基于壓力與溫度對損失瓦斯量影響試驗研究*

劉帥強，王兆豐,2,3，馬樹俊，代菊花，劉 勉

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.煤礦災害預防與搶險救災教育部工程研究中心，河南 焦作 454000；3.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南 焦作 454003)

0 引言

煤層瓦斯含量是煤層瓦斯突出危險性區域預測、區域防突措施效果檢驗的主要指標[1-3]。目前，礦井煤層瓦斯含量的測定方法主要有直接法和間接法[4]。間接法由于煤層原始瓦斯壓力測定工藝復雜且周期長、成功率低、成本高等原因，煤礦現場較少采用，普遍采用井下直接法測定煤層瓦斯含量[5-6]。直接法測定瓦斯含量的取樣方式主要有風排渣取樣[7]和取芯管取樣[8]。取芯管取芯是井下直接法測定煤層瓦斯含量的常用技術手段[9]。

煤層瓦斯含量直接測定法主要流程：井下煤樣瓦斯解吸量測定、取樣過程瓦斯損失量推算和實驗室殘存瓦斯量測定3部分[10]，其中自然解吸瓦斯量和實驗室殘余瓦斯量測定遵照相關要求，相對比較準確，而損失瓦斯量推算結果受多種因素影響(溫度、壓力、水分等)[11]。近年來，國內外學者對瓦斯放散規律模型進行了研究，但存在一定的局限性。秦躍平等[12-13],Liu等[14]提出累計解吸量倒數與時間開方倒數呈現較好的線性關系;Li 等[15]假設擬合損失量與實際損失量的差值服從正態分布，提出基于冪函數特性的貝葉斯概率法進行損失量推算。要提高損失瓦斯量的準確性，首先要找出其誤差來源及影響因素，對其進行分析驗證，盡可能找出相應的措施減少誤差;賈曉亮等[16]認為在瓦斯含量的測定中，損失瓦斯量推算過程中的主要誤差來自推算公式的選擇。

1 取芯過程模擬試驗

1.1 煤樣制備及試驗裝置

1.1.1 煤樣制備

試驗煤樣為河南焦煤集團九里山礦二1煤層無煙煤，選取型煤為研究對象,型煤壓制力60 kN，尺寸為50 mm×100 mm。

1.1.2 取芯管取芯過程模擬測試裝置

為實現取芯管取樣過程中煤芯損失瓦斯量(型煤解吸量)的定量測試，自主設計取樣過程模擬測試裝置，如圖1所示。該裝置主要由真空脫氣系統、注氣吸附系統、模擬系統、數據采集系統及加熱控制系統組成。其中模擬系統是整個裝置的核心部分，主要由加熱帶、煤樣罐、溫度傳感器以及相關連接管路組成。

圖1 取芯管取芯過程模擬裝置Fig.1 Coring tube sampling simulation device

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗樣品真空脫氣

將采集煤樣壓制成型煤后，對其進行干燥、稱重、裝罐，啟動真空泵，對煤樣罐真空脫氣，至復合真空計示數低于10 Pa時,停止真空脫氣。

1.2.2 等溫吸附平衡

通過高壓充氣系統向煤樣罐內充入瓦斯，同時關閉充氣罐閥門，保持煤樣在30 ℃溫度下吸附瓦斯，當煤樣罐內壓力達到1.0 MPa且保持3 h不變時，即認為吸附達到平衡。

1.2.3 取芯管取樣過程相似模擬

開啟加熱帶電源，調節加熱功率模擬取芯過程摩擦熱，并將煤樣罐放入加熱帶。煤樣罐模擬取芯管，加熱帶模擬取樣過程產生的摩擦熱。

1.2.4 瓦斯氣體解吸

釋放游離氣體，當壓力降至大氣壓時，開始記錄解吸氣體；待加熱預設時長后(試驗以取芯深度20 m為例，取芯過程為3 min，退鉆過程為13 min)，取出煤樣罐并放置室溫下降溫，繼續記錄解吸量直至試驗結束。在研究不同加熱功率對損失瓦斯量的影響時，為保證模擬試驗產生熱量盡可能與現場保持一致，同時考慮到試驗條件與安全因素，選取加熱功率分別為200，400，600，800 J/s。按照以上步驟，依次開展加熱功率400 J/s、不同吸附平衡壓(0.5，1.0，1.5，2.0 MPa)與吸附平衡壓力1.0 MPa、不同加熱功率下(室溫30 ℃，200，400，600，800 J/s)取芯過程模擬試驗，共開展試驗9個。

1.2.5 數據監測

每次試驗自開啟加熱帶后，煤樣罐中煤芯均會經歷加熱帶加熱升溫和自然冷卻降溫2個變溫過程，當煤芯溫度重新回歸至室溫結束試驗。

1.3 數據處理

為使不同試驗環境下的解吸數據在同一標準下進行橫向比較，將測得的解吸數據換算成標況下體積，如式(1)所示：

(1)

式中：Qt為tmin內標準狀態下瓦斯解吸量，mL/g；Qt′為tmin內實測的瓦斯解吸量，mL/g；tw為試驗環境下流量計量筒內水溫，℃；Pc為實驗室大氣壓力，Pa；hw為實測定時量筒內水柱高度，mm；Ps為飽和水蒸氣壓力，Pa。

為了反映不同加熱功率對瓦斯解吸的影響作用，定義解吸率如式(2)所示：

(2)

式中：Q為甲烷吸附量，mL/g；Qt為t時刻的解吸量，mL/g。

2 試驗結果及分析

2.1 溫度效應對損失瓦斯量影響

為研究取芯管取芯過程環境溫度對損失瓦斯量的影響特性，在煤芯瓦斯壓力同為1.0 MPa，不同管壁升溫速率(200，400，600，800 J/s)下進行取芯過程煤芯瓦斯解吸模擬試驗，同時選取室溫環境(30 ℃)煤芯瓦斯解吸試驗作為對比測試，試驗結果如圖2。

圖2 不同加熱功率與室溫瓦斯解吸量對比Fig.2 The comparison of gas desorption at different heating power with contrast experiment

由圖2可知，同壓1.0 MPa取芯環境下，瓦斯解吸量隨時間延長逐漸遞增，30 ℃對比測試的解吸量低于各組模擬測試；隨著加熱功率的增加，煤芯瓦斯解吸量愈大，煤芯損失瓦斯量亦愈大。

不同環境溫度下，煤芯瓦斯解吸趨勢線符合關系見式(3)，對前30 min解吸曲線進行擬合，相關參數見表1。

(3)

表1 不同溫度環境瓦斯解吸曲線擬合參數Table 1 Fitting parameters of gas desorption curve in different temperature environment

式中：a,b為擬合參數；c為曲線增長因子；t為時間，min；t0為解吸量中值所對應時間，min。

由表1可知，擬合參數a，b的絕對值隨著加熱功率的增大而增大，曲線增長因子c在1左右，解吸趨勢線擬合度較高，在0.97以上。

采用取芯管取樣測定煤層瓦斯含量時，煤芯損失瓦斯量主要在取芯過程和退鉆過程中產生。本文以取芯深度20 m為例，依據現場數據可知，理想狀態下，采集煤芯所需時長為3 min，退鉆時長為13 min。選擇0～3，3～16 min時間段內煤芯瓦斯解吸率進行分析，同時計算室溫下(30 ℃)同時間段內煤芯瓦斯解吸率作為對比，結果見表2。

表2 瓦斯解吸率對比Table 2 The comparison of gas desorption rate

由表2可知，在2個時間段中，取芯過程模擬測試的煤芯瓦斯解吸率均大于室溫下的對比測試；隨著加熱功率的增加，模擬測試的煤芯瓦斯解吸率增大，模擬測試與對比測試的煤芯瓦斯解吸率差值亦愈大。

同一加熱功率下，3～16 min模擬測試與對比測試的煤芯瓦斯解吸率差值(9.63%,10.40%,13.03%,17.43%)大于0～3 min(2.80%,8.30%,10.80%,12.58%)，說明在3～16 min溫度對損失量的影響大于0～3 min，即退鉆過程溫度對損失量的影響大于取芯過程。本文認為，在模擬測試中，0～3 min處于采集煤芯階段，取芯管剛接觸到煤芯，取芯鉆頭的切削熱與取芯管壁的摩擦熱少量傳遞到煤芯；在3～16 min的退鉆階段，取芯鉆頭的切削熱與取芯管壁的摩擦熱大量傳遞到煤芯，煤芯溫度升高，使得3～16 min模擬測試與對比測試的煤芯瓦斯解吸率差值大于0～3 min。

表3 不同管壁升溫速率下損失瓦斯量計算結果Table 3 The calculation results of gas loss at different core tube wall heating rate

表4 不同管壁升溫速率下損失瓦斯量誤差分析結果Table 4 The error analysis results of gas loss at different core tube wall heating rate

為研究煤芯損失瓦斯量與加熱功率之間的變化規律，將不同加熱功率下損失瓦斯量模擬值繪制于同一圖中進行比較，如圖3所示。

圖3 損失瓦斯量與加熱功率之間關系Fig.3 Relationship between gas loss and heating power

由圖3可知，吸附平衡壓力同為1.0 MPa條件下，當管壁升溫速率為200～800 J/s，損失瓦斯量分別為10.139 0，11.543 2，12.689 0，14.189 0 mL/g。在一定范圍內，損失瓦斯量隨著加熱功率的增加大致呈現線性增加的趨勢。

2.2 吸附壓力對損失瓦斯量影響

為研究取芯管取芯過程吸附壓力對損失瓦斯量的影響特性，將煤芯管壁升溫速率同為400 J/s，不同吸附平衡壓力(0.5，1.0，1.5，2.0 MPa)下取芯過程累計瓦斯解吸量數據繪制于同一圖中進行對比，如圖4所示。

圖4 不同吸附壓力下取芯過程累計瓦斯解吸量Fig.4 Comparison of cumulative gas desorption during coring under different adsorption pressures

由圖4可知，加熱功率同為400 J/s，取芯過程模擬測試的瓦斯解吸量曲線隨時間呈單調遞增的趨勢；隨著吸附壓力的增加，煤芯瓦斯解吸量愈大，煤芯損失瓦斯量亦愈大。

不同吸附平衡壓力下，煤芯瓦斯解吸趨勢線符合關系式(3)，對前30 min解吸曲線進行擬合，相關參數見表5。

表5 不同吸附壓力瓦斯解吸曲線擬合參數Table 5 Fitting parameters of gas desorption curve under different adsorption pressure

由表5可知，擬合參數a，b的絕對值隨著加熱功率的增大而增大，曲線增長因子c在0.933～1.022，解吸趨勢線擬合度較高，在0.99以上。

表6 不同煤芯瓦斯壓力下損失瓦斯量推算結果Table 6 The calculation results of gas loss quantity at different gas pressure

表7 不同煤芯瓦斯壓力下損失瓦斯量誤差分析結果Table 7 The error analysis results of gas loss quantity at different gas pressure

為研究煤芯損失瓦斯量與吸附平衡壓力之間的變化規律，將不同吸附壓力下損失瓦斯量模擬值繪制于同一圖中進行比較，如圖5所示。

圖5 損失瓦斯量與吸附平衡壓力之間關系Fig.5 Relationship between gas loss and adsorption equilibrium pressure

由圖5可知，管壁升溫速率同為400 J/s條件下，當吸附平衡壓力為0.5～2.0 MPa，損失瓦斯量分別為8.334 3，11.543 2，12.566 4，13.815 3 mL/g。在一定范圍內，損失瓦斯量隨著吸附平衡壓力的增加，呈現出先快速增加，后緩慢增加的趨勢。

3 結論

1) 在不同溫度環境和吸附壓力下，前30 min煤芯瓦斯解吸曲線符合Qt=a+b/[1+(t/t0)c]。