水分對顆粒煤瓦斯擴散系數的影響規律研究

尚昊陽

摘要：本文以煤層注水為背景，研究高變質程度的顆粒煤在相同注氣量的條件下瓦斯擴散系數隨水分含量增加的變化規律，并分析水分對煤體瓦斯擴散系數的影響機理。

Abstract： Based on the coal seam water injection， this paper studies the variation law of gas diffusion coefficient with the increase of water content under the same gas injection condition， and analyzes the influence mechanism of water on coal gas diffusion coefficient.

關鍵詞：水分;瓦斯擴散系數;瓦斯擴散機理

Key words： moisture;gas diffusion coefficient;gas diffusion mechanism

中圖分類號：TD712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0193-02

0 ?引言

為了確保煤礦的安全生產，在煤礦開采前會采取一系列如煤層注水、水力壓裂等增加煤層通透性、降低瓦斯突出危險性的技術措施[1-3]。煤層在注水過程中容易造成不同地點煤體瓦斯含量的不同，且不同的水分含量對所采煤樣的瓦斯解吸規律也各不相同。Zhejun Pan等[4]使用澳大利亞的煤樣進行了線性等溫吸附實驗，研究了水分對煤體中大孔隙度、微孔隙度的影響，基于改進的雙孔隙模型發現水分對瓦斯吸附速率有著顯著影響，且水分對于不同尺寸孔隙中的瓦斯擴散系數的影響是不同的。陳向軍[5]進行了瓦斯等溫吸附實驗，認為整個實驗過程分為兩個階段：外加水進入煤體后到吸附平衡的置換解吸階段和卸壓后降壓解吸階段，變質程度越高，外加水分對煤樣的瓦斯解吸促進作用越大。

綜上所述，煤層在進行一系列水利化措施之后，煤體的含水量增大，累計瓦斯解吸量和瓦斯解吸速度不斷減小。但是在水分對高變質程度煤體的瓦斯擴散系數影響規律方面研究較少。本文通過研究在相同注氣量條件下的高變質程度煤體的水分含量對瓦斯擴散系數的影響，以及分析研究不同含水量對煤體瓦斯擴散的影響機理。

1 ?實驗介紹

1.1 實驗煤樣的選取與制備

本文選用山西寺河礦的無煙煤、鄭煤超化礦的貧瘦煤，提供煤樣的礦井都是突出礦井，這樣有利于提高實驗的準確性。將所采集的新鮮煤樣打碎篩選出所需的1-3mm顆粒，不同煤樣的基礎參數如表1所示。

1.2 實驗方法

用煤樣篩將采集的不同煤礦的新鮮煤樣篩選出1-3mm粒徑備用，在開始實驗前將煤樣放入干燥箱內連續干燥12h以上，然后將煤樣罐放入恒溫水域中并固定，并設定水浴溫度為40℃，對煤樣進行抽真空，抽真空時間為8h以上。抽真空完畢后，向充氣罐中沖入4MPa的壓力，然后將充氣罐與煤樣罐之間的閥門打開，讓瓦斯進入煤樣罐內進行吸附，這時瓦斯壓力降低了0.3MPa，進行標準狀況下體積換算得到注氣量約為1.4L。等到煤樣罐上方的壓力表穩定后，說明煤樣已經吸附平衡。打開注水泵，先設定流速進行注水，使整個裝置中都充滿水，以便減小實驗誤差，然后煤樣罐中注入計算后所需的蒸餾水，然后將煤樣罐固定在水浴中等待煤樣再次達到吸附平衡。在煤樣解吸開始之前，記錄煤樣罐罐內壓力數值，打開閥門，當煤樣罐上方壓力表歸零時，迅速連接瓦斯解吸儀，按下秒表開始計時并記錄實驗數據，記錄時間為120min。

2 ?實驗結果及分析

到目前為止，國內外學者在煤體的瓦斯擴散方面做了許多研究，他們比較認同顆粒煤內瓦斯流動符合菲克擴散定律，其擴散模型有：單孔隙擴散模型、雙孔隙擴散模型等等。本文選用單孔隙經典擴散模型進行分析研究瓦斯擴散系數的變化規律以及水分對擴散系數的影響。本文選用文獻[6]的運算方法來求出擴散系數。

從上圖表中分析高變質程度煤粒的瓦斯擴散系數規律如下：

①在相同時間段內，隨著水分含量的不斷升高，煤樣的瓦斯擴散系數不斷減小，且減小的幅度逐漸降低。如超化煤樣前60分鐘時間段內，水分含量從0至10%的過程中，瓦斯擴散系數分別降低2.51%、9.61%、12.34%。寺河煤樣和古漢山煤樣也有相同的規律。

②隨著解吸時間的增長，瓦斯擴散系數逐漸減小且下降幅度不斷降低。這是因為在瓦斯擴散初期，煤體瓦斯的吸附量大，極易形成較大的濃度差，因此擴散速度快，擴散系數大。而隨著解吸的時間逐漸增加，煤樣的瓦斯吸附量逐漸減小，瓦斯濃度梯度較小，擴散速度慢。

以圖1寺河煤樣為例，可以看出瓦斯擴散系數與時間的關系符合冪函數式，即D（t）=D0t-β，其中D0為初始擴散系數，β為衰減系數，0<β<1。煤樣在相同注氣量下，都表現出瓦斯初始擴散系數隨著水分的增加呈遞減趨勢，為研究水分與初始擴散系數的變化規律，統計不同水分下煤樣的初始擴散系數如表3所示。

從表中可以看出寺河煤樣的初始擴散系數隨著水分含量從0增加至6%，分別降低了11.84%、17.46%，當水分含量從6%增加到10%，初始擴散系數降低了10.09%。這說明在相同注氣量下，水分含量的增加，煤樣的初始擴散系數逐漸降低。在注水初期初始擴散系數快速下降，隨著水分的增加，初始擴散系數降幅不斷減小，說明在低壓注水量的影響深度存在極限。

3 ?結論

①不同煤樣在相同注氣量下，擴散系數與時間的關系始終符合冪函數式關系，水分含量并不影響擴散系數與時間的規律，而且干燥煤樣的擴散系數在相同時間內大與含水煤樣的擴散系數;②瓦斯初始擴散系數隨著煤中水分的增加呈單調遞減，在水分含量增加的初期，水分的增加對瓦斯初始擴散系數的影響程度較大，引起初始擴散系數的快速減小，而伴隨著水分的不斷增加，瓦斯初始擴散系數的降幅逐漸減小，并逐漸趨向于一個定值;③煤體在注水過程中，水分子比甲烷分子更易吸附在煤體表面，這樣就造成了煤體瓦斯吸附量的減小，而且水分進入煤體的孔隙中在毛細管力的作用下堵塞瓦斯的擴散通道，阻礙瓦斯的擴散，從而降低瓦斯擴散系數。

參考文獻：

[1]林伯強.中國能源發展報告2008[M].中國財政經濟出版社，2008.

[2]李好管.“十三五”規劃關于中國能源、煤炭工業、煤炭深加工產業發展的政策導向（上）[J].煤化工，2017（03）：1-6.

[3]唐建平，孫東玲，武文賓.注水煤層瓦斯運移規律研究現狀與發展方向[J].煤礦安全，2018（05）：175-177.

[4]Chen D， Pan Z， Liu J et al. Modeling and Simulation of Moisture Effect on Gas Storage and Transport in Coal Seams [J]. Energy & Fuels， 2012， 26（3）： 1695-1706.

[5]陳向軍.外加水分對煤的瓦斯解吸動力學特性影響研究[D].中國礦業大學，2013：148.

[6]Shi JQ， Durucan S. A bidisperse pore diffusion model for methane displacement desorption in coal by CO2 injection[J]. Fuel， 2003， 82（10）： 1219-1229.