侯 捷 程五一 盛真可 季淮君

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海市閔行區(qū)，201109)

瓦斯解吸是瓦斯突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)和煤層瓦斯資源勘探開發(fā)不可或缺的基礎(chǔ)參數(shù)，而溫度對(duì)于煤層瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)有著重要的影響。目前煤體瓦斯吸附解吸研究多是在等溫條件下進(jìn)行，變溫解吸研究較少。但對(duì)于深部煤層，由于煤的導(dǎo)熱系數(shù)較小，煤系地層對(duì)地下熱起到阻隔作用，使煤層地溫較高，開采時(shí)需預(yù)先對(duì)工作面環(huán)境進(jìn)行降溫處理，實(shí)際瓦斯解吸溫度低于吸附溫度。由于高地溫煤層瓦斯解吸過程受環(huán)境降溫的影響，使得深部煤層開采時(shí)，瓦斯解吸量預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確。

前人對(duì)等溫條件下瓦斯的吸附解吸規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，試驗(yàn)證明煤的瓦斯吸附解吸現(xiàn)象基本符合Langmuir方程。李志強(qiáng)、聶百勝等對(duì)不同環(huán)境溫度煤的瓦斯解吸規(guī)律的研究表明，隨著溫度升高，煤體瓦斯解吸速度越快，相同解吸時(shí)間下的瓦斯解吸量越大。由此可推測(cè)，溫度越低，煤的瓦斯放散速度會(huì)越小，相同解吸時(shí)間下的瓦斯解吸量也越小。但是當(dāng)前學(xué)者對(duì)于高溫煤層瓦斯降溫解吸的研究比少，使得高溫礦井開采時(shí)瓦斯涌出規(guī)律難以預(yù)測(cè)。因此，通過試驗(yàn)改變煤體瓦斯的吸附解吸溫度，研究環(huán)境降溫對(duì)煤層瓦斯解吸的影響，對(duì)高地溫煤層的安全開采具有重要意義。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品制備

本試驗(yàn)選取唐口煤礦5301工作面新鮮暴露煤作為試驗(yàn)煤樣，采集后迅速密封并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行粉碎、篩分，選取粒度為1～3 mm的煤樣，裝入玻璃密封干燥容器中保存。為避免水分對(duì)顆粒煤瓦斯解吸規(guī)律的影響，將試驗(yàn)煤樣放入100℃真空環(huán)境干燥6 h，干燥后放入冷卻干燥塔中密封保存，作為試驗(yàn)樣品。試驗(yàn)煤樣的基本物理參數(shù)：煤樣采集點(diǎn)地溫為45℃，堅(jiān)固性系數(shù)f為0.77，真相對(duì)密度為1.36 g/cm3，視相對(duì)密度為1.28 g/cm3，孔隙率為0.06%，水分Mad為0%，灰分Aad為12.65%，揮發(fā)分Vdaf為42.6%，吸附常數(shù)a為22.292 cm3/g，吸附常數(shù)b為1.027 MPa-1。

1.2 試驗(yàn)裝置

瓦斯解吸儀器在關(guān)于煤甲烷吸附量測(cè)定方法(MT/T752-1997)的試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上裝配，如圖1所示，主要包括脫氣單元、充氣單元、溫度控制單元和瓦斯吸附-解吸單元。在模擬試驗(yàn)中，為保證煤樣吸附-解吸時(shí)溫度準(zhǔn)確，設(shè)置2個(gè)不同溫度的恒溫水浴并用空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

1-卡套針閥；2-壓力表；3-高壓甲烷氣瓶；4-充氣管；5-大煤樣罐；6-小煤樣罐；7-真空表；8-真空泵；9-解吸儀；10-恒溫水槽圖1 瓦斯解吸儀器原理圖

試驗(yàn)開始前，取3個(gè)煤樣罐分別裝入600 g干燥煤樣并編號(hào)，將各煤樣罐裝入試驗(yàn)裝置中，進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)氣密性檢測(cè)。證明系統(tǒng)不漏氣后，設(shè)定恒溫水箱加熱到60℃(溫控精度為±1℃)，開啟真空泵對(duì)煤樣真空脫氣，直到真空表顯示-0.1 MPa后保持4 h，完成真空脫氣，關(guān)閉真空泵。

1.3 瓦斯吸附

調(diào)節(jié)恒溫水箱溫度，使煤樣罐周圍水溫保持在45℃(溫控精度為±1℃)；擰開濃度為99.9%高純瓦斯鋼瓶，向充氣罐中充入一定量的瓦斯氣體，關(guān)閉系統(tǒng)補(bǔ)氣閥門；打開充氣閥門，分別向各個(gè)煤樣罐充入設(shè)定壓力為0.3 MPa、0.5 MPa、0.8 MPa的瓦斯氣體，關(guān)閉系統(tǒng)充氣閥門，讓煤樣充分吸附瓦斯氣體；當(dāng)煤樣罐中瓦斯壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，多次向煤樣罐補(bǔ)氣，直到煤樣吸附到設(shè)定的平衡壓力。當(dāng)煤樣罐中的煤樣(粒度為1～3 mm)吸附瓦斯氣體達(dá)8 h，即可認(rèn)為煤樣吸附過程達(dá)到平衡。

1.4 瓦斯解吸

調(diào)節(jié)恒溫水浴到設(shè)定的解吸溫度(45℃、35℃、25℃)，當(dāng)恒溫水箱的溫度達(dá)到并保持在試驗(yàn)需要溫度時(shí)，開始煤樣的瓦斯解吸測(cè)定工作。其測(cè)定過程如下所示：

(1)測(cè)定并記錄恒溫水箱的實(shí)際溫度、室溫和大氣壓力。

(2)打開連接真空氣袋的閥門，使煤樣罐內(nèi)的游離瓦斯氣體進(jìn)入真空氣袋，當(dāng)對(duì)應(yīng)煤樣罐的壓力表讀數(shù)為零時(shí)，立即關(guān)閉連接真空氣袋的閥門，打開連接解吸儀的閥門，同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)。

(3)第一分鐘，每隔10 s讀取并記錄解吸儀器量筒的瓦斯解吸量，從第二分鐘開始，每隔1 min讀取并記錄瓦斯解吸量，解吸到120 min后終止。

為更有效對(duì)比考察煤樣在解吸溫度變化條件下的瓦斯解吸特征參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)束后，需將模擬得到的實(shí)測(cè)瓦斯解吸量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同解吸溫度對(duì)顆粒煤瓦斯解吸量影響分析

為了研究顆粒煤在一定的吸附壓力平衡狀態(tài)下，環(huán)境溫度變化對(duì)瓦斯解吸規(guī)律的影響，在試驗(yàn)?zāi)M吸附-解吸環(huán)境的基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)煤樣在吸附平衡壓力為0.3 MPa、0.5 MPa和0.8 MPa條件時(shí)，不同解吸環(huán)境溫度的解吸數(shù)據(jù)。吸附溫度45℃時(shí)，各吸附平衡壓力下，不同解吸溫度時(shí)的煤樣解吸瓦斯量隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 吸附溫度45℃時(shí)，各吸附平衡壓力下，不同解吸溫度下的解吸量

由圖2可以得出，在吸附平衡壓力一定時(shí)，煤樣的瓦斯解吸量隨著解吸時(shí)間的延長(zhǎng)呈單調(diào)遞增函數(shù)曲線，解吸瓦斯總量趨于一個(gè)常數(shù)，解吸溫度越高，煤樣在相同時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)瓦斯解吸量越大。煤樣在開始解吸的0～2 min時(shí)間段內(nèi)，瓦斯解吸增量較大，解吸速率較快。

2.2 不同解吸溫度對(duì)顆粒煤瓦斯解吸速度影響分析

由圖2得出，溫度對(duì)瓦斯解吸特征值的影響主要體現(xiàn)在煤樣從吸附平衡狀態(tài)到卸壓暴露后的短時(shí)瓦斯解吸量變化，因此，研究煤樣在突然暴露于空氣介質(zhì)后的初始瓦斯解吸速度V是考察瓦斯解吸時(shí)受溫度影響的一個(gè)很重要指標(biāo)。不同解吸溫度下的解吸速度如圖3所示。由圖3可以看出，相同吸附平衡壓力下，隨著解吸溫度的變化，同時(shí)刻瓦斯解吸速率各不相同，煤樣初始解吸階段溫度越高，解吸速度越快，瓦斯解吸量越大，且在相同時(shí)間段內(nèi)速度衰減越快。

3 高溫煤層瓦斯降溫解吸計(jì)算

由前述可得出相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)處Vt值(Vt表示第t分鐘的解吸速度)，見表1。為了能夠定量分析解吸速度V同解吸溫度T之間的相關(guān)性，以解吸溫度25℃、吸附平衡壓力為0.3 MPa的解吸速度為基準(zhǔn)，研究不同吸附平衡壓力下，解吸速度V與溫度間的變化關(guān)系。各解吸溫度下的Vt與25℃的解吸速度V之比，作為溫度對(duì)煤的瓦斯解吸速度的影響系數(shù)γ，其中25℃的解吸速度V設(shè)定為參數(shù)“1”，γ0.3、γ0.5和γ0.8分別代表相應(yīng)吸附平衡壓力下的溫度影響系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

圖3 不同解吸溫度下的解吸速度

V0.5/mL·(g·min)-10.3 MPa0.5 MPa0.8 MPaV1/mL·(g·min)-10.3 MPa0.5 MPa0.8 MPaV2/mL·(g·min)-10.3 MPa0.5 MPa0.8 MPa25℃0.0120.020.030.0060.010.0170.0020.0030.00535℃0.0150.0250.0360.0080.0130.020.0030.0040.00745℃0.0180.030.0480.0090.0150.0240.0030.0050.009

表2 不同解吸溫度下Vt值的影響系數(shù)

由表1和表2中各解吸溫度下的Vt值的影響系數(shù)，可回歸得出不同時(shí)間段內(nèi)，各平衡壓力下，解吸溫度V與修正系數(shù)γ之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

通過回歸分析得到修正系數(shù)與解吸溫度之間的變化關(guān)系基本形式符合如下等式：

γ(T)=ea(T-25)

(1)

式中：γ(T)——溫度對(duì)顆粒煤瓦斯解吸速度的修正系數(shù)；

a——回歸系數(shù)；

T——瓦斯解吸溫度，℃。

回歸系數(shù)a的值見表3。

表3 各時(shí)間點(diǎn)不同壓強(qiáng)下回歸系數(shù)值

備注：a0.5、a1、a2分別為0.5 min、1 min、2 min時(shí)的回歸系數(shù)值

由表3得出，同一時(shí)間點(diǎn)處不同壓強(qiáng)下的回歸系數(shù)基本穩(wěn)定，忽略壓強(qiáng)對(duì)回歸系數(shù)的影響，取其均值作為各時(shí)間下的回歸系數(shù)。

圖4 解吸速度Vt隨溫度變化的比例系數(shù)回歸分析度

對(duì)各時(shí)間點(diǎn)處的解吸速度與溫度之間的修正系數(shù)做回歸結(jié)果分析：

γ0.5=exp(0.0214 (T-25))

γ1=exp(0.0193(T-25))

γ2=exp(0.0251 (T-25))

(2)

由上述修正系數(shù)公式可以得出，隨著解吸時(shí)間的增加，修正系數(shù)基本保持穩(wěn)定，回歸系數(shù)取均值0.0219，即瓦斯解吸速度隨溫度變化的修正系數(shù)為：

γ(T)=e0.0219(T-25)

(3)

從而在以解吸溫度為25℃為基準(zhǔn)的條件下，其他解吸溫度各時(shí)間點(diǎn)的解吸速度公式可修正為：

VT(t)=V25(t)·γ

(4)

式中：VT(t)——解吸溫度T時(shí)，t時(shí)刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

V25(t)——解吸溫度25℃時(shí)，t時(shí)刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

t——解吸時(shí)間，s；

T——煤樣的解吸溫度，℃。

當(dāng)前通用的瓦斯解吸速度經(jīng)驗(yàn)公式可用“文特式”表示：

(5)

式中：Vt——t時(shí)刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

Va——ta時(shí)刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

kt——常數(shù)，0

取解吸時(shí)間ta=1 min時(shí)，Va=V1，則第t分鐘瓦斯解吸速度為：

Vt=V1·t-kt

(6)

則在x時(shí)間內(nèi)累計(jì)瓦斯解吸量為：

(7)

上述公式為計(jì)算瓦斯解吸量的普遍應(yīng)用公式，但上述公式的建立沒有考慮環(huán)境溫度變化所引起的解吸量變化。由于瓦斯在不同時(shí)間點(diǎn)上的解吸速度受解吸溫度的影響，因此，解吸速度修正系數(shù)γ(T)的確定有利于較準(zhǔn)確地測(cè)定煤層瓦斯含量。本研究以25℃解吸溫度為基準(zhǔn)，推導(dǎo)解吸環(huán)境溫度改變的條件下，相同時(shí)間段內(nèi)不同解吸溫度時(shí)的瓦斯解吸速度。故在25℃的基準(zhǔn)溫度下，得出在解吸溫度為T時(shí)，t時(shí)刻累計(jì)瓦斯解吸量為：

(8)

式中：Q25(t)——解吸溫度25℃時(shí)，t時(shí)刻的瓦斯解吸量，mL/g。

以上分析計(jì)算，考慮了煤層瓦斯在不同解吸溫度下的解吸速度變化情況，通過數(shù)據(jù)擬合，推算各溫度下的解吸速度對(duì)于25℃解吸速度的修正系數(shù)γ。從而可為高溫礦井采取不同溫度的降溫措施后，礦井瓦斯涌出預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

4 結(jié)語

(1)高地溫煤層開采時(shí)的降溫過程，影響煤層瓦斯實(shí)際涌出量，通過設(shè)定不同解吸溫度的瓦斯吸附-解吸試驗(yàn)證明，巷道降溫會(huì)抑制高地溫煤層的瓦斯涌出速度和涌出量。

(2)試驗(yàn)揭示了在保持吸附溫度一定、吸附平衡壓力相同的條件下，解吸環(huán)境溫度越高，相同時(shí)間間隔內(nèi)累計(jì)瓦斯解吸總量、瓦斯解吸增量及初始解吸速度越大，相同時(shí)間段內(nèi)的瓦斯解吸量及瓦斯解吸速度變化也越大。

(3)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析瓦斯解吸速度V受溫度影響時(shí)的衰減變化規(guī)律，擬合得出吸附溫度25℃時(shí)，不同解吸環(huán)境溫度對(duì)瓦斯解吸速度V的修正系數(shù)為：γ(T)=e0.0219(T-25)。同時(shí)推導(dǎo)出各解吸溫度t時(shí)刻時(shí)，累積瓦斯解吸量計(jì)算公式為QT(t)=γ(T)·Q25(t)。

(4)在其他煤層瓦斯解吸量測(cè)定時(shí)，由于存在煤質(zhì)較硬、取樣時(shí)鉆桿發(fā)熱導(dǎo)致的顆粒煤溫度過高等情況，瓦斯含量、瓦斯解吸指標(biāo)等參數(shù)的確定會(huì)受到溫度的影響，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果與實(shí)際誤差相差較大，解吸速度修正系數(shù)γ同樣可以修正溫度對(duì)瓦斯損失量和解吸總量的影響，提高測(cè)試精度。

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