煤層溫度與瓦斯賦存狀態(tài)和抽采率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究＊

張美紅 吳世躍 李元星 李長(zhǎng)龍

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024）

近些年來，隨著煤炭大規(guī)模開采，礦井瓦斯涌出量急劇上升，煤礦事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)。研究瓦斯的擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)于揭示煤層突出本質(zhì)、瓦斯流動(dòng)機(jī)理以及瓦斯的開發(fā)利用有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2005年易俊研究了在交變電場(chǎng)聲場(chǎng)作用下煤的吸附解吸特性；2006年唐巨鵬研究了有效應(yīng)力對(duì)瓦斯解吸滲流的影響；2007年孫立軍探討了應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)、壓力場(chǎng)對(duì)瓦斯吸附的影響；2008年姜永東等利用聲震法對(duì)煤吸附解吸進(jìn)行了試驗(yàn)研究；2013年閆凱研究了水分對(duì)煤吸附瓦斯特性的影響。瓦斯吸附、解吸及擴(kuò)散特性受原煤及地溫的影響較大，但對(duì)溫度與瓦斯吸附、擴(kuò)散、采收率關(guān)系的研究較少。本文將就此進(jìn)行研究，為提高瓦斯采收率及防治突出提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

煤巖具有多孔隙介質(zhì)和較大的比表面積，對(duì)氣態(tài)物質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附作用，瓦斯一般以吸附態(tài)賦存于煤層中。由于瓦斯在煤中的吸附為單層的物理吸附，可利用在某一恒溫條件下測(cè)出的每一平衡壓力下單位煤樣氣體吸附量得出該溫度下的Langmuir吸附等溫線，再通過Langmuir公式用回歸分析法求出a，b值。

式中：w——單位煤樣中吸附量，m3／t；

a——朗格繆爾常數(shù)，m3／t；

b——朗格繆爾常數(shù)，MPa-1；

p——瓦斯壓力，MPa。

煤層是孔隙—裂隙二重介質(zhì)，當(dāng)煤塊被研磨到一定尺度后，其中裂隙被完全破壞，僅保留孔隙，即使裂隙沒有被完全破壞，剩余裂隙也非常小，路徑非常短，所以相對(duì)孔隙擴(kuò)散阻力，只剩純擴(kuò)散過程 （瓦斯在裂隙中的運(yùn)移符合達(dá)西滲流，在孔隙中的運(yùn)移符合菲克擴(kuò)散。當(dāng)煤塊被破壞到一定程度，裂隙被完全破壞，只剩孔隙，因此瓦斯的運(yùn)移只剩純擴(kuò)散過程）。在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)過高壓吸附平衡，瞬間釋放游離氣體后，瓦斯在濃度梯度作用下解吸并從微孔隙中擴(kuò)散出來，此為純擴(kuò)散現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)方法

煤樣采自陽泉程莊煤礦9＃煤層，新鮮煤樣在掘進(jìn)工作面嚴(yán)密封裝后，送至實(shí)驗(yàn)室。每一種煤樣都不得少于2 kg，并有5 塊以上塊度不小于3.5cm的煤塊。瓦斯的主要成分為甲烷 （CH4），實(shí)驗(yàn)采用濃度不低于99%高純度的CH4氣體代替具有少量其他成分的瓦斯。

本實(shí)驗(yàn)采用容量法。稱取所測(cè)煤樣50g裝入高壓缸內(nèi)，檢查氣密性后將其放入60℃的恒溫水浴中脫氣4h，后在不同恒溫條件下通過吸入吸附缸的飽和食鹽水體積計(jì)算出低壓吸附量；再向高壓缸內(nèi)注入一定壓力的CH4氣體，在不同溫度的恒溫水浴中平衡4h以上，壓力平衡后分6次將CH4氣體放出，記錄平衡壓力以及排飽和食鹽水的量。計(jì)算出每個(gè)壓力段吸附的CH4量。

最后向高壓缸中充入一定的高壓氣體平衡后，打開高壓閥門瞬間釋放游離態(tài)的CH4氣體使壓力降至一個(gè)大氣壓后采用排飽和食鹽水法測(cè)量含吸附氣體煤樣隨時(shí)間的氣體擴(kuò)散量V 。在實(shí)驗(yàn)過程中記錄實(shí)驗(yàn)室氣體的溫度和大氣壓以供校正。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，分別得出煤樣在20℃、25℃、30℃、35℃、40℃時(shí)不同壓力下CH4吸附量，如圖1。根據(jù)式 （1）和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用回歸分析法求出不同溫度下的吸附平衡常數(shù)a 和b，其隨溫度的變化規(guī)律如圖2和圖3所示。

圖1 不同溫度、不同壓力情況下CH4吸附量

由圖1可知，不同溫度下，吸附量與平衡吸附壓力之間的相關(guān)系數(shù)都在0.98以上，具有較好的相關(guān)性，數(shù)據(jù)比較可靠；相同壓力下，瓦斯吸附量隨著溫度的升高而減少，游離瓦斯增加，當(dāng)孔隙體積不變時(shí)，孔隙壓力增加，抽采時(shí)驅(qū)動(dòng)能增加，產(chǎn)能增大，采收率增加。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)孔隙壓力接近0.7MPa，即達(dá)到殘余孔隙壓力時(shí)，煤層瓦斯抽采井衰竭，若不采取增產(chǎn)措施則失去開采意義。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了進(jìn)一步增加瓦斯回收率，可以采用加熱方法提高煤層溫度達(dá)到提高采收率的目的。如根據(jù)圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將溫度由20℃升高到40℃，殘存壓力不變都為0.78 MPa，噸煤增加瓦斯回收量為4.42 m3／t，平均溫度每升高1℃，增加瓦斯回收量0.221m3／t。

圖2 a隨溫度T 的變化規(guī)律

圖3 b隨溫度T 的變化規(guī)律

由圖2和圖3看出，Langmuir吸附常數(shù)a和b與溫度關(guān)系可用下列擬合方程表示：

式中：T——溫度，℃；

m1、m2、m3、n1、n2——實(shí)驗(yàn)擬合系數(shù)。

本試驗(yàn)的擬合方程為：

Langmuir吸附常數(shù)a 為給定溫度下，煤吸附瓦斯的最大吸附量，即飽和吸附量。由于煤體對(duì)瓦斯的吸附為物理吸附且是放熱過程，所以當(dāng)溫度上升時(shí)，解吸過程增強(qiáng)且氣體分子運(yùn)動(dòng)加快，在煤體表面停留時(shí)間減少，使吸附量減少，所以Langmuir吸附常數(shù)a 隨溫度的升高而降低。不同溫度下解吸CH4含量及CH4擴(kuò)散速度隨時(shí)間t的變化規(guī)律見圖4和圖5。

由圖4可看出，擴(kuò)散量隨溫度的增加而增大。這是因?yàn)闇囟仍黾樱后w內(nèi)瓦斯分子的動(dòng)能增加，增強(qiáng)了其脫離吸附狀態(tài)的能力，擴(kuò)散解吸量增大；反之，溫度降低抑制了解吸作用。根據(jù)此原理，實(shí)際中可以利用外加電場(chǎng)的焦耳熱效應(yīng)、交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的熱量或超聲波摩擦生熱等方法使煤層溫度升高達(dá)到促進(jìn)瓦斯解吸，提高瓦斯解吸速率，增加瓦斯采收率的目的。溫度相同時(shí)，每一點(diǎn)斜率就是所對(duì)應(yīng)此溫度下瓦斯擴(kuò)散速度，隨著時(shí)間的變化，瓦斯擴(kuò)散速度逐漸減小。

圖4 不同溫度下解吸CH4含量隨時(shí)間t的變化規(guī)律

圖5 不同溫度下CH4擴(kuò)散速度隨時(shí)間t的變化規(guī)律

由圖5可以看出，瓦斯擴(kuò)散速度隨溫度升高而增大。由于瓦斯在煤體中的擴(kuò)散速度大小主要受小孔中瓦斯擴(kuò)散速度的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，煤體中的小孔受膨脹逐漸變大，致使擴(kuò)散速度增大。不同溫度下，擴(kuò)散速度隨時(shí)間變化規(guī)律都可采用如下公式做統(tǒng)計(jì)分析：

式中：v——擴(kuò)散速度，m3／ （t·min）；

A——擴(kuò)散初速度，m3／ （t·min）；

t——時(shí)間，min；

B——擴(kuò)散速度隨時(shí)間變化的衰減系數(shù)，1／min。

不同溫度下A、B 值如表1所示。

表1 不同溫度下對(duì)應(yīng)的A、B 值

從表1可以看出，A、B 值都隨溫度的升高而增大，說明溫度越高，擴(kuò)散初速度越大，擴(kuò)散速度隨時(shí)間延長(zhǎng)衰減越迅速。

瓦斯擴(kuò)散初速度主要取決于瓦斯壓力、滲透率等因素，而這些因素揭示了煤層的突出本質(zhì)。在《防治突出細(xì)則》中使用擴(kuò)散初速度作為突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的主要指標(biāo)。從圖4和圖5中可以看出，擴(kuò)散初速度及擴(kuò)散速度的衰減隨溫度升高而加快，據(jù)此現(xiàn)場(chǎng)可利用降低煤層溫度的方法來降低瓦斯擴(kuò)散初速度從而減小煤層的突出危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

（1）吸附量隨溫度的升高而減少，表明溫度降低會(huì)抑制瓦斯解吸。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明：Langmuir吸附常數(shù)a 和b 值都隨溫度的升高而降低，a 隨溫度變化符合二次函數(shù)關(guān)系，b則符合線性函數(shù)關(guān)系。

（3）利用不同溫度下，瓦斯擴(kuò)散量隨著溫度的升高而增大的結(jié)論以及相關(guān)物理學(xué)原理，可采用煤層外加的電場(chǎng)、交變電磁場(chǎng)、功率超聲波等方法提高煤層溫度，促進(jìn)瓦斯解吸和增大擴(kuò)散速率，從而提高瓦斯抽采率，且平均溫度每升高1℃，增加瓦斯回收量0.221m3／t。

（4）瓦斯擴(kuò)散初速度是影響突出的重要因素。溫度越高，擴(kuò)散初速度越大，煤層的突出危險(xiǎn)性越高。所以降低煤層溫度，可以減小煤層的突出危險(xiǎn)性。

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