基于紅外成像技術的煤中甲烷分布特征研究

王 辰，馮增朝

（太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原030024）

煤是一種天然吸附劑，具有很高的甲烷吸附能力，會在甲烷吸附過程中釋放熱量，從而導致煤體溫度升高[1－2]，通過該過程中煤體溫度的變化可以對其吸附/解吸甲烷的能力進行評估，同時還可以預測諸如瓦斯突出等井下災害性事故[3－8]。大多數實驗研究中，僅使用單點接觸測量來評估煤的溫度[9－10]，因此，未能獲得有關同一煤樣中不同位置的溫度變化。許多瓦斯抽采項目實踐表明，在鉆探具有高地應力的軟煤層期間，常發生從鉆孔中噴出煤和瓦斯的現象，持續時間從數分鐘到數十分鐘不等[11－12]。如俞啟香教授等人所述[13－14]，造成這些現象的主要原因之一是煤層中不同區域的瓦斯含量以及瓦斯壓力不相同，把瓦斯含量和瓦斯壓力相對較高的區域稱之為“瓦斯包”。然而，由于觀測方法的局限性，對煤中甲烷賦存的不均勻分布和演化的研究較少[15－17]。因此，研究煤吸附甲烷的溫度變化以及甲烷氣體在煤體中的分布規律，需要通過更多更細致的觀測試驗方法。綜上所述，將依托紅外成像測溫的實驗方法，研究微型煤樣吸附甲烷過程中溫度變化及煤中甲烷聚積分布特征。

1 煤體吸附/解吸甲烷紅外熱成像實驗

實驗中選用的1#無煙煤取自山西省晉城市沁水煤田的寺河煤礦3#煤層，2#焦煤取自山西省太原市西山煤田的馬蘭煤礦8#煤層，3#褐煤取自內蒙古滿洲里市扎賚諾爾煤田的靈東煤礦Ⅱ煤層群。煤樣切成直徑為9.5 mm，厚度為1 mm，并且兩端表面較為光滑平整的實驗樣品。

煤體吸附甲烷的過程中，使用優利德Uti160A型精密紅外熱像儀對波長為在8～14μm之間的紅外熱輻射進行接收測量，儀器的熱靈敏度為0.01℃。煤吸附甲烷紅外觀測系統如圖1。

圖1 煤吸附甲烷紅外觀測系統Fig.1 Infrared observation system of coal adsorption

實驗系統的主要組成部分包括：①由不銹鋼制成的吸附罐：用于放置煤和瓦斯以進行煤的吸附；測試該罐體并確認其具有良好的氣密性，并將1塊高紅外透射率（＞95%）的氟化鋇玻璃窗片放在圓柱型罐體的頂部；②使用底座將圓筒夾持裝置固定到紅外熱像儀，從而確保掃描的紅外圖像的穩定性；③精密數字壓力表：用于測量罐體中的甲烷吸附壓力；④注氣裝置：包括調壓閥，甲烷氣瓶和相應管路等。

首先將薄片煤樣固定放置在吸附罐中，使其圓形截面靠近高透射率紅外玻璃窗片，從而使紅外熱像儀可見，從而完成測試。實驗步驟如下：

1）煤樣的放置和真空處理。將做好定位標識并固定好的煤樣薄片水平放入吸附罐中，調整位置，在確保密封性完好的前提下，使煤樣觀測表面緊貼氟化鋇BaF2高透紅外玻璃窗片，有利于紅外熱像儀更好地接收煤樣吸附過程中溫度變化引起的熱輻射；使用上海葉拓2×Z－4型直聯旋片式小型真空泵對吸附罐、實驗管路及煤樣進行真空脫氣處理，使真空表的示數達到－0.094 MPa以下，并保持0.5 h以上，達到清除實驗裝置及煤樣中的雜質氣體的目的。

2）在不同壓力下煤樣的甲烷吸附。手動調節紅外成像儀的鏡頭，進行焦距校準，使得煤樣薄片觀測表面清晰顯示在紅外熱像儀的屏幕上；確保吸附管路上的閥門均保持關閉狀態，對吸附前的煤樣薄片進行2次拍攝，得到吸附前煤樣的基準紅外圖像；打開高壓甲烷儲氣瓶，調節減壓閥到實驗方案設定的恒定吸附壓力（0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa）；打開吸附罐前端的控制閥門，注入甲烷氣體進行煤與甲烷吸附，同時，以每次2 s/次的速率進行紅外熱像儀拍攝，實時保存紅外圖像以及對應的吸附時間。

2 煤體吸附甲烷紅外熱成像特征

2.1 煤體吸附過程中紅外成像變化

利用MATLAB編寫的處理程序，對紅外攝像儀所拍攝圖像中的煤樣截面在吸附過程中不同吸附時刻的溫度值進行提取，并通過與未發生吸附時的基準圖像的溫度值進行差值計算，經過圖像顏色處理后，即可得到在不同吸附壓力條件下，煤樣截面的溫度變化量隨時間變化的紅外圖像，煤樣吸附甲烷氣體紅外熱成像變化圖如圖2。

由圖2可知，隨著吸附時間的增加，3種煤樣的截面溫度明顯升高；并且在同一恒定吸附壓力條件下，3種不同變質程度的煤樣在相同吸附時間的溫度升高量不同，在0.3～1.5 MPa的吸附壓力條件下，1#無煙煤截面溫度變化量在0～6℃之間，2#焦煤截面溫度變化量在0～10℃之間，3#褐煤截面溫度變化量在0～5℃之間；并且隨著吸附壓力的增大，3種煤樣的截面溫度變化越顯著。3種煤樣在截面的不同位置上呈現出不同的溫度變化：1#無煙煤吸附甲烷氣體后溫度變化主要發生在煤樣的右側中間以及右上部位，2#焦煤吸附甲烷氣體后溫度變化主要發生在煤樣的右上以及左上邊緣部位，3#褐煤吸附甲烷氣體后溫度變化主要發生在煤樣的左上半部位。

圖2 煤樣吸附甲烷氣體紅外熱成像變化圖Fig.2 Change charts of infrared thermal imaging of coal sam ples adsorption methane gas

2.2 煤體吸附過程中截面溫度變化

為了對煤樣在吸附過程中截面溫度變化量進行精確分析，利用MATLAB編寫的處理程序對紅外圖像中的煤樣截面全幅區域的溫度變化值進行提取計算，統計在吸附過程中，煤樣截面全幅區域的平均溫度變化量隨著吸附時間的變化關系。實驗中，為了減少煤樣在空間上吸附非均勻性以及所導致的內部溫度變化不均帶來的傳熱影響，故制取厚1 mm的圓形煤樣薄片，因此吸附平衡時間較短；但由于煤樣較小，并且實驗裝置無法與外界完全絕熱，因此吸附后期受到實驗裝置與環境之間熱交換的影響溫度變化量降低較多；由于以上因素，故只針對3種煤樣吸附的前期（1～30 s）進行分析，煤樣吸附甲烷氣體時截面平均溫度變化如圖3。

圖3 煤樣吸附甲烷氣體時截面平均溫度變化Fig.3 Average tem perature variation curves of cross section when coal sample adsorbsmethane gas

由圖3可知，由于煤樣屬于微型試樣，3種煤樣吸附過程中的溫度變化主要發生在吸附過程的前30 s，其中在吸附過程的前1～6 s，煤樣截面的平均溫度變化量上升速度較快，達到溫度變化量的峰值，即將甲烷氣體注入吸附罐的瞬間，甲烷氣體分子在煤樣截面勢阱深度較深的吸附位置發生吸附，放出大量的吸附熱，導致煤樣截面溫度快速上升；6～20 s煤樣截面的平均溫度變化趨于平穩，煤樣其他勢阱深度較淺的位置進行吸附，吸附逐漸達到平衡；在20 s以后，煤樣吸附平衡，由于煤樣與金屬質地的吸附罐接觸，金屬傳熱系數較高，導致實驗裝置與外界環境的傳熱較為明顯，因此煤樣截面平均溫度變化量開始逐漸降低。

3 煤體中甲烷非均勻分布特征

3.1 煤體吸附量與溫度變化關系

煤體吸附甲烷氣體時發生放熱反應，導致煤體表面溫度升高，這是由于煤與甲烷之間的吸附熱所引起的。假設單位質量煤體吸附甲烷過程中放出的等量吸附熱為-q（kJ/mol），單位質量煤體的甲烷吸附量為n（mol），則單位質量煤體吸附甲烷放出的熱量Q為[8]：

假定煤與甲烷吸附體系不受自身溫度變化及環境溫度的影響，即吸附放出的熱量全部轉化為煤體自身的內能，由式（1）可知，煤體升溫量T為：

式中：C為煤體的比熱容，J/（kg·℃）。

由式（2）可知，假定煤體不同區域的比熱容與等量吸附熱不隨吸附的進行而變化，則單位質量煤體溫度變化量與其甲烷吸附量成正比，煤體的吸附量越大，即煤體吸附甲烷的能力越強，煤體截面所呈現出的升溫現象越明顯。

3.2 煤體中甲烷賦存的非均勻分布特征

一般來說，煤體與甲烷氣體吸附平衡時，煤體中都會存在甲烷氣體聚積吸附的局部區域，其本質反應了煤體中不同區域對甲烷吸附能力的不同。由于目前對于煤吸附甲烷過程中，所展現出來的各區域吸附能力差異性的研究不足，導致目前無法對吸附平衡時，煤體中甲烷積聚吸附的局部區域進行定量化研究與評價。因此，基于對煤體中不同升溫段的煤單元數量分布與甲烷吸附量分布特征，現對甲烷積聚區進行如下定義與統計。

依據式（2），以0.1℃為溫度變化量的統計增量值，并通過式（3）、式（4）對煤體中不同溫度變化增量段的煤單元數量分布比率pT與甲烷吸附量分布比率pn分別進行計算：

煤樣單元在不同壓力下的溫度變化量與甲烷吸附量均介于某段溫度范圍之內。煤與甲烷吸附平衡時，在任意吸附平衡壓力下均存在1個溫度變化臨界值。在溫度變化量大于該溫度變化臨界值的煤體截面區域中，煤體中不同溫度變化增量段的甲烷吸附量的分布比率高于煤單元數量分布比率，可定義該煤體區域為甲烷氣體積聚的區域。

依據上述方法對3種煤樣截面區域的溫度變化進行提取統計，其中1#無煙煤在不同吸附壓力下不同溫度段煤單元數量分布與甲烷吸附量分布如圖4。

圖4 1#無煙煤不同溫度段煤單元數量分布與甲烷吸附量分布Fig.4 Coal unit number distribution and methane adsorption distribution of 1#anthracite at different temperature sections

隨著吸附壓力的增大，3種煤樣截面區域的溫度變化范圍變大；并且隨著溫度變化量的增大，煤單元數量分布比率及其對應的甲烷吸附量分布比率呈現先增大后減小的趨勢，服從正態分布。在較低吸附壓力條件下，煤樣截面不同位置的吸附能力差異較小，由于甲烷吸附量的不同引起的截面溫度變化量分布在較小范圍內，煤樣對甲烷吸附能力的非均勻性較弱；隨著吸附壓力的升高，煤樣截面的溫度變化范圍增大，煤樣截面不同區域甲烷吸附量的差異性逐漸增大，即煤樣對甲烷吸附能力的非均勻性增強。

4結 論

1）不同變質程度的煤樣截面不同位置的吸附能力不同，具有不同范圍的吸附明顯區域。在吸附過程中，該區域比其他區域溫度變化更大，并且隨著吸附壓力的增大，溫度變化越顯著。

2）實驗中3種不同變質程度的煤樣隨著吸附時間的變化，煤樣截面溫度的非均勻性先顯著增加后逐漸減弱。

3）煤與甲烷吸附平衡時，在任意吸附壓力下均存在1個溫度變化的臨界值。在溫度變化量大于該溫度變化臨界值的煤體區域中，煤體不同溫度變化增量段的甲烷吸附量的分布比率高于煤單元數量分布比率，則定義該煤體區域為甲烷吸附積聚區。

4）隨著吸附壓力的增大，3種煤樣截面區域的溫度變化范圍變大，煤樣的吸附非均勻性增強；并且任意平衡壓力下，隨著溫度變化量的增大，不同溫度變化增量段的煤單元數量分布比率及其對應的甲烷吸附量分布比率呈現先增大后減小的趨勢，服從正態分布。