降溫過程對高地溫煤層瓦斯解吸的影響

侯 捷 程五一 盛真可 季淮君

(1.中國地質大學(北京)工程技術學院，北京市海淀區，100083；2.上海宇航系統工程研究所，上海市閔行區，201109)

瓦斯解吸是瓦斯突出危險性區域預測和煤層瓦斯資源勘探開發不可或缺的基礎參數，而溫度對于煤層瓦斯涌出量的預測有著重要的影響。目前煤體瓦斯吸附解吸研究多是在等溫條件下進行，變溫解吸研究較少。但對于深部煤層，由于煤的導熱系數較小，煤系地層對地下熱起到阻隔作用，使煤層地溫較高，開采時需預先對工作面環境進行降溫處理，實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境降溫的影響，使得深部煤層開采時，瓦斯解吸量預測不準確。

前人對等溫條件下瓦斯的吸附解吸規律進行了深入的研究，試驗證明煤的瓦斯吸附解吸現象基本符合Langmuir方程。李志強、聶百勝等對不同環境溫度煤的瓦斯解吸規律的研究表明，隨著溫度升高，煤體瓦斯解吸速度越快，相同解吸時間下的瓦斯解吸量越大。由此可推測，溫度越低，煤的瓦斯放散速度會越小，相同解吸時間下的瓦斯解吸量也越小。但是當前學者對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瓦斯涌出規律難以預測。因此，通過試驗改變煤體瓦斯的吸附解吸溫度，研究環境降溫對煤層瓦斯解吸的影響，對高地溫煤層的安全開采具有重要意義。

1 試驗

1.1 樣品制備

本試驗選取唐口煤礦5301工作面新鮮暴露煤作為試驗煤樣，采集后迅速密封并帶回實驗室進行粉碎、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。為避免水分對顆粒煤瓦斯解吸規律的影響，將試驗煤樣放入100℃真空環境干燥6 h，干燥后放入冷卻干燥塔中密封保存，作為試驗樣品。試驗煤樣的基本物理參數：煤樣采集點地溫為45℃，堅固性系數f為0.77，真相對密度為1.36 g/cm3，視相對密度為1.28 g/cm3，孔隙率為0.06%，水分Mad為0%，灰分Aad為12.65%，揮發分Vdaf為42.6%，吸附常數a為22.292 cm3/g，吸附常數b為1.027 MPa-1。

1.2 試驗裝置

瓦斯解吸儀器在關于煤甲烷吸附量測定方法(MT/T752-1997)的試驗系統基礎上裝配，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。在模擬試驗中，為保證煤樣吸附-解吸時溫度準確，設置2個不同溫度的恒溫水浴并用空調調節室內溫度。

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

試驗開始前，取3個煤樣罐分別裝入600 g干燥煤樣并編號，將各煤樣罐裝入試驗裝置中，進行試驗系統氣密性檢測。證明系統不漏氣后，設定恒溫水箱加熱到60℃(溫控精度為±1℃)，開啟真空泵對煤樣真空脫氣，直到真空表顯示-0.1 MPa后保持4 h，完成真空脫氣，關閉真空泵。

1.3 瓦斯吸附

調節恒溫水箱溫度，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，關閉系統補氣閥門；打開充氣閥門，分別向各個煤樣罐充入設定壓力為0.3 MPa、0.5 MPa、0.8 MPa的瓦斯氣體，關閉系統充氣閥門，讓煤樣充分吸附瓦斯氣體；當煤樣罐中瓦斯壓力低于設定壓力時，多次向煤樣罐補氣，直到煤樣吸附到設定的平衡壓力。當煤樣罐中的煤樣(粒度為1～3 mm)吸附瓦斯氣體達8 h，即可認為煤樣吸附過程達到平衡。

1.4 瓦斯解吸

調節恒溫水浴到設定的解吸溫度(45℃、35℃、25℃)，當恒溫水箱的溫度達到并保持在試驗需要溫度時，開始煤樣的瓦斯解吸測定工作。其測定過程如下所示：

(1)測定并記錄恒溫水箱的實際溫度、室溫和大氣壓力。

(2)打開連接真空氣袋的閥門，使煤樣罐內的游離瓦斯氣體進入真空氣袋，當對應煤樣罐的壓力表讀數為零時，立即關閉連接真空氣袋的閥門，打開連接解吸儀的閥門，同時按下秒表開始計時。

(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。

為更有效對比考察煤樣在解吸溫度變化條件下的瓦斯解吸特征參數，試驗結束后，需將模擬得到的實測瓦斯解吸量換算成標準狀態下的體積。

2 試驗結果與分析

2.1 不同解吸溫度對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下，環境溫度變化對瓦斯解吸規律的影響，在試驗模擬吸附-解吸環境的基礎上，分別統計煤樣在吸附平衡壓力為0.3 MPa、0.5 MPa和0.8 MPa條件時，不同解吸環境溫度的解吸數據。吸附溫度45℃時，各吸附平衡壓力下，不同解吸溫度時的煤樣解吸瓦斯量隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 吸附溫度45℃時，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，煤樣的瓦斯解吸量隨著解吸時間的延長呈單調遞增函數曲線，解吸瓦斯總量趨于一個常數，解吸溫度越高，煤樣在相同時間段內的累計瓦斯解吸量越大。煤樣在開始解吸的0～2 min時間段內，瓦斯解吸增量較大，解吸速率較快。

2.2 不同解吸溫度對顆粒煤瓦斯解吸速度影響分析

由圖2得出，溫度對瓦斯解吸特征值的影響主要體現在煤樣從吸附平衡狀態到卸壓暴露后的短時瓦斯解吸量變化，因此，研究煤樣在突然暴露于空氣介質后的初始瓦斯解吸速度V是考察瓦斯解吸時受溫度影響的一個很重要指標。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，且在相同時間段內速度衰減越快。

3 高溫煤層瓦斯降溫解吸計算

由前述可得出相應時間點處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，研究不同吸附平衡壓力下，解吸速度V與溫度間的變化關系。各解吸溫度下的Vt與25℃的解吸速度V之比，作為溫度對煤的瓦斯解吸速度的影響系數γ，其中25℃的解吸速度V設定為參數“1”，γ0.3、γ0.5和γ0.8分別代表相應吸附平衡壓力下的溫度影響系數，結果如表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

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

通過回歸分析得到修正系數與解吸溫度之間的變化關系基本形式符合如下等式：

γ(T)=ea(T-25)

(1)

式中：γ(T)——溫度對顆粒煤瓦斯解吸速度的修正系數；

a——回歸系數；

T——瓦斯解吸溫度，℃。

回歸系數a的值見表3。

表3 各時間點不同壓強下回歸系數值

備注：a0.5、a1、a2分別為0.5 min、1 min、2 min時的回歸系數值

由表3得出，同一時間點處不同壓強下的回歸系數基本穩定，忽略壓強對回歸系數的影響，取其均值作為各時間下的回歸系數。

圖4 解吸速度Vt隨溫度變化的比例系數回歸分析度

對各時間點處的解吸速度與溫度之間的修正系數做回歸結果分析：

γ0.5=exp(0.0214 (T-25))

γ1=exp(0.0193(T-25))

γ2=exp(0.0251 (T-25))

(2)

由上述修正系數公式可以得出，隨著解吸時間的增加，修正系數基本保持穩定，回歸系數取均值0.0219，即瓦斯解吸速度隨溫度變化的修正系數為：

γ(T)=e0.0219(T-25)

(3)

從而在以解吸溫度為25℃為基準的條件下，其他解吸溫度各時間點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，t時刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

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

t——解吸時間，s；

T——煤樣的解吸溫度，℃。

當前通用的瓦斯解吸速度經驗公式可用“文特式”表示：

(5)

式中：Vt——t時刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

Va——ta時刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

kt——常數，0

取解吸時間ta=1 min時，Va=V1，則第t分鐘瓦斯解吸速度為：

Vt=V1·t-kt

(6)

則在x時間內累計瓦斯解吸量為：

(7)

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

(8)

式中：Q25(t)——解吸溫度25℃時，t時刻的瓦斯解吸量，mL/g。

以上分析計算，考慮了煤層瓦斯在不同解吸溫度下的解吸速度變化情況，通過數據擬合，推算各溫度下的解吸速度對于25℃解吸速度的修正系數γ。從而可為高溫礦井采取不同溫度的降溫措施后，礦井瓦斯涌出預測提供依據。

4 結語

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

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

(3)通過試驗數據分析瓦斯解吸速度V受溫度影響時的衰減變化規律，擬合得出吸附溫度25℃時，不同解吸環境溫度對瓦斯解吸速度V的修正系數為：γ(T)=e0.0219(T-25)。同時推導出各解吸溫度t時刻時，累積瓦斯解吸量計算公式為QT(t)=γ(T)·Q25(t)。

(4)在其他煤層瓦斯解吸量測定時，由于存在煤質較硬、取樣時鉆桿發熱導致的顆粒煤溫度過高等情況，瓦斯含量、瓦斯解吸指標等參數的確定會受到溫度的影響，導致測定結果與實際誤差相差較大，解吸速度修正系數γ同樣可以修正溫度對瓦斯損失量和解吸總量的影響，提高測試精度。

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