瓦斯壓力對瓦斯在煤中擴散影響的研究

周永晶

（六枝工礦（集團） 恒達勘察設計有限公司，貴州 六枝 553400）

現階段，瓦斯壓力究竟是怎樣影響瓦斯擴散系數的并沒有一個統一的結論，不同結論相互之間的分歧較大。不同結論具體包括，煤的種類影響著瓦斯在煤中的擴撒能力，還有可能是煤的孔隙結構發生不同程度的變化最終影響其擴散系數。正是以上結論的存在，所以在選擇不同的煤進行該實驗時，所得到的結論自然不同[1]。本文將利用全國一些比較典型的礦區中的各種煤樣，以此為材料進行吸附-解吸動力學實驗。

1 擴散模型

本文將使用三種廣泛使用的擴散模型，即單孔擴散模型、雙分散擴散模型和分散擴散模型，表達式和假設介紹如下：

1.1 單孔擴散模型

單孔擴散模型假定煤顆粒只有一種孔隙，氣體在煤顆粒內外的濃度梯度下擴散。

1.2 雙分散擴散模型

雙分散擴散模型假定煤顆粒包括獨立的大孔和微孔系統，兩種系統下的氣體擴散是由煤顆粒內部和外部的濃度梯度驅動的，簡化的雙分散擴散模型包括快速大孔擴散階段和緩慢微孔擴散階段[2]。

單孔擴散模型和雙分散擴散模型都遵循以下假設：

1） 擴散系統是等溫的；2） 顆粒煤的幾何形狀為標準球體；3） 煤和孔隙系統是各向同性和均勻的；4） 孔不可壓縮；5） 氣體遵循線性吸附規則；6） 氣體在孔隙中的擴散符合菲克第二定律。

1.3 分散擴散模型

近年來，建立了擴散模型，并假定擴散特征時間的分布。擴散是分散的，代表了擴散特征時間的廣泛分布。因此，理論上雙分散擴散模型可以避免孔結構的簡化，反映實際的物理實驗過程。

2 吸附-解吸擴散實驗與孔隙結構的測定

2.1 樣品準備階段

實驗所用到的煤樣共有四種，具體包括吉林琿春、山西河東、河南新密以及山西沁水這四個煤田，而四種煤田分別采用了不同的煤種具體是長焰煤、焦煤、瘦煤、貧煤這四種。實驗煤樣的相關參數在下列表1 中做出來了明確列舉。當采集煤樣后，首先是粉碎工作，進而將得到的0.20～0.25mm 大小的煤進行除水工作。此處除水一般采取高溫真空下的干燥方式。

2.2 瓦斯動力學實驗

煤粒瓦斯動力學實驗，具體是指吸附-解吸。該實驗的設計目的就是為了研究壓力與擴散系數的具體規律。實驗選用美國康塔高壓氣體吸附解吸儀。開始相關實驗前，將儀器的最大吸附壓力設置為6.0MPa，溫度穩定在315k。相關準備工作后，選用質量是40g 的煤。

開始實驗后，利用壓力傳感器記錄相關數據，得到兩個數據即Pm1、Pm2、，分別是煤樣注入前后罐內的壓力值。再以Langmuir 模型計算實驗中煤樣的相關參數。

2.3 孔隙結構測定

1） 低溫氮吸附實驗。實驗采用超低溫液氮分析儀，煤樣使用前要先干燥，實驗煤樣粒徑為1～3mm。根據DFT 分析結論，最終做出煤樣比表面積、孔容與孔徑尺寸分布圖；2） 壓汞實驗。煤樣使用前要先干燥，實驗煤樣粒徑為1～3mm。該實驗最重要的就是要用到Pore Master60 壓汞儀；3）測定結果。煤體微孔孔徑的具體分布情況一般會用低溫氮吸附法。本次實驗測定孔徑分布在0～25nm 之間。而壓汞法只會得到＞25nm 的煤體。除了孔徑外，孔容的計算要分為兩個步驟才能得到，因為不同的孔徑要選擇的計算方法不同。具體是低溫氮吸附法用于計算0～25nm 孔徑的孔容，壓汞法測得＞25nm 孔徑的孔容。

3 實驗結果的具體探討

3.1 模型適用性

利用吸附擴散的計算公式，就可以得出測得的結果即不同時刻下的擴散比。本實驗處理相關數據時，以n=5 作為標準。因為當以此為標準時，不論是何種擴散模型，即單孔或是雙孔，都可以確保結果的正確度，還可以讓計算的難度保持在較低水平。當實驗過程的壓力是0.7～1.0MPa 時，分析相關數據，得出如圖1 所示的曲線圖。

分析圖1 可知，當在單孔模型的情形下，進行模擬實測結果時，這四種煤樣在實驗達到臨界前，模擬值總是＜實測值的。而當這四種煤樣進行實驗達到臨界后，模擬值總是＞實測值的。所以，可以得出在單孔模型下，得到的模擬曲線均不能達到實驗測得的結果。對比可知，在雙孔模型下得到的模擬曲線是能夠更好的達到實驗結果的。

圖1 各煤樣瓦斯吸附擴散實驗與理論模型曲線

根據以上不同模型下得到的結果可知，因為實驗中利用到的煤樣存在著復雜的孔隙結構，所以如果只是利用單孔模型無法更好的還原實驗過程中原本的擴散過程。但是因為雙孔模型的情形下，該模型自身就考慮到了不同孔徑的結構，所以利用該模型進行模擬會與實測結果更接近。正是因此，所以本文選用了雙孔模型最終探尋瓦斯吸附-解吸擴散的相關規律。

3.2 擴散系數影響因素分析

大孔進行模擬時，大孔的擴散系數Dae 一般利用二次多項式函數描述變化規律，具體表示如下：實驗中，處于吸附階段時，當瓦斯壓力處于臨界點之前時，Dae 與壓力成反比；當瓦斯壓力在臨界點之后時，Dae 與壓力成正比。處于解吸階段時，當瓦斯壓力在臨界點之后時，Dae 會因為壓力值的降低而降低；當瓦斯壓力在臨界點之前時，Dae 會因為壓力值的降低發生增高。在四種煤樣中，只有琿春長焰煤的吸附擬合曲線與解吸擬合曲線具有較高的重合度。而剩余的三種煤樣，會出現當煤化越來越高的過程中，吸附擬合曲線會逐漸向解吸擬合曲線靠攏。

微孔進行模擬時，微孔的擴散系數Dae 一般利用一元線性函數描述變化規律，具體表示如下：進行吸附時，Die 與瓦斯壓力成正比；進行解吸時，Die 與瓦斯壓力同樣成正比。在四種煤樣中，只有新密瘦煤在吸附過程與解吸過程中擴散系數具有較高的重合度。而剩余的三種煤樣，會出現如下情況：琿春長焰煤的吸附擬合曲線在解吸擬合曲線上方，而河東焦煤與沁水貧煤的吸附擬合曲線則在解吸擬合曲線下方。其中，琿春長焰煤因為孔比表面積最大，同樣孔容最大，而且因為自身孔隙之間的高連通性，所以吸附于解吸的過程中，相較于剩余三種煤樣存在較高的擴散系數重合度。河南新密瘦煤的微孔孔容曲線上升比較平緩，吸附與解吸過程中瓦斯擴散能力差別不大，因此吸附與解吸過程中擴散系數重合度較高。

4 結語

壓力對煤粒瓦斯擴散有很大影響，對于雙孔擴散模型，二次多項式函數能很好地描述大孔有效擴散系數Dae 與壓力的關系：處于吸附階段時，當瓦斯壓力處于臨界點之前時，Dae 與壓力成反比；當瓦斯壓力在臨界點之后時，Dae 與壓力成正比。處于解吸階段時，當瓦斯壓力在臨界點之后時，Dae 會因為壓力值的降低而降低；當瓦斯壓力在臨界點之前時，Dae 會因為壓力值的降低發生增高。而微孔有效擴散系數Die 與壓力則較好地符合一元線性關系：進行吸附時，Die與瓦斯壓力成正比；進行解吸時，Die 與瓦斯壓力同樣成正比。且不同變質程度煤的吸附過程與解吸過程有明顯差別，這可能與煤的微孔孔徑分布及孔容大小有關。各實驗煤樣在吸附-解吸過程中的擴散特征參數基本保持不變。