基于紅外測溫的煤體瓦斯吸附-解吸過程溫度變化特征研究＊

徐慧剛，劉文杰

（1.山西新元煤炭有限責任公司,山西045400；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶400037）

0 引 言

突出綜合假說認為，突出是地應力、瓦斯和煤的物理力學性質三種因素綜合作用的結果，而煤體溫度變化是與此三種因素均有關的一個參數[1,2]，因此存在利用煤體溫度變化進行煤與瓦斯突出預測的可能性。煤體瓦斯吸附過程中放熱、解吸過程中吸熱[3-5]這一觀點已得到眾多研究者的認同，然而對于引起溫度變化的因素及溫度變化規律的解釋卻看法不一[6-9]。綜合已有研究發現，目前尚無統一的瓦斯吸附-解吸熱效應理論，對吸附-解吸過程中的溫度變化所進行的實驗多基于接觸式溫度計或傳感器進行點溫度測量，利用溫度指標進行突出預測的方法與手段尚未形成統一認知，應用煤體溫度變化進行突出預測的實驗基礎較為薄弱。

基于此，本文利用非接觸式紅外溫度測量系統對煤體瓦斯吸附-解吸過程中溫度變化進行了多測點連續性測量，探索瓦斯吸附-解吸過程中溫度變化影響因素及變化規律，為建立基于溫度梯度的突出危險預測模型提供數據支撐，為利用煤體溫度變化特征進行非接觸式煤與瓦斯突出預測奠定基礎。

1 研究設計

1.1 實驗系統設計

煤體瓦斯吸附-解吸過程產生的溫度升降引起其紅外輻射變化，當輻射達到一定強度可通過紅外測溫儀監測到煤體溫度的變化，因此研究設計了基于紅外測溫攝錄儀的煤體瓦斯吸附-解吸溫度測量系統，對溫度變化趨勢進行分析以探明煤體瓦斯吸附-解吸過程中的溫度變化規律。該系統主要由：煤體瓦斯吸附-解吸系統、烘干脫氣系統、恒溫系統、溫度測量系統、數據采集系統等組成。

1.2 煤樣采集與制備

本實驗選用三種不同變質煤體焦煤（煤樣1）、瘦煤（煤樣2）、無煙煤（煤樣3）分別加工制備并選用粒徑為40～60 目的煤粉進行真空干燥處理，對處理后的煤樣進行瓦斯吸附-解吸實驗。實驗所用的煤樣及相關參數如表1 所示。

表1 煤樣分組及相關參數

1.3 實驗方法

煤體瓦斯吸附-解吸溫度測量實驗包括：瓦斯吸附-解吸實驗和紅外溫度測量實驗。采用的吸附-解吸實驗是基于煤炭行業標準中的甲烷吸附量測定方法，并對其進行改造：鑒于鍺玻璃在紅外波段具有良好的透光性，訂制了專用的鍺玻璃瓦斯吸附解吸罐來滿足紅外測溫要求。紅外溫度測量實驗采用精密紅外測溫攝錄儀持續檢測吸附-解吸系統中的煤樣溫度變化，自動記錄所有的實驗數據、影像。為準確得到煤體瓦斯吸附-解吸過程溫度變化趨勢，需對煤體瓦斯吸附解吸過程中的紅外輻射信號進行了降噪處理。

2 吸附-解吸溫度變化測量描述

煤體瓦斯吸附影響因素很多，包括壓力、煤體變質程度、煤體粒度、煤體孔隙、環境溫度、氣體組分及含水量等[10]，其中與突出因素（地應力、瓦斯和煤的物理力學性質）密切相關的為瓦斯吸附平衡壓力、瓦斯吸附量和煤體物理力學性質。故實驗研究瓦斯吸附平衡壓力、煤體變質程度兩種條件下煤體瓦斯吸附-解吸量及溫度變化。

2.1 不同壓力吸附-解吸溫度變化實驗

為考察吸附平衡壓力對煤體瓦斯吸附-解吸過程中溫度變化的影響，對煤樣1（焦煤）在表2 所示條件下分別進行煤體瓦斯吸附-解吸實驗，結果如表2所示。并繪制了吸附-解吸過程中溫度變化趨勢圖（見圖1）。

表2 不同壓力瓦斯吸附-解吸實驗數據

圖1 不同壓力瓦斯吸附-解吸溫度變化曲線

從表2 實驗結果得出：吸附瓦斯過程中煤體溫度均呈現上升趨勢，吸附為放熱過程；解吸瓦斯過程中溫度均呈現下降趨勢，解吸為吸熱過程。吸附過程中，隨著平衡壓力增大煤體瓦斯吸附量增大，溫度升高越大；解吸過程中，隨著壓力平衡壓力增大煤體瓦斯解吸量增大，溫度降低越大。

2.2 不同變質煤體吸附溫度變化實驗

為考察煤體變質程度對瓦斯吸附-解吸過程中溫度變化的影響，選取三種不同變質程度煤樣：煤樣1、煤樣2 和煤樣3 在表3 所示條件下進行煤體瓦斯吸附實驗，結果如表3 所示。并繪制了吸附-解吸過程中溫度變化趨勢圖（見圖2）。

表3 不同變質煤體瓦斯吸附-解吸實驗數據

圖2 不同變質煤體瓦斯吸附-解吸溫度變化曲線

前人實驗表明：不同變質煤體對瓦斯吸附能力：無煙煤＞瘦煤＞焦煤[11,12]，結合本實驗數據可以看出，對于不同變質程度的煤樣，在相近的平衡壓力下吸附時，煤體變質程度越大，吸附造成的溫度上升幅度越大，溫度變化幅度與其吸附能力基本一致。

2.3 吸附-解吸過程溫度信號處理

煤體瓦斯吸附- 解吸過程中溫度紅外輻射原始信號受噪聲干擾較為嚴重，實驗測得紅外數據非平穩現象明顯。鑒于小波變換可以根據尺度的變換和偏移在不同的頻段上給出不同的分辨率，非常適合處理非平穩信號[13]，因此本實驗選用小波變換對瓦斯吸附-解吸溫度變化信號進行預處理。圖3 為小波變換后的溫度曲線，可看出經過處理過后的數據能夠比較好地反應吸附- 解吸過程中測點煤體溫度變化情況，數據可信度高。

圖3 濾噪后瓦斯吸附-解吸溫度變化曲線

3 吸附-解吸溫度變化規律分析

3.1 吸附-解吸過程溫度擬合分析

實驗表明不同條件下煤體瓦斯吸附過程中不同測點之間的溫度隨時間變化趨勢基本相似，吸附過程中溫度達到最高之后會有逐漸降低的過程，解吸過程中溫度達到最低之后有逐漸升高的過程，這是因為在煤體溫度達到最高（最低）之后，其溫度高于（低于）實驗環境溫度，會發生熱交換，表現出溫度會在較長的一段時間內逐漸趨于實驗室條件溫度。由于瓦斯吸附開始到溫度值最大（瓦斯解吸開始到溫度值最小）這段時間內的溫度變化才能代表吸附或者解吸過程造成的溫度變化，因此下文只對該段時間范圍內的溫度變化規律進行分析。

根據煤體瓦斯吸附-解吸過程中各測點溫度隨時間變化關系規律可以判斷曲線基本符合指、對函數關系，利用公式（1-1）分別對吸附、解吸實驗中各測點數據進行擬合，擬合參數及結果見表4。

式中：ΔT 為吸附- 解吸過程中溫度差，℃；k，b為擬合參數；t 為吸附-解吸時間，s。

表4 瓦斯吸附-解吸溫度擬合參數

圖4 不同平衡壓力下煤體瓦斯吸附、解吸過程溫度變化擬合曲線

上表曲線擬合相關系數均在0.95 以上，說明該方程能夠較好的反應實驗中不同測點溫度變化規律。圖4 說明煤體瓦斯吸附過程中，開始階段煤的放熱速度快，隨著時間延長放熱速度減緩；煤體瓦斯解吸過程中，開始階段煤的吸熱速度快，隨著時間延長吸熱速度減緩。這是因為吸附開始時煤樣幾乎處于真空狀態，吸附勢能大，反應劇烈煤體溫度上升快，隨著吸附的進行吸附勢能降低，吸附變緩溫度上升變慢，這中變化趨勢與指數函數相吻合。解吸時，壓力瞬時下降解吸勢能大，解吸劇烈吸收大量的熱量，溫度下降幅度較快，隨著解吸進行解吸勢能降低，解吸變緩溫度下降變慢，這中變化趨勢與對數函數相吻合。

3.2 吸附-解吸過程溫度規律分析

將公式（1）擬合得出的參數K 與實驗測得的溫度最大值ΔT 進行比較發現，參數K 基本能反映煤體瓦斯解吸過程中溫度變化的最大值。參數b 的值變化范圍比較大，其大小可能受煤體變質程度、平衡壓力和測點位置等多種因素影響。

圖5 擬合值K 與溫度最大值ΔT 比較

圖6 解吸量與溫度最大值ΔT 關系

實驗中同種煤樣平衡壓力越大，瓦斯解吸量也越多，溫度降低的最大，值k 也越大。對每個測點瓦斯解吸量與實測溫度變化最大值ΔT 關系進行擬合，擬合結果如圖6 所示。說明在其他條件相同的情況，煤體溫度變化的最大值與煤的瓦斯解吸量成線性正相關，進而可以利用煤體溫度變化預測瓦斯解吸量或者利用瓦斯解吸量來預測煤體溫度變化。

4 結論與建議

實驗表明利用紅外測溫攝錄儀進行煤體吸附-解吸過程中的溫度測量，能反映煤體溫度的實際變化。吸附-解吸實驗發現：

1）吸附過程中各煤樣溫度呈現先快速上升，后逐漸趨于穩定，解吸反之；溫度隨吸附壓力的增大而增大，并且吸附時溫度升高越大，解吸后溫度降低幅度也越大；吸附時煤體變質程度越大，升溫速度越快，達到吸附平衡所用的時間更短，解吸過程反之。

2）不同平衡壓力下吸附過程中的升溫趨勢均符合指數函數關系，解吸過程中的降溫趨勢均符合對數函數關系，擬合函數參數K 表征了吸附-解吸所引起的煤體溫度變化幅度最大值，溫度變化最大值與煤的瓦斯解吸量成線性正相關。

本研究表明通過煤體溫度變化梯度進行煤與瓦斯突出預測是可行的。將煤體溫度變化作為突出預測指標，其靈敏性與臨界值的確定需進一步研究確定。