受振粒煤瓦斯擴散特性實驗研究

2022-11-09 02:29:16陳學習金霏陽申茂良高澤帥

煤礦安全 2022年10期

陳學習，金霏陽，申茂良，高澤帥，張虎

（1.華北科技學院安全監管學院，北京 101601；2.安徽理工大學安全科學與工程學院，安徽淮南 232001）

由于能源結構的原因，我國主體能源依舊以煤炭為主。但全國部分地區煤層存在瓦斯含量高、煤層透氣性低等特點，煤與瓦斯突出事故時有發生。這類事故造成損失大，社會影響惡劣，對煤礦企業生產有巨大負面作用[1-2]。突出事故的發生與煤體自身的理化性質及煤體中瓦斯運移過程息息相關。煤作為1 種多孔介質、其孔隙結構復雜、非均質性強，蘊含在其中的瓦斯氣體流動過程復雜性高，該過程是1 個吸附-解吸-擴散的復雜流動過程。煤體中大部分瓦斯吸附在煤顆粒內表面上[3]。瓦斯在煤顆粒表面的解吸屬于物理解吸，該過程可在極短時間內完成，相對于瓦斯滲流和擴散的時間，可忽略不計。因此，煤體中的瓦斯的運移速度與擴散過程的快慢有關，有關鍵性的影響作用[4]。影響粒煤中瓦斯擴散速度的因素有很多種，經過分析發現，最具有影響效果的是煤樣粒徑[5-6]。煤粒越小，甲烷在煤體中擴散越容易，擴散速度越大。同時煤樣的初始有效擴散系數與煤樣粒徑成正相關關系，如果煤樣粒度開始不足6 mm，隨著粒度的增加，瓦斯涌出強度Q 與其為負相關關系，衰減系數β 也為負相關關系，衰減程度不一[4-7]。綜上所述，瓦斯解吸擴散規律主要與其粒徑、初始有效擴散系數有關[8-10]。而通過梳理礦山企業的安全事故，發現在有記錄的突出事故中，絕大多數是由“小擾動”引起的。這些“小擾動”是巷道掘進過程中鉆孔施工所產生[2]。有學者分析認為[2,6,11]，“小擾動”引起的振動可能會導致煤體孔隙結構產生變化，這將對煤的吸附-解吸-擴散過程有著重要影響。

通過梳理前人在振動條件下對瓦斯吸附-解吸-擴散過程中影響因素的研究，發現學者們從不同方面進行了一定程度的研究。Naderi 和Babadagli發現[12]聲波技術可以提高氣體抽采效率；Mohammadian E 等[13]研究了聲波降低煤對氣體吸附能力、提高氣體解吸率的機理；Wang HY 等[14]發現空化水射流產生的振動和熱效應可以促進氣體的解吸；Ni GH 等[15]研究了在施加脈沖條件下，水力壓裂技術對氣體解吸的影響規律，發現隨著施加脈沖的效果增加，會明顯促進氣體解吸。然而，這些研究鮮有考慮機械振動作用下，煤體瓦斯吸附-解吸-擴散過程中的流動規律。因此，為了探究機械振動對煤體瓦斯解吸的影響，通過整理一系列理論模型，發現前人通常采用常系數相關模型研究振動條件下煤體擴散特性[16]；但經過深入研究發現，隨著解吸時間的延長，氣體擴散逐漸由大孔向微孔發展，氣體擴散阻力產生差別。所以，采用常系數相關模型分析瓦斯在煤中的擴散規律是不準確的。經過總結和分析現有的氣體擴散模型的優缺點，Li 等[16-17]提出了1 種基于煤體多孔介質的動態擴散系數模型，這提高了定量研究瓦斯動態擴散過程的模型精度。

綜上，立足于實驗角度，通過建立振動-吸附-解吸實驗系統，開展機械振動條件下的煤樣解吸實驗，研究煤樣粒徑和振動頻率對氣體解吸的影響規律；以期為防治瓦斯突出工作和煤層瓦斯開采工作提供參考依據。

1 粒煤瓦斯擴散模型

影響煤粒瓦斯解吸的因素有很多，比如煤粒外表面，或者是煤的內部孔隙。瓦斯氣體在煤粒內部流動時，是1 個復雜且多變的過程，對于瓦斯氣體的流動擴散過程，單一的“菲克擴散”并不能描述完全，因此需要結合“達西流”一起描述。

于是，為了更加至關的描述瓦斯氣體的擴散過程，將煤粒通過其他物質換算，比如各向同性的均質球形顆粒，通過計算機軟件構建菲克擴散模型，計算解析解[6,18]：

式中：t 為時間標志；Qt為在t 時刻下的氣體擴散量；Q∞為從t 時刻開始到∞時刻氣體擴散總量；r0為煤粒半徑；D 為擴散系數。

t 時間內的相對解吸率用Qt/Q∞表達。當t 值較小時，式（1）可簡化為[19-20]：

極限擴散量Q∞可由下式計算[18,20]：

式中：p 為瓦斯氣體平衡壓力；p0為大氣壓力；a、b 為吸附常數；Ts、T0為測定吸附常數a、b 值時實驗溫度；T 為初始吸附溫度；Aad為灰分，Mad為水分；n 為實驗系數。

在該模型中，可以通過Q∞和Qt這2 個主要部分對模型進行理解，Q∞與物體表面有關，指的是解吸量，一部分由煤樣外表面提供，另一部分由敞開大孔表面提供；Qt為擴散量，來自于煤層內部，產生于空隙表面。然而式（4）中只說明了擴散量Qt，而解吸率與時間之間也存在一定關系，通過上式做不到直觀的表達，所以需要改進式（4），因此：

式中：A 為常數。

當t 較小時（一般在10 min 以內），通過繪制解吸率和時間關系函數圖像即可得到擴散系數D。

2 實驗裝置和實驗方法

按照實驗目的和要求，對實驗裝置進行了確定，實驗設備原理圖如圖1，進行振動作用下粒煤的解吸-擴散實驗。實驗裝置的組成部分為4 個系統，分別為供氣系統、機械振動系統、氣體吸附解吸系統、數據測量系統[11]。

供氣系統由瓦斯氣瓶、減壓閥、真空泵和截止閥組成。瓦斯氣瓶為煤樣的吸附提供高壓氣體，通過控制減壓閥獲取所需要的氣體壓力。機械振動系統構成部分主要有信號發生器、功率放大器和電動振動發生器；信號器可產生2 Hz 至2 kHz 的信號，信號可以通過功率放大器放大到500 W，通過連接電動激振器可以產生不同的振動形式和振動頻率，振動發生器的最大振動幅度為10 mm，最大振動力為200 N，最大加速度為25g；電動振動發生器通過連桿與煤樣罐連接，振動產生的能量通過連桿傳輸至煤樣罐內部。氣體吸附解吸系統由瓦斯吸脫附測定儀、瓦斯氣體吸附裝置、煤樣罐、恒溫器及截止閥組成；將煤樣罐放置在恒溫器中，通過調節截止閥進行控制，該裝置可實現抽真空、吸附氣體等功能，瓦斯吸脫附測定儀可以自動測量氣體脫附數據。數據測量系統，為了準確獲取氣體解吸數據，設備還連接了1 個外部數據采集系統；測量系統架構組成有加速度傳感器、瓦斯壓力傳感器、計算機、量筒等相關設備；壓力傳感器的精度為0.1%，加速度傳感器靈敏度為5%。

實驗煤樣來自于鄭州，由煤炭工業（集團）檜樹亭煤炭有限責任公司提供，選取煤樣的種類為貧煤，從80 m 水平的二1 煤層中取得的實驗煤樣。在實驗室通過破碎機破碎煤體，通過不同實驗樣品來獲取更為準確的結果，實驗選取了2 種粒徑煤樣，分別為1～3 mm 和0.25～0.3 mm。

首先針對粒徑為0.25～0.3 mm 煤樣進行實驗，稱取180 g 煤樣，全部倒進煤樣罐內，向罐內充進氣體，再脫氣，不斷循環這2 個操作，最大程度除掉不需要的雜質氣體。準備水浴處理，將溫度保持在30 ℃不變，充進1.0 MPa 的瓦斯氣體，開始恒壓吸附，吸附時長10 h，到達平衡狀態，進行振動和不振動的解吸實驗，振動時的頻率為30 Hz，記錄好相關數據結束實驗。稱取180 g 篩選出來粒徑為1～3 mm 的煤樣，裝進煤樣罐內重復進行上述實驗和數據記錄工作。

3 實驗結果

根據實驗過程中記錄的瓦斯擴散量數據，可求得煤樣的擴散速度。擴散量與擴散速度隨時間的變化曲線如圖2 和圖3。

由圖2 和圖3 可以看出，對于相同粒徑的煤樣，施加振動后，擴散量和擴散速度增大。圖2 中不振動條件下，2 種粒徑煤樣擴散曲線在擴散前期形成交叉，說明在擴散前期，影響擴散特性的主要因素就是煤樣粒徑的變化；在擴散后期，振動作用下的煤樣擴散量曲線明顯高于未施加振動條件下的煤樣曲線，說明振動的影響占主要作用。圖3 中，擴散前期，粒徑小的煤樣的擴散速度明顯快，一段時間后，差異性明顯縮小；解吸前10 min 內，時間是不斷發生變化的，因此解吸率Qt/Q∞也不會相同。繪制兩者的關系曲線，通過線性擬合，得到的結果如圖4～圖7。瓦斯解吸的初始有效擴散系數D，可以通過第1節的計算公式得出，結果見表1。通過觀察圖4～圖7 施加振動前后2 種粒徑煤樣擴散率與時間的關系圖，可以發現2 種粒徑煤樣在是否施加振動條件下的擬合曲線都有較高的相關性系數，相關系數R2均在0.970 以上，說明擬合的吻合程度很高，線性程度很好。2 種粒徑煤樣在施加振動前后，斜率k 值都有不同程度的增加，0.25～0.3 mm 煤樣k 值增長約為11.2%，1～3 mm 煤樣k 值增長約為7.5%。大粒徑煤樣k 值在振動前后都高于小粒徑煤樣，但其振動后的增長率卻小于小粒徑煤樣。

表1 不同條件下的煤樣初始有效擴散系數Table 1 Initial effective diffusion coefficients of coal samples under different conditions

通過觀察表1 發現：對2 種粒徑煤樣施加相同的振動頻率，大粒徑煤樣比小粒徑的煤樣擁有更大的擴散系數，數值差距約為2 個數量級。實驗發現2種粒徑煤樣，在受到一定程度的振動后，煤樣的初始有效擴散系數在振動作用的影響下都有了明顯的提升，比例分別在15.6%左右和23.6%左右，且小粒徑煤樣提升更明顯。粒徑越小的煤樣擁有越大的孔隙率，常數A 會隨著煤樣孔隙上吸附的瓦斯量的增加而變大[11]。

4 振動影響粒煤瓦斯擴散的機制分析

由上文可知，樣品受到振動作用后，瓦斯擴散量、初始擴散速度得到了一定的提高，除此之外，不同粒徑煤樣受到相同的振動作用后，瓦斯初始有效擴散系數會受到一定的影響，最終表現形式為，煤樣的粒徑越小，振動作用的影響越大。

小粒徑煤樣在相同情況下雖然解吸初期的有效擴散系數小，但其擴散速度快，并且擁有更大的瓦斯擴散量。

通過對擴散理論研究發現[21]，在影響有效擴散系數的所有因素中，其中具有非常關鍵作用的因素是有效擴散面積，通過研究發現[18]，小粒徑煤樣擁有相對其它大粒徑煤樣更大的比表面積，進而降低了平均孔徑，孔隙內部空間的瓦斯擴散長度受到了小孔徑的阻礙，在此種條件下擴散通道將減小，有效擴散截面積減少，最終使得有效擴散系數降低[3]。

對2 種粒徑煤樣施加振動前后的常數A 進行比較，當A 值更大時，小粒徑煤樣吸附量更大，說明煤樣表層和大孔上的吸附瓦斯更多。當擴散開始時，該部分瓦斯首先進行擴散，同時由于擴散通道較大，從而使得該部分瓦斯擴散速度很快。綜上所述，雖然在粒度大小方面，小粒徑煤樣不比大粒徑煤樣，但小粒徑煤樣擁有更大的比表面積，吸附能力更好，所以初始擴散速度大于大粒徑煤樣。

通過力學定律，發現加速度大小與物質的重量之間存在一定的關系，如果給予相同作用力，它們之間將互為反比例關系，所以煤樣質量越輕，受到的振動影響越強烈，產生的外力作用越明顯，煤體內的基質裂紋也越容易擴展。因此振動作用對小粒徑煤樣的瓦斯擴散特性有重要的影響。

5 結論

1）振動能促進瓦斯的擴散，增加瓦斯初始有效擴散系數。在同等振動條件情況下，解吸前期小粒徑煤樣雖然擴散系數不大，卻擁有更大的擴散速度。

2）煤樣粒徑越小，擴散長度減小，且有效擴散系數降低。