煤樣瓦斯多次充氣吸附過程溫度變化規(guī)律

楊 濤，葉秋生，顧勇攀，劉夢(mèng)杰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 燕郊 065201)

由于自身存在大量的孔隙和裂隙，煤作為一種天然的多孔介質(zhì)，是瓦斯吸附的一個(gè)良好載體[1-3]。多年以來，煤炭一直是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源，與此同時(shí)，煤礦開采隨著深度的增加也面臨著巨大的安全問題。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，自2010年以來，我國(guó)煤炭產(chǎn)量一直維持在30億t以上，產(chǎn)量的提高加之煤層中瓦斯的存在，使得瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故頻發(fā)[4，5]。研究煤與瓦斯吸附的規(guī)律，對(duì)了解煤與瓦斯之間作用機(jī)理具有良好的參考價(jià)值，對(duì)預(yù)測(cè)瓦斯突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)也有十分重要的意義。

瓦斯吸附是由于范德華力作用下瓦斯附著在煤體表面的一種物理現(xiàn)象，吸附過程伴隨著能量的變化，瓦斯吸附會(huì)放出熱量，引起煤樣罐體溫度的升高。近幾年來，大量學(xué)者研究了瓦斯吸附過程中溫度的變化規(guī)律，得出了一些可靠的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論[6]。牛國(guó)慶等[7]分別用氮?dú)?、瓦斯等氣體做了吸附實(shí)驗(yàn)，得到不同氣體的吸附速率不同，溫度升高的變化程度也有差異。楊濤等[8，9]利用不同粒徑、不同變質(zhì)程度的煤樣在在恒溫條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，說明吸附溫度隨著吸附量的累積增大而升高，且不同粒徑、不同變質(zhì)程度的煤溫度變化也不一樣。馬月彬等[10]通過不同煤樣在不同壓力下進(jìn)行瓦斯吸附過程中溫度場(chǎng)變化的實(shí)驗(yàn)，得出煤樣罐中某點(diǎn)的溫度變化最大值與中心點(diǎn)處的比值和該點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離成二次函數(shù)關(guān)系式。周動(dòng)[11]通過實(shí)驗(yàn)得出，不同壓力作用下，煤吸附瓦斯升溫過程具有一致的非均勻特征，溫度變化的明顯程度與壓力大小有關(guān)。關(guān)于吸附會(huì)釋放熱量使煤體溫度升高，溫度升高的程度與壓力有關(guān)已經(jīng)有一致的認(rèn)識(shí)。但是，過去的學(xué)者未對(duì)多次充氣達(dá)到吸附平衡進(jìn)行系統(tǒng)研究。煤體中的瓦斯并非一次性生成，而是在成煤過程逐漸形成的，所以本文主要利用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次充氣，研究不同壓力下瓦斯吸附過程中溫度變化，有利于掌握瓦斯吸附過程中的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，對(duì)研究煤層煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有一定的借鑒依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)采用的是經(jīng)過改進(jìn)的吸附解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——含瓦斯煤體注熱促解吸模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，主要用于采集壓力和溫度變化；真空泵系統(tǒng)，可對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)抽真空；反應(yīng)釜(即煤樣罐)系統(tǒng)，瓦斯吸附和解吸的主要場(chǎng)所；參考罐系統(tǒng)，用于向反應(yīng)釜充氣；高壓氣瓶，向系統(tǒng)提供一定壓力的氣體；溫度傳感器和壓力傳感器系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)反映當(dāng)前溫度變化和壓力變化等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

1—高壓甲烷；2—參考罐；3—煤樣罐；4—銅管；5—7—質(zhì)量流量計(jì)；8—電子天平；9—計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)；10—真空泵；11—磁力旋轉(zhuǎn)裝置；12—高壓氦氣；13—減壓閥；14、15—壓力傳感器；16—19—溫度傳感器

此次采集系統(tǒng)中的溫度傳感器是WZP-35型鉑熱電阻溫度傳感器，這種傳感器溫度范圍大，測(cè)量精度高。主要由熱電阻或熱電偶、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元組成。溫度傳感器參數(shù)見表1。

表1 WZP-35型鉑電阻溫度傳感器參數(shù)

為了滿足實(shí)驗(yàn)精度需要，質(zhì)量流量計(jì)有5L和500mL兩種，5L流量計(jì)用于解吸初期，流量較大，500mL流量計(jì)用于解吸后期流量在500mL以下時(shí)，兩種流量計(jì)混合使用可以提高流量的測(cè)量精度。采集是D08-8CM流量積算儀。集合VB編程系統(tǒng)的使用，此流量系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的反應(yīng)瞬時(shí)流量和累積流量。流量積算儀和流量計(jì)參數(shù)見表2。

表2 D08-8CM型流量積算儀

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 煤樣制作

實(shí)驗(yàn)煤樣取自山西某高瓦斯煤礦15#煤層。取樣后，將煤樣破碎并篩選出粒徑范圍為60～80目的煤樣，裝入密封袋貼上標(biāo)簽，為實(shí)驗(yàn)所用。另外，再篩選0.2mm以下的煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果見表3。

表3 煤樣工業(yè)分析結(jié)果

1.2.2 吸附實(shí)驗(yàn)

氣密性是瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵一環(huán)，將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接好，計(jì)算機(jī)采集裝置記錄，充入3MPa的氦氣保壓24h，若壓力保持不變，則氣密性良好，接下來抽真空，用固定體積1L的參考罐對(duì)煤樣罐的自由空間體積進(jìn)行標(biāo)定。關(guān)閉全部氣體閥門，先對(duì)1L參考罐充入壓力為P1，然后打開參考罐與煤樣罐之間的氣體閥門，記下平衡壓力為Pe，利用氣體平衡方程得出煤樣罐的固定體積，方程[12]如下：

式中，VR為參考罐的體積，m3(已知)；Vs為樣品罐體積，m3；ZR為參考罐初始?xì)怏w的壓縮因子，無量綱；Zf為樣品罐初始?xì)怏w的壓縮因子，無量綱；Ze為平衡條件下氣體的壓縮因子，無量綱；P1為參考罐充氣壓力，MPa；P2為樣品罐原始?jí)毫?，MPa；Pe為平衡壓力，MPa；T1、T2、T3分別為對(duì)應(yīng)于P1、P2、Pe時(shí)的溫度。

利用相同的方法，對(duì)裝樣后的煤樣罐“死體積”進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完后抽真空，進(jìn)行加壓吸附。分別一次或者分幾次加壓，進(jìn)行瓦斯吸附，得到的不同平衡壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 多次充氣吸附過程溫度分析

2.1 吸附溫度變化與壓力之間的關(guān)系

瓦斯吸附過程中伴隨著能量的轉(zhuǎn)換[13]，溫度變化是能量變化的體現(xiàn)。過去很多學(xué)者從實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證明，吸附過程是一個(gè)放熱過程[14]，隨著瓦斯分子不斷吸附，動(dòng)能降低，降低的動(dòng)能經(jīng)過轉(zhuǎn)化成為內(nèi)能，使煤體溫度會(huì)出現(xiàn)升高。充氣前，煤樣罐溫度保持不變，當(dāng)打開閥門時(shí)，溫度傳感器顯示溫度持續(xù)升高，達(dá)到一定溫度后，由于煤樣罐有保溫效果，煤體溫度再次保持在一個(gè)恒定值，直至吸附平衡。在整個(gè)吸附過程中，雖然存在保溫效果，如果吸附時(shí)間足夠長(zhǎng)，罐內(nèi)外溫度終將變成一樣[15]。

在充氣前期，吸附壓力差比較大，吸附量大，吸附速率快，溫度變化明顯上升，煤體溫度受外界的影響較小。到達(dá)峰值后，溫度先保持一段水平，此時(shí)吸附產(chǎn)生的熱與室溫的熱交換保持平衡。隨著時(shí)間增加，吸附量會(huì)逐漸增大，壓力差會(huì)逐漸減小，吸附速率減慢，溫度變化主要受到室溫的影響，將慢慢出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。處于煤樣罐中間的溫度會(huì)增加明顯，降低時(shí)會(huì)偏緩，處于邊緣的溫度會(huì)更快的接近室溫。此處以平衡壓力為0.55MPa時(shí)瓦斯吸附過程中溫度變化為例，來說明瓦斯吸附過程中的溫度變化，可以得出吸附前期溫度急劇升高，而到吸附后期，溫度會(huì)受到室溫的影響出現(xiàn)波動(dòng)，波動(dòng)情況如圖2所示。

圖2 0.55MPa瓦斯吸附過程溫度變化

煤樣罐(即反應(yīng)釜)未充入氣體前，溫度和室溫保持一致。單次充不同壓力的瓦斯進(jìn)行吸附，溫度變化不同。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上來看，單次充氣時(shí)，當(dāng)充氣壓力較小(即壓力差較小)時(shí)，溫度上升速率較慢，溫差變化相對(duì)較??；充氣壓力差越大時(shí)，溫度上升更為明顯，溫差變化越大，溫度變化幅度表現(xiàn)為4.02MPa>3.03MPa>2.58MPa，參考罐初次充入不同壓力進(jìn)行吸附溫度變化如圖3所示。

圖3 單次不同充氣壓力瓦斯吸附過程溫度變化

利用單次充氣的原理和方法對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行多次充氣實(shí)驗(yàn)，在完成第一次充氣使煤體吸附瓦斯一段時(shí)間后，利用參考罐向反應(yīng)釜進(jìn)行二次充氣，待吸附反應(yīng)一段時(shí)間，然后進(jìn)行三次充氣，一定時(shí)間后再進(jìn)行第四次充氣，直至達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，第一次充氣時(shí)，煤樣罐體處于負(fù)壓狀態(tài)，壓力差較大，吸附過程溫度變化最大；第二次充氣壓力較首次充氣壓力差大，溫度變化幅度反而較??；第三次充氣壓力差較小，溫度變化低于第二次充氣；直至第四次充氣，壓力差最小，吸附過程溫度變化也最小。多次充氣吸附過程溫度變化趨勢(shì)如圖4所示，最大溫度變化見表4。

圖4 多次充氣過程中不同壓差瓦斯吸附過程溫度變化

表4 多次充氣過程中壓力與最大溫度變化

對(duì)于不同的充氣壓力，溫度變化梯度明顯有差異，分析認(rèn)為有以下幾點(diǎn)原因：

1)溫度上升的幅度大小與氣體分子碰撞幾率和次數(shù)有關(guān)。由于氣體分子本身處于無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)中，體積和溫度一定時(shí)，充氣壓力越小，氣體分子相對(duì)較少，碰撞幾率和次數(shù)就相對(duì)較低，溫度上升較為緩慢；當(dāng)充氣壓力越大時(shí)，所含氣體分子越多，碰撞幾率和次數(shù)增大，氣體分子本身的撞擊與摩擦越多，導(dǎo)致溫度升高也就越大。

2)煤粒自身的擠壓與摩擦，會(huì)生成大量熱，造成溫度的變化。甲烷氣體進(jìn)入煤體的過程中，煤體剛開始處于一種低壓力的平衡狀態(tài)，當(dāng)高壓氣體進(jìn)入煤體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)效果。這種擾動(dòng)會(huì)造成煤體的裂隙出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)和擠壓，摩擦而產(chǎn)生熱量。

3)多次充氣達(dá)到吸附平衡時(shí)，吸附過程溫度變化不僅受壓力差的影響，還會(huì)受到吸附速率的影響。吸附速率快，溫度變化越快，吸附速率小，溫度變化越小。

從以上分析可以得出，單次充氣時(shí)，吸附過程中的溫度變化主要與壓力變化幅度有關(guān)，壓力差小，溫度變化小，壓力差大，溫度變化大；多次充氣時(shí)，溫度變化不僅僅與壓力差的大小有關(guān)，造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)槲竭^程中的溫度變化不只是受到壓力的作用，還受到吸附速率的影響。將溫度變化與時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，得到充氣吸附過程中的溫度變化的與時(shí)間之間的關(guān)系呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系式，得到的R2在0.9以上，擬合程度較高。

2.2 吸附溫度變化與吸附速率的關(guān)系

瓦斯接觸煤體時(shí)，會(huì)在煤體表面或孔隙內(nèi)產(chǎn)生積蓄，這種現(xiàn)象稱之為瓦斯吸附[16]。吸附過程會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，瓦斯分子向煤體表面移動(dòng)，瓦斯分子的運(yùn)動(dòng)速率會(huì)大大降低，放出大量熱[17]。煤體瓦斯吸附過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，充入氣初期，由于壓力差較大，吸附速率最快，壓降明顯。隨著吸附時(shí)間的增加，壓力變化梯度逐漸變小，直至吸附平衡狀態(tài)。在此過程中，煤樣罐溫度變化與吸附速率變化趨勢(shì)一致，而與吸附量的變化趨勢(shì)相反。吸附前期，單位時(shí)間內(nèi)煤體吸附瓦斯量多，吸附速率快，溫度上升明顯；吸附后期，單位時(shí)間內(nèi)吸附瓦斯量少，吸附速率減緩，溫度變化趨于平緩，吸附量與吸附速率變化趨勢(shì)如圖5所示，吸附速率與溫度變化如圖6所示。

圖5 0.55MPa瓦斯吸附量與吸附速率

圖6 0.55MPa瓦斯吸速率與溫度變化

從圖5，圖6可知，吸附初期，吸附速率較快，吸附量增加明顯，溫度變化大，隨著吸附的進(jìn)行，吸附速率變小，溫度變化也隨之變慢。分析其原因，因單次充氣時(shí)，充氣壓差越大時(shí)，吸附速率越快，瓦斯分子因吸附而釋放出的能量越多，溫度升高快。充氣壓差較小時(shí)，吸附速率較慢，瓦斯分子因吸附而放出的能量相對(duì)較少，溫度升高較慢。而多次充氣時(shí)，瓦斯吸附時(shí)的溫度變化不僅與充氣壓力差的大小有關(guān)，還與吸附速率有關(guān)，且溫度變化與吸附速率的變化趨勢(shì)一致。

3 結(jié) 論

1)單次充氣時(shí)，瓦斯吸附過程的溫度變化主要與充氣壓力與煤樣罐本身壓力之間的壓差有關(guān)，壓力差越大，溫度變化梯度越大，壓力差越小，溫度變化梯度越小。

2)多次充氣時(shí)，瓦斯吸附過程的溫度變化不僅與充氣壓力差有關(guān)，還與吸附速率有關(guān)，溫度變化與吸附速率的變化趨勢(shì)一致。

3)無論單次充氣還是多次充氣達(dá)到吸附平衡，吸附過程中的溫度變化與時(shí)間之間呈良好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。