靜電場作用下煤體瓦斯解吸實驗研究

吳鵬飛

(鄭州煤炭工業(yè)（集團）有限責任公司 大平煤礦， 河南 新密市 452470)

0 引言

隨著國民對煤炭資源需求量的不斷增加，我國礦井煤炭開采正快速向深部地區(qū)發(fā)展，煤層瓦斯含量也越來越大[1]。但是，我國煤層瓦斯抽采率普遍偏低，如果不采取輔助措施往往很難達到有效抽采煤層瓦斯的目的。目前提高煤層瓦斯抽采率的技術途徑主要有兩個方面：一是采用高壓注水、水力割縫等人為方法提高煤層透氣性，二是改善鉆孔布局優(yōu)化鉆孔參數(shù)等[2?5]。這些方法都是通過力學措施解除煤層應力屏障，使得煤層透氣性增大。但通過這種方式提高抽采率是有限的，且容易受到地質(zhì)構造和施工技術的限制[6]。因此，靜電場作為一種非力學輔助煤層氣抽采方法為礦井瓦斯高效抽采增透技術發(fā)展提供了新的思路，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。

目前已經(jīng)出現(xiàn)外加電場對煤瓦斯吸附、擴散與滲流等方面的研究。如國外學者Airuni 等[7]最先從理論研究出發(fā)，推導得出靜電場可使瓦斯在煤體中的吸附加快，同時增加吸附熱；國內(nèi)學者 Li Chengwu 等[8]通過實驗室試驗研究了不同靜電場對煤表面甲烷吸附過程的影響，結(jié)果表明，靜電場中煤對瓦斯的吸附作用增強，且吉布斯自由能隨電場強度的增加而增大；劉?？h等[9]發(fā)現(xiàn)靜電場下煤體表面吸附勢阱深度增大與煤瓦斯系統(tǒng)溫度升高存在競爭關系，這是造成吸附量發(fā)生變化的主要原因；張廣洋[10]，王平虎[11]探究了直流電場作用對煤瓦斯吸附性影響，實驗表明：隨電壓或者頻率的增大，吸附常數(shù)a（瓦斯飽和吸附量）、b（吸附等溫線的起始斜率）值呈指數(shù)規(guī)律減??；杜云貴等[12]運用電場中煤體的電極化特征，分析得出煤體在電場作用下會發(fā)生轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化，電場的極化效應使煤對瓦斯的吸附量降低；雷東記等[13]研究了靜電場下煤體瓦斯放散特性，結(jié)果表明靜電場可提高煤體瓦斯放散初速度；Jian kuo[14]對構造煤在靜電場中的吸附和擴散特性進行了研究，結(jié)果表明：靜電場中煤對瓦斯的吸附量和瓦斯放散初速度的變化是由吸附勢阱深度、煤體電負性和焦耳熱效應三者之間競爭引起的；王江等[15]認為在低滲透儲層中利用外加直流電場改善其滲透性的潛力很大。

眾多學者在靜電場促進煤中瓦斯?jié)B流，提高滲透率方面做了研究，但靜電場中瓦斯的解吸過程研究較少，且不同學者間觀點存在的爭議和實驗結(jié)果尚不明確。本文重點對不同變質(zhì)程度煤體在靜電場下施加不同加電時間與電場強度煤瓦斯解吸過程進行了實驗研究，判識靜電場對煤吸附解吸瓦斯的優(yōu)勢改性場強，可為煤礦靜電場場強的選取提供依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)

本實驗采用自行設計并構建的靜電場下含瓦斯煤體解吸實驗系統(tǒng)，見圖1，利用TC6000P30-30智能高壓電源為實驗提供0，40，120，240 kV/m加電場強，以導電性能較好的紫銅為電極板。依據(jù)實驗需求，煤樣選自古漢山礦無煙煤、鶴壁六礦貧瘦煤、平頂山八礦肥煤和義馬耿村礦褐煤，經(jīng)過破碎、篩選出粒徑為0.2～0.25 mm 的煤樣，每個試樣重3.5 g，烘干后將其密封保存。煤樣各參數(shù)信息見表1。

圖1 瓦斯解吸裝置原理

表1 煤樣參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 靜電場煤體瓦斯解吸規(guī)律研究

本次實驗設定瓦斯吸附平衡壓力為1 MPa，在此條件下，對實煤樣進行連續(xù)加載不同特征電壓與加電時間，并記錄前5 min 瓦斯解吸量的變化，研究不同變質(zhì)程度煤體在加載不同場強與加電時間下的靜電場響應特征，并對測得的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果見圖2。

由圖2 可知，不同場強下煤體解吸瓦斯量隨著時間的增加而增加，且解吸曲線斜率逐漸變的平緩，符合煤體瓦斯解吸前期解吸速度較快、后期逐漸變緩的一般特征。

在靜電場作用下，不同變質(zhì)程度煤體隨電場強度的變大均呈現(xiàn)出解吸量既有增大又有減小的特征。實驗結(jié)果表明，無煙煤、褐煤在加電時間為4 h、施加電場強度為120 kV/m 時單位質(zhì)量的瓦斯解吸量達到最大；貧瘦煤和肥煤在加電時間為4 h，施加電場強度為40 kV/m 時單位質(zhì)量瓦斯解吸量最大。同時，由圖2 可以看出，高變質(zhì)煤在電場強度和加電時間上對單位質(zhì)量的瓦斯解吸量影響較大，相較而言，中變質(zhì)煤次之，低變質(zhì)煤影響相對較小?？傮w來說，無煙煤、貧瘦煤和肥煤的實驗結(jié)果表現(xiàn)一致，而煤樣實驗結(jié)果表明其離散性較大，且加電時間、電場強度對解吸量的影響范圍較小。

圖2 不同場強和加電時間下瓦斯解吸量變化曲線

圖3 為與未加電場相比，4 種煤樣在不同場強下瓦斯解吸量增長率。由圖3 可知，靜電場對瓦斯解吸量有顯著影響?？傮w而言，4 種煤樣5 min 累計瓦斯解吸量隨場強和加載時間的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在某一特定場強（特征場強）下獲得最大值。對比相同場強不同加電時間下煤樣響應特性發(fā)現(xiàn)，4 種煤樣均在加電時間為4 h 時，瓦斯解吸量增長率取得最大值，研究發(fā)現(xiàn)靜電場主要通過改變煤體吸附勢阱深度和產(chǎn)生焦耳熱二者相互競爭作用于煤體，隨著加電時間的增長，煤體內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱越多，溫度升高，促使煤樣的吸附量減小，間接造成解吸量的減小。對比相同加電時間不同電場強度下的實驗結(jié)果，表明不同變質(zhì)程度煤體電場響應特性各不相同，這可能與煤體灰分、孔隙度、揮發(fā)分等煤體性質(zhì)有關，且中變質(zhì)煤體在40 kV/m 時電場響應最強烈。

圖3 與未加電場相比不同場強下瓦斯解吸量增長率

2.2 靜電場煤瓦斯解吸速度規(guī)律研究

在基本了解不同加電時間和電場強度對煤體瓦斯解吸量影響的基礎上，進一步探究靜電場對解吸速度的影響，進而揭示靜電場、解吸量、解吸速度三者之間的關聯(lián)，如圖4 所示。

圖4 不同場強和加載時間條件下瓦斯解吸速度變化曲線

由圖4 可知，煤樣在靜電場處理后，瓦斯解吸速度得到不同程度的增大（減?。?，且在一定時間內(nèi)瓦斯解吸速度大于（小于）未加電場時的值。由此可見，靜電場可使煤體發(fā)生塑性損傷，改變了煤體的解吸能力，并保持一定時間的記憶過程；在瓦斯解吸過程中，瓦斯初始解吸速度較大，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，4 min后瓦斯解吸速度曲線趨于重合并達到穩(wěn)定值。因此，瓦斯解吸量的增大是由靜電場提高了瓦斯解吸初期的解吸速度引起的。

總體來說，靜電場對瓦斯解吸速度的影響可分為3 個階段，第1 階段為加速期，150 s 之前解吸速度較快；第2 階段為緩慢期，150～240 s 解吸速度稍高于未加載電場時的解吸速度；第3 階段為穩(wěn)定期，240 s 后加電場和未加電場的解吸速度將趨于重合；且古漢山和義馬煤樣在場強為120 kV/m，加載時間為4 h 時解吸速度最大，鶴壁和平頂山八礦煤樣在場強為40 kV/m，加載時間為4 h 時解吸速度達到最大。古漢山和義馬的特征場強較高，原因可能是這兩種煤的灰分較大，影響了煤體的導電性，但仍需繼續(xù)研究來證明這一假設。

3 靜電場下吸附體系比表面自由能計算

比表面自由能是研究煤體表面能變化的重要參數(shù)之一，在研究煤與瓦斯吸附時將Langmuir 吸附公式和Gibbs 吸附公式結(jié)合[16?18]，整理得到式（1），運用式（1）來計算靜電場下煤-瓦斯吸附體系的比表面自由能。

式中，Δγ為表面能降低值；R為理想氣體常數(shù)；T為平衡溫度；P為平衡壓力；V0為氣體的摩爾體積；S為煤的比表面積；a、b為吸附常數(shù)。

圖5 為靜電場作用下加電時間為4 h 時煤體比表面自由能的變化量。由圖5 可知，煤體比表面自由能隨著電場強度的變化呈現(xiàn)出非線性變化的規(guī)律。整體變化為隨著電場強度的增大，煤體比表面能先增大后減小，變化幅度在3%～16%的范圍內(nèi)。

圖5 不同煤樣不同電場下的比表面自由能變化量

由圖5 可知，比表面自由能的變化量隨著電場強度的增加而增大，電場強度為120 kV/m 時，γ的最大變化幅度為16%，而電場強度為240 kV/m 時，γ的最大變化幅度相較于電場強度為120 kV/m 時有所減小。由此得出，瓦斯吸附會導致自由能γ降低，γ降低趨勢的增加則會導致煤體對瓦斯吸附趨勢的增大，因此可以得出，靜電場對煤體對瓦斯的吸附量起到了促進作用，會促使煤體瓦斯解吸量增大，解吸速度增快。

4 結(jié)論

（1）不同變質(zhì)程度煤樣在靜電場作用下瓦斯解吸量呈拋物線形式，在特征電場強度與加電時間下，煤體瓦斯解吸能力達到最大；古漢山和義馬煤樣的特征場強和特征加電時間為120 kV/m、4 h；鶴壁和平頂山八礦煤樣的特征場強和特征加電時間為40 kV/m、4 h。

（2）靜電場作用下可以提高煤體瓦斯初期解吸速度。主要表現(xiàn)為靜電場作用的前150 s 煤體瓦斯解吸速度較快，可起到增孔、擴孔效果，進而促進瓦斯解吸量的增加，前5 min 煤瓦斯解吸量增加變化為?24%～14%。

（3）靜電場會引起煤比表面能呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，主要表現(xiàn)為隨著電場強度的增加，煤體的比表面自由能變化量（降低量）不斷增大，達到一定程度時煤體比表面自由能變化量減小。