基于紅外測(cè)溫的煤體瓦斯吸附-解吸過(guò)程溫度變化特征研究＊

徐慧剛，劉文杰

（1.山西新元煤炭有限責(zé)任公司,山西045400；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400037）

0 引 言

突出綜合假說(shuō)認(rèn)為，突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)三種因素綜合作用的結(jié)果，而煤體溫度變化是與此三種因素均有關(guān)的一個(gè)參數(shù)[1,2]，因此存在利用煤體溫度變化進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的可能性。煤體瓦斯吸附過(guò)程中放熱、解吸過(guò)程中吸熱[3-5]這一觀點(diǎn)已得到眾多研究者的認(rèn)同，然而對(duì)于引起溫度變化的因素及溫度變化規(guī)律的解釋卻看法不一[6-9]。綜合已有研究發(fā)現(xiàn)，目前尚無(wú)統(tǒng)一的瓦斯吸附-解吸熱效應(yīng)理論，對(duì)吸附-解吸過(guò)程中的溫度變化所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)多基于接觸式溫度計(jì)或傳感器進(jìn)行點(diǎn)溫度測(cè)量，利用溫度指標(biāo)進(jìn)行突出預(yù)測(cè)的方法與手段尚未形成統(tǒng)一認(rèn)知，應(yīng)用煤體溫度變化進(jìn)行突出預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)較為薄弱。

基于此，本文利用非接觸式紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)煤體瓦斯吸附-解吸過(guò)程中溫度變化進(jìn)行了多測(cè)點(diǎn)連續(xù)性測(cè)量，探索瓦斯吸附-解吸過(guò)程中溫度變化影響因素及變化規(guī)律，為建立基于溫度梯度的突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型提供數(shù)據(jù)支撐，為利用煤體溫度變化特征進(jìn)行非接觸式煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤體瓦斯吸附-解吸過(guò)程產(chǎn)生的溫度升降引起其紅外輻射變化，當(dāng)輻射達(dá)到一定強(qiáng)度可通過(guò)紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)到煤體溫度的變化，因此研究設(shè)計(jì)了基于紅外測(cè)溫?cái)z錄儀的煤體瓦斯吸附-解吸溫度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析以探明煤體瓦斯吸附-解吸過(guò)程中的溫度變化規(guī)律。該系統(tǒng)主要由：煤體瓦斯吸附-解吸系統(tǒng)、烘干脫氣系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

1.2 煤樣采集與制備

本實(shí)驗(yàn)選用三種不同變質(zhì)煤體焦煤（煤樣1）、瘦煤（煤樣2）、無(wú)煙煤（煤樣3）分別加工制備并選用粒徑為40～60 目的煤粉進(jìn)行真空干燥處理，對(duì)處理后的煤樣進(jìn)行瓦斯吸附-解吸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的煤樣及相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 煤樣分組及相關(guān)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

煤體瓦斯吸附-解吸溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)包括：瓦斯吸附-解吸實(shí)驗(yàn)和紅外溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。采用的吸附-解吸實(shí)驗(yàn)是基于煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的甲烷吸附量測(cè)定方法，并對(duì)其進(jìn)行改造：鑒于鍺玻璃在紅外波段具有良好的透光性，訂制了專(zhuān)用的鍺玻璃瓦斯吸附解吸罐來(lái)滿足紅外測(cè)溫要求。紅外溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用精密紅外測(cè)溫?cái)z錄儀持續(xù)檢測(cè)吸附-解吸系統(tǒng)中的煤樣溫度變化，自動(dòng)記錄所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、影像。為準(zhǔn)確得到煤體瓦斯吸附-解吸過(guò)程溫度變化趨勢(shì)，需對(duì)煤體瓦斯吸附解吸過(guò)程中的紅外輻射信號(hào)進(jìn)行了降噪處理。

2 吸附-解吸溫度變化測(cè)量描述

煤體瓦斯吸附影響因素很多，包括壓力、煤體變質(zhì)程度、煤體粒度、煤體孔隙、環(huán)境溫度、氣體組分及含水量等[10]，其中與突出因素（地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)）密切相關(guān)的為瓦斯吸附平衡壓力、瓦斯吸附量和煤體物理力學(xué)性質(zhì)。故實(shí)驗(yàn)研究瓦斯吸附平衡壓力、煤體變質(zhì)程度兩種條件下煤體瓦斯吸附-解吸量及溫度變化。

2.1 不同壓力吸附-解吸溫度變化實(shí)驗(yàn)

為考察吸附平衡壓力對(duì)煤體瓦斯吸附-解吸過(guò)程中溫度變化的影響，對(duì)煤樣1（焦煤）在表2 所示條件下分別進(jìn)行煤體瓦斯吸附-解吸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。并繪制了吸附-解吸過(guò)程中溫度變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖1）。

表2 不同壓力瓦斯吸附-解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 不同壓力瓦斯吸附-解吸溫度變化曲線

從表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：吸附瓦斯過(guò)程中煤體溫度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，吸附為放熱過(guò)程；解吸瓦斯過(guò)程中溫度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，解吸為吸熱過(guò)程。吸附過(guò)程中，隨著平衡壓力增大煤體瓦斯吸附量增大，溫度升高越大；解吸過(guò)程中，隨著壓力平衡壓力增大煤體瓦斯解吸量增大，溫度降低越大。

2.2 不同變質(zhì)煤體吸附溫度變化實(shí)驗(yàn)

為考察煤體變質(zhì)程度對(duì)瓦斯吸附-解吸過(guò)程中溫度變化的影響，選取三種不同變質(zhì)程度煤樣：煤樣1、煤樣2 和煤樣3 在表3 所示條件下進(jìn)行煤體瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3 所示。并繪制了吸附-解吸過(guò)程中溫度變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖2）。

表3 不同變質(zhì)煤體瓦斯吸附-解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 不同變質(zhì)煤體瓦斯吸附-解吸溫度變化曲線

前人實(shí)驗(yàn)表明：不同變質(zhì)煤體對(duì)瓦斯吸附能力：無(wú)煙煤＞瘦煤＞焦煤[11,12]，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于不同變質(zhì)程度的煤樣，在相近的平衡壓力下吸附時(shí)，煤體變質(zhì)程度越大，吸附造成的溫度上升幅度越大，溫度變化幅度與其吸附能力基本一致。

2.3 吸附-解吸過(guò)程溫度信號(hào)處理

煤體瓦斯吸附- 解吸過(guò)程中溫度紅外輻射原始信號(hào)受噪聲干擾較為嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)測(cè)得紅外數(shù)據(jù)非平穩(wěn)現(xiàn)象明顯。鑒于小波變換可以根據(jù)尺度的變換和偏移在不同的頻段上給出不同的分辨率，非常適合處理非平穩(wěn)信號(hào)[13]，因此本實(shí)驗(yàn)選用小波變換對(duì)瓦斯吸附-解吸溫度變化信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。圖3 為小波變換后的溫度曲線，可看出經(jīng)過(guò)處理過(guò)后的數(shù)據(jù)能夠比較好地反應(yīng)吸附- 解吸過(guò)程中測(cè)點(diǎn)煤體溫度變化情況，數(shù)據(jù)可信度高。

圖3 濾噪后瓦斯吸附-解吸溫度變化曲線

3 吸附-解吸溫度變化規(guī)律分析

3.1 吸附-解吸過(guò)程溫度擬合分析

實(shí)驗(yàn)表明不同條件下煤體瓦斯吸附過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)之間的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本相似，吸附過(guò)程中溫度達(dá)到最高之后會(huì)有逐漸降低的過(guò)程，解吸過(guò)程中溫度達(dá)到最低之后有逐漸升高的過(guò)程，這是因?yàn)樵诿后w溫度達(dá)到最高（最低）之后，其溫度高于（低于）實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度，會(huì)發(fā)生熱交換，表現(xiàn)出溫度會(huì)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)逐漸趨于實(shí)驗(yàn)室條件溫度。由于瓦斯吸附開(kāi)始到溫度值最大（瓦斯解吸開(kāi)始到溫度值最?。┻@段時(shí)間內(nèi)的溫度變化才能代表吸附或者解吸過(guò)程造成的溫度變化，因此下文只對(duì)該段時(shí)間范圍內(nèi)的溫度變化規(guī)律進(jìn)行分析。

根據(jù)煤體瓦斯吸附-解吸過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化關(guān)系規(guī)律可以判斷曲線基本符合指、對(duì)函數(shù)關(guān)系，利用公式（1-1）分別對(duì)吸附、解吸實(shí)驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表4。

式中：ΔT 為吸附- 解吸過(guò)程中溫度差，℃；k，b為擬合參數(shù)；t 為吸附-解吸時(shí)間，s。

表4 瓦斯吸附-解吸溫度擬合參數(shù)

圖4 不同平衡壓力下煤體瓦斯吸附、解吸過(guò)程溫度變化擬合曲線

上表曲線擬合相關(guān)系數(shù)均在0.95 以上，說(shuō)明該方程能夠較好的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中不同測(cè)點(diǎn)溫度變化規(guī)律。圖4 說(shuō)明煤體瓦斯吸附過(guò)程中，開(kāi)始階段煤的放熱速度快，隨著時(shí)間延長(zhǎng)放熱速度減緩；煤體瓦斯解吸過(guò)程中，開(kāi)始階段煤的吸熱速度快，隨著時(shí)間延長(zhǎng)吸熱速度減緩。這是因?yàn)槲介_(kāi)始時(shí)煤樣幾乎處于真空狀態(tài)，吸附勢(shì)能大，反應(yīng)劇烈煤體溫度上升快，隨著吸附的進(jìn)行吸附勢(shì)能降低，吸附變緩溫度上升變慢，這中變化趨勢(shì)與指數(shù)函數(shù)相吻合。解吸時(shí)，壓力瞬時(shí)下降解吸勢(shì)能大，解吸劇烈吸收大量的熱量，溫度下降幅度較快，隨著解吸進(jìn)行解吸勢(shì)能降低，解吸變緩溫度下降變慢，這中變化趨勢(shì)與對(duì)數(shù)函數(shù)相吻合。

3.2 吸附-解吸過(guò)程溫度規(guī)律分析

將公式（1）擬合得出的參數(shù)K 與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度最大值ΔT 進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，參數(shù)K 基本能反映煤體瓦斯解吸過(guò)程中溫度變化的最大值。參數(shù)b 的值變化范圍比較大，其大小可能受煤體變質(zhì)程度、平衡壓力和測(cè)點(diǎn)位置等多種因素影響。

圖5 擬合值K 與溫度最大值ΔT 比較

圖6 解吸量與溫度最大值ΔT 關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中同種煤樣平衡壓力越大，瓦斯解吸量也越多，溫度降低的最大，值k 也越大。對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)瓦斯解吸量與實(shí)測(cè)溫度變化最大值ΔT 關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6 所示。說(shuō)明在其他條件相同的情況，煤體溫度變化的最大值與煤的瓦斯解吸量成線性正相關(guān)，進(jìn)而可以利用煤體溫度變化預(yù)測(cè)瓦斯解吸量或者利用瓦斯解吸量來(lái)預(yù)測(cè)煤體溫度變化。

4 結(jié)論與建議

實(shí)驗(yàn)表明利用紅外測(cè)溫?cái)z錄儀進(jìn)行煤體吸附-解吸過(guò)程中的溫度測(cè)量，能反映煤體溫度的實(shí)際變化。吸附-解吸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

1）吸附過(guò)程中各煤樣溫度呈現(xiàn)先快速上升，后逐漸趨于穩(wěn)定，解吸反之；溫度隨吸附壓力的增大而增大，并且吸附時(shí)溫度升高越大，解吸后溫度降低幅度也越大；吸附時(shí)煤體變質(zhì)程度越大，升溫速度越快，達(dá)到吸附平衡所用的時(shí)間更短，解吸過(guò)程反之。

2）不同平衡壓力下吸附過(guò)程中的升溫趨勢(shì)均符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，解吸過(guò)程中的降溫趨勢(shì)均符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合函數(shù)參數(shù)K 表征了吸附-解吸所引起的煤體溫度變化幅度最大值，溫度變化最大值與煤的瓦斯解吸量成線性正相關(guān)。

本研究表明通過(guò)煤體溫度變化梯度進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)是可行的。將煤體溫度變化作為突出預(yù)測(cè)指標(biāo)，其靈敏性與臨界值的確定需進(jìn)一步研究確定。