電場實時加載下煤層氣解吸-擴散特性實驗研究

周 勇 ，雷東記

（1.國家能源集團烏海能源有限責任公司，內蒙古 烏海 016000；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000）

煤炭是我國重要的能源，占我國一次能源構成56% 左右，是國家經濟和社會發展的基礎[1]。雖然我國煤礦總儲量大，但分布廣泛，其中大多數煤田為低透氣性煤層，煤層滲透率低，開采難度大。為了消除礦井煤與瓦斯的突出危險性，提高煤層的透氣性，目前國內外主要通過水力壓裂、水力割縫、注氣、預裂爆破、水平井技術、物理場激勵等[2-7]增滲技術來提高煤層氣的抽采率。姜永東等[8]、宋曉[9]針對聲波作用對煤體瓦斯吸附解吸特性、滲透性、解吸-擴散特性等進行研究，結果表明：聲場作用下煤體吸附能力下降，且隨著施加聲場的增大呈線性下降的規律，聲場作用與未加聲場作用煤體瓦斯解吸規律相似，均為初始解吸速度較大，隨著時間的增長，瓦斯解吸速度逐漸減小，但聲場下總解吸量仍大于未加聲場的量；雷東記等[10]通過研究外加靜電場激勵煤體瓦斯快速解吸，得出煤樣的變質程度與施加場強的大小對瓦斯解吸特性存在關聯，歸因于電場作用下煤體內瓦斯分子發生極化效應進而會影響煤樣瓦斯解吸-擴散特性；趙勇[11]利用自制低頻激振瓦斯吸附解吸實驗系統，探究了不同頻率下煤體吸附性能變化規律，結果表明，受振頻率為10 Hz 時，會促進瓦斯的吸附，20、30 Hz 下抑制吸附，煤瓦斯吸附飽和與未飽和狀態下的吸附性能響應特征并不相同；何學秋[12]實驗研究了交變電磁場對煤體吸附性能的影響特征，結果表明，交變電磁場不但能夠減弱煤體的吸附性能，而且使得煤體內瓦斯分子的動態特性變得活躍，提高了瓦斯擴散，增加了煤體滲透性；于永江等[13]研究得出：超聲波引誘熱效應，會導致煤-煤層氣系統溫度升高，引起煤分子和煤層氣分子的熱運動加劇，動能增大，促進煤層氣分子脫附，提高煤層氣解吸率；胡國忠等[14]實驗研究了可控源微波強化下煤體解吸擴散特征，分析了微波場下煤體的損傷效應與電磁輻射熱效應，結果表明：一方面可控源微波場能夠將電磁能轉化為煤體內能，促進煤體內瓦斯的解吸擴散，另一方面，微波場強化下煤基質會發生失水收縮、礦物界面分離、產生新的孔洞等，引起煤體內部氣相體積增大、孔隙變大、裂隙得到擴展等，有利于瓦斯的解吸性能；周曉亭等[15]采用電脈沖技術對煤樣品進行實驗，探究對煤體滲透性能的影響，結果表明，電脈沖重復加載次數越多，煤體微裂隙密度越大，產生的新裂隙也越多，可以極大促進煤儲層的滲透性能，并指出脈沖電下煤體破壞包括微裂隙產生階段、微裂隙發育和強化階段、煤巖解體階段3 個階段。

綜上所述，聲場、電磁場、振動場、微波場、超聲波、電脈沖等對煤層氣的解吸擴散特性都有顯著的影響。而目前電場下煤體研究主要集中于吸附性、滲透性及瓦斯放散初速度特性，而鮮有煤體瓦斯擴散特性的研究。基于此，采用自主研發的電場加載下的煤層氣解吸-擴散裝置，實驗研究不同的電場強度下的煤層氣的解吸-擴散規律，結合冪函數擴散模型計算不同電場強度作用下煤層氣擴散系數的變化特征，從而揭示電場對于提高煤層氣抽采率的機理。

1 實驗設備及方法

1.1 實驗設備與煤樣制備

實驗選用自主研發的電場加載下煤層氣解吸-擴散測定裝置。電場作用下煤中甲烷解吸-擴散裝置示意圖如圖1。裝置由真空抽氣、氣體吸附、溫度控制、電場控制和瓦斯解吸測定等5 個單元構成，能夠測定不同場強下煤層氣解吸-擴散量。電場控制單元采用自制的直流電源，可以提供0、30、60、90 kV/m 等不同的場強；恒溫箱提供實驗溫度恒定在（30±0.5 ）℃范圍內。

圖1 電場作用下煤中甲烷解吸-擴散裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of methane desorption-diffusion device in coal under electric field

煤樣選自河南省煤化集團趙固二礦原生結構煤，變質程度為無煙煤。將保存完整的塊狀煤樣切割成50 mm×50 mm×50 mm 方形塊狀煤樣；切割后將剩余的煤塊經過破碎機進行破碎后選篩取粒徑為200～250 μm 的煤樣。將制備好的顆粒煤樣放入真空干燥箱中干燥，設置溫度為75 ℃；干燥6 h 后，取出使用靈敏度較高的電子天平稱取50 g為1 份，稱取2 份，裝入密封袋中保存。煤樣基本參數為：①真密度：1.64 g/cm3；②視密度：1.49 g/cm3；③孔隙率：8.2%；④堅固性系數：1.85；⑤水分：2.18%；⑥灰分：17.97%；⑦揮發分：6.56%。

1.2 實驗步驟

1）實驗開始前先調節恒溫箱的溫度，使溫度恒定在（30±0.5）℃范圍內；稱取50 g 干燥好的實驗煤樣裝入煤樣罐中，擰緊電場發生裝置罐蓋，并連接好相應的管路；再檢查裝置氣密性，向實驗系統充入壓力為2.5 MPa 的氦氣，關閉閥門，記錄6 h 內系統氣體壓力是否發生變化，若保持不變則裝置的氣密性良好；將氦氣放出，使用真空泵對參考罐、電場發生裝置及連接管路等進行抽真空，待實驗系統內部真空度2 h 維持在10 Pa 以下，關閉連接閥門后再關閉真空泵。

2）打開高壓氣瓶，向參考罐充入一定壓力的氣體后，由參考罐為電場發生裝置進行供氣，在整個吸附過程不開啟高壓電源。首先參考罐向電場發生裝置中充入實驗設定壓力的氣體，充氣完畢后關閉對應連接閥門，使煤樣充分吸附，每當壓力低于實驗設定值2 MPa 時，再次由參考罐為其充氣，直至吸附平衡壓力長時間保持在2 MPa，則吸附達到平衡，整個吸附過程不得低于12 h。

3）測定煤樣解吸量。先記錄實驗室溫度及當天大氣壓力值，開啟高壓電源并通過電壓控制旋鈕設定并顯示輸入、輸出電壓值；接著打開放空閥將電場發生裝置內的游離氣體放出，待壓力表讀數為0 MPa 的瞬間，打開解吸儀開關，同時點擊高壓電源輸出開關進行供電，每隔1 min 記錄解吸儀讀數，實驗進行120 min 后終止；再選取1份50 g 干燥好的實驗煤樣進行1 次完整重復實驗。最后將實驗記錄數據進行計算與整理，依據實驗分析需求進行相應圖像繪制與比較。

2 實驗結果

2.1 電場作用下煤體解吸特性

吸附過程均為未加電場狀態且每次實驗吸附平衡壓力均為2 MPa，電場場強參數分別為：0、30、60、90 kV/m，主要吸附氣體為：甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），實驗溫度為30 ℃。實驗測定煤體電場下甲烷和二氧化碳在120 min 中的解吸曲線，電場加載下煤體解吸CH4曲線如圖2，電場加載下煤體解吸CO2曲線如圖3。

圖3 電場加載下煤體解吸CO2 曲線Fig.3 CO2 desorption curves of coal under electric field loading

由圖2、圖3 可知：電場實時加載下的煤體解吸量曲線形狀基本相同，均是解吸量前期增加的速度非常快，隨后趨于平緩；不同場強下煤體解吸能力均得到了不同程度的提高，具有明顯的促進作用；由于電場加載的場強不同，煤體解吸CH4和CO2的響應情況具有一定的差異性；其中，電場實時加載場強逐漸增大為30、60、90 kV/m條件下，120 min 內煤體解吸量均大于未加電場時的狀態，但區別較小；而不同電場對煤體解吸CO2影響特征更加明顯，隨著電場場強的增大，煤體解吸CO2性能依次得到提升，且均高于未加電場的狀態，對煤體促進解吸具有非常好的效果；電場加載下煤體解吸CO2比CH4前期解吸量增長更陡峭一些，但煤體解吸CO2的解吸量曲線衰減的更快一些，這可能與不同吸附質本身的特性相關。

2.2 電場作用下煤體解吸動力學分析

煤層氣的解吸速率的快慢是反映煤層氣解吸性能的關鍵因素之一，在了解不同加載電場強度對煤瓦斯解吸量影響的基礎上，進一步探究電場對解吸速度的影響，進而揭示電場場強、解吸量、解吸速度三者之間的關聯。電場下煤體解吸CH4解吸速度變化曲線如圖4，電場下煤體解吸CO2解吸速度變化曲線如圖5。

圖4 電場下煤體解吸CH4 解吸速度變化曲線Fig.4 Desorption velocity curves of CH4 desorption from coal under electric field

圖5 電場下煤體解吸CO2 解吸速度變化曲線Fig.5 Desorption velocity curves of CO2 desorption from coal under electric field

由圖4、圖5 可知：煤樣在不同電場加載作用下解吸速率規律大體一致，均隨著解吸時間的增大，CH4和CO2解吸速率減小，最終趨于0；煤樣在解吸初期，解吸速率均下降很快，隨著解吸時間增加，解吸速率趨于相同；煤樣在電場實時加載下的解吸速度均得到了不同程度的增大，且在一定時間內CH4和CO2解吸速度大于未加電場時的值；電場強度為90 kV/m 時，煤體的初始解吸速度為各場強的最大值，且隨著施加場強的減小，瓦斯初始解吸速度依次減弱，但均大于未加電場的狀態；相比而言，電場實時加載場強30、60、90 kV/m 條件下，煤體初始解吸速度與未加電場相比，解吸CH4速率依次提升了6.9%、15.3%、14.6%，解吸CO2速率依次提升3.4%、6.7%、9.2%；在電場加載過程中，煤體初始解吸速度較大，隨時間的延長，瓦斯解吸速度逐漸降低，且降幅不斷減小；解吸初期不同場強之間的瓦斯解吸速度離散性較大，2 min 后瓦斯解吸速度曲線趨于重合并達到穩定值。

總體來說，電場對瓦斯解吸速度的影響可分為3 個階段：①第1 階段為加速期：120 s 之前解吸速度較快；②第2 階段為緩慢期：120～240 s 解吸速度稍高于未加載電場時的解吸速度；③第3階段為穩定期：240 s 后加電場和未加電場的解吸速度將趨于重合。因此，瓦斯解吸量的增大其中一方面是由于電場提高了CH4和CO2解吸初期的解吸速度引起的。

3 電場作用下煤中甲烷擴散特性

瓦斯擴散系數是表征煤中瓦斯解吸擴散特征的基本參數，基于菲克定律建立的含瓦斯煤體吸附解吸動力學模型是目前應用最為廣泛的經典數學模型。描述瓦斯擴散過程的模型主要包括單一孔隙擴散模型、雙孔隙擴散模型等，但這些模型具有一定的局限性，無法準確表達煤粒甲烷的擴散過程[16-18]。不同于傳統擴散模型，冪函數擴散模型對于描述顆粒煤甲烷解吸擴散過程具有較高準確性，有利于分析甲烷解吸過程解吸量的動態變化特征。因此，選用冪函數動擴散模型研究不同強度電場加載下瓦斯擴散規律的變化特征。為探討顆粒煤吸附甲烷的擴散規律，作出幾點假設：①煤粒為各向同性的球體；②甲烷吸附為等溫過程，并將甲烷氣體看做理想氣體；③煤體吸附甲烷過程遵從質量守恒定律及連續性原理；④吸附過程是在濃度梯度作用下進行的；⑤擴散系數D與時間t關系符合冪函數關系D（t）=atb[19]。

顆粒煤瓦斯達到吸附平衡后，煤粒內部的瓦斯濃度為c0，而當其突然暴露在大氣中時，煤粒表面甲烷濃度迅速降低，其表面濃度也會降為c1，這樣煤粒的內部和外部會形成一定的濃度差，從而導致瓦斯在濃度差的作用下從煤粒中心向表面進行流動。其初始條件和邊界條件如下所示：

式中：a、b為常數，可通過實驗數據求得；c為擴散流體的濃度，mL/g；c0為吸附平衡時的甲烷含量，mL/g；c1為1 個大氣壓下甲烷吸附量，mL/g；D為擴散系數，m2/s；r為極坐標半徑，mm；r0為煤粒半徑，mm；t為擴散時間，s。

采用變量代換法將上述方程化為一維線性流動方程，并運用分離變量法對方程進行求解，得到下列等式：

式中：Qt為t時刻的累計擴散量，mL/g；Q∞為極限擴散量，mL/g；Qt/Q∞為t時刻的累計擴散率；n為項級數。

極限擴散量Q∞為初始含氣量Q與大氣壓下的終態含氣量Qa的差值，即Q∞=Q-Qa，實驗室條件下Q和Qa按下面公式計算[20]：

式中：Q為初始總含氣量，cm3/g；a1、b1為可燃基吸附常數；p為吸附平衡壓力，MPa；Ad為煤的灰分，%；W為水分，%；ρ為煤視密度，g/cm3；φ為孔隙率；tw為平衡溫度，℃。

計算大氣壓下的終態平衡含氣量Qa時,以常壓下的平衡壓力p0=0.1 MPa 代替式（3）中的壓力p。

本文實驗條件下，極限擴散量按Q∞=Q-Qa,擴散率按Qt/Q∞計算。

依據冪函數擴散模型中的F與t的關系式可以得出擴散系數與時間的關系式，不同場強下煤粒甲烷擴散參數見表1。不同場強間隔的動擴散系數如圖6。

表1 不同場強下煤粒甲烷擴散參數Table 1 Methane diffusion parameters of coal particles under different electric field strength

圖6 不同場強間隔的動擴散系數Fig.6 Dynamic diffusion coefficients with different field strength intervals

由圖6 可以看出，煤體的擴散系數并不是1個常數，而是隨著時間變化的，前期擴散系數較大，后趨于平緩；不同場強連續加載下，相同時間內煤體甲烷擴散系數均大于未加電場時的擴散系數，且場強越大初始甲烷擴散系數也越大；煤體內甲烷擴散前600 s 擴散系數變化較大，之后擴散系數變化基本相同。

因此，電場的加載可以顯著的提升煤體初始擴散系數，與未加電場狀態相比，電場強度為30 kV/m 初始擴散系數增長11.7%，電場強度為60 kV/m 初始擴散系數增長25.8%，電場強度為90 kV/m 初始擴散系數增長28.3%。由此可見，電場作用可以明顯提高煤體甲烷的擴散特性，擴散系數越大，代表甲烷越容易從孔隙進入裂隙系統，也越容易解吸出來。

電場強化下煤體擴散系數具有隨著場強的增大而增大的變化特征，前人在研究中發現電場作用會使煤體內瓦斯分子發生極化效應，引起煤體內微小孔的體積和比表面積增加或減小，使得煤體吸附量發生改變[10]。因此，認為電場實時加載下煤體會發生電動效應、熱效應和激發極化效應，受其影響煤體一方面提高了系統內部溫度與分子間的作用勢，促進瓦斯擴散性能；另一方面改變了煤體孔隙結構，連通了瓦斯流動通道，減小了瓦斯擴散過程受到的阻力，促進瓦斯解吸。

4 結語

1）電場實時加載下，煤體解吸CH4和CO2的量均隨著施加電場場強的增大而有所提高，都大于未加電場時的狀態，且電場強化作用下煤體初始解吸CH4與CO2速率與未加電場相比分別提高了6.9%～14.6%和3.4%～9.2%，表明電場促進煤體解吸和放散瓦斯的初始解吸速度。

2）相同時間內，電場加載下煤體CH4冪函數擴散結果顯示，擴散模型擬合結果與實驗值高度吻合，能夠準確反映出瓦斯擴散變化特征；受電場影響瓦斯擴散系數均提高了11.7%～28.3%，且初始擴散系數具有隨著場強的增大而增大的變化特征，表明電場促進了瓦斯的解吸-擴散。

3）電場實時加載下煤體會發生電動效應、熱效應和激發極化效應：一方面提高了系統內部溫度與分子間的作用勢促進瓦斯擴散；另一方面改變了煤體孔隙結構，連通了瓦斯流動通道，減小了瓦斯擴散過程受到的阻力，促進瓦斯解吸。