煤中瓦斯吸附滲透理論及實(shí)驗(yàn)研究＊

姚有利

（1.山西大同大學(xué)工學(xué)院，山西省大同市，037003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083）

我國(guó)高瓦斯煤層普遍具有較高的吸附能力，這種窒息性和爆炸性的氣體往往又是造成煤礦井下發(fā)生重大瓦斯爆炸事故的根源，當(dāng)其直接向空氣中排放時(shí)既浪費(fèi)資源又會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境污染。瓦斯吸附解吸和滲透規(guī)律是瓦斯抽采和瓦斯災(zāi)害防治的基礎(chǔ)。本研究對(duì)于改進(jìn)現(xiàn)有的抽采方法并提高抽采水平，對(duì)于煤與瓦斯的突出預(yù)測(cè)和煤礦瓦斯災(zāi)害的防治均具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由通氣裝置、溫度控制系統(tǒng)、等溫吸附解吸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成，計(jì)算機(jī)采集與處理系統(tǒng)每秒鐘記錄一組罐內(nèi)瓦斯壓力。因本套系統(tǒng)正在申請(qǐng)專(zhuān)利過(guò)程中，不便在此展開(kāi)敘述。本文采用容量法并在實(shí)驗(yàn)裝置中增設(shè)參考罐來(lái)測(cè)量瓦斯吸附解吸量，自制了3種不同粒度煤樣 （取自同一煤層），讓煤樣分別在不同壓力下進(jìn)行吸附解吸實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行分析比較。

實(shí)驗(yàn)前做好煤樣的采集與制備工作、等溫吸附系統(tǒng)的氣密性檢查及樣品罐、參考罐及自由空間體積的測(cè)定。樣品罐用來(lái)放置待研究的煤樣，參考罐用來(lái)輔助測(cè)定自由空間體積和瓦斯吸附量。樣品罐體積和參考罐體積包括罐體積、接頭、閥門(mén)導(dǎo)氣管道的通徑體積之和。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募安襟E

該實(shí)驗(yàn)的目的是研究恒定壓力下的煤體瓦斯動(dòng)態(tài)吸附規(guī)律，建立煤的瓦斯吸附量數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟是在實(shí)驗(yàn)壓力下，每當(dāng)樣品罐內(nèi)初始?jí)毫ο陆盗艘晃⑿≈怠鱌 時(shí)，向樣品罐充入甲烷，使其壓力回復(fù)到初始?jí)毫^續(xù)吸附，如此循環(huán)充氣n次，計(jì)算在此過(guò)程中的累計(jì)瓦斯吸附量。

2.2 吸附量的計(jì)算

吸附量的計(jì)算分兩部分。

（1）第一部分是樣品罐與參考罐沒(méi)有貫通時(shí)的吸附量：

式中：Qj——第j 秒煤樣吸附甲烷量，ml／g；

Qj-1—— 第j-1秒煤樣吸附甲烷量，ml／g；

pj——第j 秒樣品罐自由空間瓦斯壓力，MPa；

pj-1—— 第j-1秒樣品罐自由空間瓦斯壓力，MPa；

vf——樣品罐的自由空間體積，ml；

P0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)大氣壓力，MPa；

G—— 煤樣質(zhì)量，g；

T—— 試驗(yàn)溫度，K；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度，即273K。

（2）第二部分是樣品罐與參考罐貫通瞬間的吸附量，即參考罐甲烷的減少量減去樣品罐自由空間甲烷的增加量，甲烷吸附量計(jì)算公式：

式中：Qi——第i秒煤樣吸附甲烷量，ml／g；

Qi-1——第i-1秒煤樣吸附甲烷量，ml／g；

Pir——第i秒?yún)⒖脊迌?nèi)壓力，MPa；

Pir-1——第i-1秒?yún)⒖脊迌?nèi)壓力，MPa；

Pi——第i次秒樣品罐自由空間壓力，MPa；

Pi-1——第i-1 秒樣品罐自由空間壓力，MPa；

Vr——參考罐體積，ml；

Vf——樣品罐的自由空間體積，ml。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 基本參數(shù)測(cè)定結(jié)果

吸附罐體積的測(cè)定可分為兩組：第一組吸附罐包括1號(hào)罐 （參考罐）和2號(hào)罐 （樣品罐），第二組吸附罐包括3 號(hào)罐 （樣品罐）和4 號(hào)罐 （參考罐）。罐體積測(cè)定結(jié)果如表1所示。3 種不同粒度煤樣自由空間體積測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表1 罐體積測(cè)定結(jié)果 ml

表2 煤樣自由空間體積測(cè)定結(jié)果

3.2 吸附實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線

通過(guò)軟件數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)在各個(gè)動(dòng)態(tài)壓力點(diǎn)下吸附量曲線與吸附時(shí)間t的函數(shù)曲線f （t）=a ｛1-exp ［- （t／b）0.4］｝ （簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)間函數(shù)）比較吻合，通過(guò)調(diào)整a、b 值，得到如圖1 和圖2 所示1號(hào)煤樣1.5MPa動(dòng)態(tài)壓力點(diǎn)的吸附量實(shí)測(cè)曲線與時(shí)間函數(shù)曲線擬合圖和吸附量與時(shí)間函數(shù)線性相關(guān)圖。

圖1 1號(hào)煤樣 （1.5 MPa）吸附量實(shí)測(cè)曲線與時(shí)間函數(shù)曲線擬合圖

圖2 吸附量與時(shí)間函數(shù)線性關(guān)系

吸附量與時(shí)間函數(shù)f （t）線性相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.99以上，說(shuō)明實(shí)測(cè)曲線與時(shí)間函數(shù)f （t）曲線擬合程度較高。由此得出瓦斯吸附數(shù)學(xué)模型：

式中：Q——煤樣累計(jì)吸附甲烷量，ml／g；

a、b——參數(shù)；

t——時(shí)間，s。

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯的吸附量趨于某一定值，該定值就是最大吸附量a，故a 的單位為ml／g，b單位為s。此公式適用于煤的初始吸附量為零的情況。

3.3 吸附量分析和吸附速率分析

為便于找出參數(shù)a、b與吸附量大小、粒度大小、吸附速率的關(guān)系，現(xiàn)將參數(shù)a、b值對(duì)比分析，相同粒度的煤樣在不同壓力下的吸附量與時(shí)間的函數(shù)曲線和不同粒度的煤樣在相同壓力下的吸附量與時(shí)間的函數(shù)曲線如圖3、圖4所示。

由圖3可知，對(duì)比分析2＃煤樣和3＃煤樣在不同壓力下a值的大小，在0.55MPa和1.5MPa壓力下，2＃煤樣 （粒度較大）對(duì)應(yīng)的a 值分別為2.85和6.5，3＃煤樣 （粒度較?。?duì)應(yīng)的a值分別為2.68 和6.9，可以明顯看出相同粒度煤樣，壓力越大，a值越大，a 是與吸附壓力正相關(guān)的物理量。a的物理意義是煤的飽和吸附量，粒度小，則比表面積大，吸附量會(huì)增大，但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示的差異過(guò)大，造成這種現(xiàn)象的原因可能是粒徑大的煤樣空隙大，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)刻，瓦斯向大的空隙流動(dòng)，煤樣壓力不均勻，誤以為瓦斯被吸附了，繼續(xù)加壓，造成粒徑大的煤樣瓦斯吸附量和粒徑小的瓦斯吸附量差異比較大。

圖3 2號(hào)煤樣和3號(hào)煤樣在不同壓力下的吸附量對(duì)比圖

圖4 不同粒度的煤樣在相同壓力下的吸附量與時(shí)間的函數(shù)曲線對(duì)比 （1.5MPa）

由圖4可知，對(duì)比分析1＃、2＃、3＃煤樣在壓力為1.5 MPa下b 值分別為18、2、0.16，可以明顯看出粒度不同壓力相同的煤樣，粒徑越大，b值越大，并且相同粒徑不同壓力下b值不變，由此可得，b值是與煤體粒度有關(guān)的物理量，粒度的大小影響吸附達(dá)到平衡的所用時(shí)間長(zhǎng)短，即影響吸附速率大小，粒度越小，達(dá)到吸附平衡所用時(shí)間越短，吸附速率越快，b值越??；反之，達(dá)到吸附平衡時(shí)間越長(zhǎng)，吸附速率越慢，b值越大。

4 結(jié)論

（1）確定了實(shí)驗(yàn)方案，采用容量法并在實(shí)驗(yàn)裝置中增設(shè)參考罐的方案來(lái)間接測(cè)量瓦斯的吸附解吸量。

（2）設(shè)計(jì)采用定壓動(dòng)態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn)法來(lái)測(cè)量瓦斯吸附解吸量。

（3）建立了煤的瓦斯吸附解吸量的數(shù)學(xué)模型。本實(shí)驗(yàn)采用的是單一煤質(zhì)的煤粉，因此此模型適用于破碎煤體的吸附解吸過(guò)程，是否適用于其他破碎或完整煤質(zhì)的煤體，有待驗(yàn)證。

（4）對(duì)等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到3種不同粒度的煤樣在不同初始?jí)毫ο碌膲毫﹄S時(shí)間變化曲線和吸附解吸量隨時(shí)間的變化曲線，對(duì)比分析各種曲線，繪制定壓動(dòng)態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn)曲線，得出了瓦斯吸附速率與煤體粒度之間存在關(guān)系為煤樣的粒度越小，吸附解吸速率就越大。

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