冷凍取心過程中煤心倒吸現象的探究

范道鵬，王兆豐，邢 醫

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；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 454003）

煤層瓦斯含量是瓦斯災害防治、煤層瓦斯資源勘探的基礎參數，還是煤與瓦斯突出危險性預測、防突措施效果檢驗的重要指標之一，瓦斯壓力的準確性對煤礦安全開采與防突起著至關重要的作用[1-2]。目前，井下瓦斯含量的測定方法分為直接法和間接法[3]，間接法存在測試周期長，且工藝要求高，從而其準確性較低等原因，煤礦現場測定煤層瓦斯瓦力通常采用直接法[4-6]，采用取心管取心，在實驗室進行測定煤層瓦斯含量，但取心管取樣過程中由于取心鉆頭、取心管與煤壁之間的摩擦，使煤心溫度升高加速解吸，從而推算的瓦斯含量遠遠小于原始煤層瓦斯含量[7-8]。WANG Zhaofeng 等[9]針對取心管取樣摩擦熱促進煤樣的解吸問題，提出冷凍取心抑制煤心解吸技術；王俏等[10]得出冷凍取心技術隔絕摩擦熱，使煤心處于低溫環境，煤心的解吸速度降低和瓦斯解吸量減小。近年來，針對煤的解吸規律研究，韓恩光等[11]研究了不同粒度煤的瓦斯解吸擴散規律，煤瓦斯解吸率與煤的粒度呈負相關，煤的粒度越大解吸率越小；王振等洋[12]通過構造煤與原生結構煤的孔隙特征研究瓦斯解吸規律，在同等條件下，由于構造煤微孔和小孔發育，使得構造煤的解吸能力遠遠大于原生結構煤；陳向軍等[13]研究了煤樣粒徑、吸附平衡壓力、煤樣破壞類型對煤解吸的影響，在解吸環境相同條件下，瓦斯解吸量與煤樣粒徑成負相關、與吸附平衡壓力和煤的破壞類型呈正相關；張逸斌等[14]研究了煤體結構對瓦斯解吸的影響，得到瓦斯解吸量和解吸速度隨著吸附壓力的增大而增大；郝富昌等[15]通過對軟硬煤的研究發現，由于軟煤的孔隙結構的影響，使得軟煤的解吸量與解吸速度遠遠大于硬煤。目前，國內外學者進行的實驗研究表明煤的粒徑、水分、變質程度、瓦斯壓力等因素影響煤瓦斯吸附、解吸特性，并取得了大量的研究成果，但沒有解釋低溫環境下煤心解吸后出現的倒吸現象。為此，針對冷凍取心過程中煤心解吸后的倒吸現象，通過實驗室測試，研究在低溫環境下的煤心倒吸的影響因素，研究結果完善了冷凍取心技術可靠性。

1 試驗煤樣和試驗方法

試驗采用自主研發的含瓦斯煤冷凍響應測試裝置，該裝置有5 部分組成：真空脫氣系統、旋轉升降系統、吸附解吸系統、冷熱交換控制系統、數據采集處理系統。真空脫氣系統主要由真空泵、電阻真空計等組成，主要功能是抽取測試煤樣的雜質氣體，使測試煤樣氣體達到原始煤層瓦斯濃度；旋轉升降系統主要功能是升降煤樣罐在不同試驗槽中實現不同功能；吸附解吸系統功能主要是向煤樣罐中充入瓦斯，使煤樣吸附平衡測量解吸規律；冷熱交換控制系統主要功能是進行外夾層油浴加熱模擬取心過程中的摩擦熱，通過內夾層制冷測試煤心在低溫環境下的解吸規律；數據采集處理系統主要功能是實時采集煤心溫度變化、煤心解吸量等。

為了探究低溫環境下的煤心倒吸試驗，試驗的煤樣取自神木長焰煤（CY）、六龍貧瘦煤（PS）、古漢山無煙煤（WY）、首山焦煤（JM），將采取的煤樣進行工業分析，試驗煤樣特征參數見表1。

表1 試驗煤樣特征參數Table 1 Characteristic parameters of coal samples

試驗過程大致分為3 個步驟；

1）煤樣真空脫氣。試驗之前確保所有管路處于關閉狀態，將干燥的煤樣置于煤樣罐中，打開真空泵與真空閥門；當真空計顯示10 Pa 以下時，先關閉真空閥門，再關閉真空泵，抽真空結束。

2）煤樣吸附平衡。利用升降旋轉系統將抽真空的煤樣罐放置30 ℃水浴槽中進行吸附平衡，打開高壓鋼氣瓶，向標定罐中充入高壓氣體，通過標定罐向煤樣罐進行充氣，當煤樣罐內的瓦斯壓力12 h 不變時，即認為煤樣以吸附平衡。

3）模擬冷凍取心。把制冷溫度設置為-40 ℃，打開循環系統，通過升降旋轉系統將煤樣罐放入冷凍槽中，啟動高溫油浴（+80 ℃）循環系統模擬取心過程中產生的摩擦熱，打開解吸儀進行數據采集。

2 冷凍取心過程煤心倒吸現象

2.1 吸附平衡壓力下的煤心倒吸現象

為了研究冷凍取心過程中，煤層瓦斯壓力對煤心解吸后產生倒吸現象的影響，試驗煤樣采用的是古漢山無煙煤，煤樣吸附平衡瓦斯壓力分別為1、2、3、4 MPa，得到不同吸附平衡壓力下煤樣解吸量與時間的關系曲線和煤心溫度與時間的關系曲線。不同瓦斯壓力煤心解吸量變化曲線如圖1、不同瓦斯壓力煤心溫度變化曲線如圖2。

圖2 不同瓦斯壓力煤心溫度變化曲線Fig.2 Change curves of core temperature under different gas pressures

由圖1 可知，在同一取心深度的環境下，冷凍取心過程中瓦斯壓力對煤心解吸的影響一致，解吸變化分為：前期快速解吸、短暫解吸結束、出現倒吸現象、后期倒吸結束。煤心吸附平衡壓力對煤心倒吸影響明顯，隨著煤心吸附平衡壓力的增加倒吸量越少，倒吸時間越長。

圖1 不同瓦斯壓力煤心解吸量變化曲線Fig.1 Change curves of coal core desorption under different gas pressures

由圖2 可知，煤心吸附平衡壓力增大，冷凍取心過程中煤心溫度越低，煤心溫度降低速度越快，導致煤心倒吸速度越快，當煤心溫度低于一定溫度時，倒吸速度逐漸減小。溫度在15～-10 ℃煤心溫度下降速度最快，導致煤心倒吸速度最快。將圖2、圖3 解吸過程中倒吸數值進行整理，不同煤心壓力倒吸數值見表2。

表2 不同煤心壓力倒吸數值Table 2 Reverse suction values under different coal core pressures

由表2 可知，煤心吸附平衡壓力對倒吸影響明顯，在同等條件下，隨著煤心瓦斯壓力的增大，煤心解吸后出現倒吸現象的時間越長，而煤心倒吸持續的時間變短；其解吸量隨著吸附平衡壓力的增大而增大，煤心出現倒吸現象的溫度也隨吸附平衡壓力的增大而減小；倒吸過程中煤心溫度發生著變化。根據數據分析得出溫度與解吸量的關系曲線，不同瓦斯壓力煤心倒吸量與溫度關系曲線如圖3。

圖3 不同瓦斯壓力煤心倒吸量與溫度關系曲線Fig.3 Relationship curves between coal core back suction volume and temperature for different coal core pressures

由圖3 可知，不同瓦斯壓力下，其煤心倒吸量有明顯差距，吸附平衡壓力越大其倒吸量在減少，其原因在于煤心初始吸附平衡壓力越大，冷凍解吸后的殘余瓦斯壓力越大，游離瓦斯越多阻礙煤樣罐負壓的增大，從而導致倒吸量減少。隨著冷凍取心過程煤心溫度的降低，其煤樣罐的負壓變大，導致煤心倒吸量在增大，倒吸速度在逐漸減小。不同瓦斯壓力下，冷凍取心過程中煤心溫度在15～-5 ℃，煤心倒吸的速度最快。

2.2 煤變質程度下的煤心倒吸現象

為了探究在冷凍取心過程中，煤變質程度對煤心瓦斯解吸出現倒吸現象的影響，在等壓2 MPa、等粒徑1～3 mm、等破壞類型的條件下進行試驗，試驗煤樣采用的長焰煤、焦煤、貧瘦煤、無煙煤。不同變質程度煤心解吸量變化曲線如圖4，不同變質程度煤心溫度變化曲線如圖5。不同變質程度煤心倒吸數值見表3。不同變質程度煤心倒吸量與溫度關系曲線如圖6。

圖6 不同變質程度煤心倒吸量與溫度關系曲線Fig.6 Relationship curves between back suction amount of coal core with different metamorphic degrees and temperatures

表3 不同變質程度煤心倒吸數值Table 3 Reverse suction values of coal core under different metamorphic degrees

由圖4、圖5 可知，在同等條件下，低溫環境對不同變質程度的瓦斯解吸規律和煤心溫度變化規律相同，變質程度高的無煙煤解吸量最大，變質程度低的長焰煤解吸量最小，變質程度越高其煤心瓦斯解吸量越大，出現倒吸現象的時間越長，在冷凍取心過程中由于鉆頭和鉆桿與煤壁的摩擦生熱，導致低溫取心過程25～60 min 其煤心溫度下降的最快。

圖4 不同變質程度煤心解吸量變化曲線Fig.4 Change curves of desorption capacity of coal core with different metamorphic degrees

圖5 不同變質程度煤心溫度變化曲線Fig.5 Change curves of coal core temperature under different metamorphic degrees

由表3 可知，不同變質程度煤對倒吸影響明顯，在同等條件下，隨著變質程度的增高，其解吸時間越長、出現倒吸的時間越長、倒吸量越大、倒吸持續的時間越長；不同變質程度煤出現倒吸的溫度與倒吸結束的溫度相差無幾。

由圖6 可知，低溫取心過程中，不同變質程度其倒吸量不相同，變質程度越高倒吸量越大，同等溫度下，倒吸量與變質程度成正比關系，倒吸速度都隨溫度的降低呈減小關系。由于變質程度越高其瓦斯吸附量越大，其解吸量隨著變質程度的增高而增大，從而導致倒吸量也越大。由于冷凍取心過程中+15～-5℃溫度下降的速度最快，隨著溫度持續降低，使煤樣罐處于負壓狀態，導致在該溫度下倒吸速度最快。

3 結 論

1）同一取心深度，瓦斯解吸量變化可分為4 個階段：前期快速解吸、短暫解吸結束、出現倒吸現象、后期倒吸結束。在冷凍條件相同時，同一取心深度下，瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力的增加而增加，解吸后的倒吸量也隨著吸附平衡壓力的增加而增加，且低壓（1、2 MPa）與高壓（3、4 MPa）解吸量和倒吸量差異明顯。

2）煤心瓦斯倒吸速度的變化可以分2 個階段：快速減小階段、緩慢減小階段。在冷凍條件相同時，同一煤心深度，煤心瓦斯壓力越大，煤心瓦斯倒吸所需要的時間越短；同一瓦斯壓力，煤心變質程度越高，煤心倒吸所需要的時間越長。