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)正相關(guān)的論點(diǎn)指出其試驗(yàn)方法上存在的問題。筆者在此問題上與楊其鑾等人的觀點(diǎn)保持一致。

        (3)指出在溫度對(duì)于煤粒瓦斯擴(kuò)散能力的影響試驗(yàn)中,同壓不同溫吸附平衡下的恒溫解吸擴(kuò)散試驗(yàn)才具有現(xiàn)實(shí)意義,否定了前人關(guān)于溫度與煤粒瓦斯擴(kuò)散系數(shù)呈負(fù)相關(guān)的論點(diǎn)。證明了隨著試驗(yàn)溫度的增加煤粒瓦斯初始有效擴(kuò)散系數(shù)增大,擴(kuò)散能力增強(qiáng)。

        參考文獻(xiàn)

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