恒溫定容條件下煤體循環(huán)吸附/解吸實(shí)驗(yàn)研究

王 辰,王 幸,馮增朝,周 動(dòng),3,趙 東,3,楊 濤

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201; 2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024;3.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

煤是一種天然的非均勻吸附介質(zhì)，煤體中存在著大量的孔隙，從而可以吸附瓦斯氣體。瓦斯與煤在原始體系下處于穩(wěn)定狀態(tài)。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，裸露的巷道煤壁以及殘留的煤柱會(huì)伴隨著煤層氣不斷地吸附—解吸。這種循環(huán)過(guò)程導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，影響煤的吸附和解吸特性，進(jìn)而影響煤的變形特性及強(qiáng)度；同時(shí)煤體的變形又將引起外部地應(yīng)力的變化。在應(yīng)力、變形及煤體結(jié)構(gòu)變化共同作用下，煤與瓦斯突出事故發(fā)生概率顯著增加。因此，研究煤體吸附—解吸的特性規(guī)律對(duì)工程實(shí)踐問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義。

圍繞煤體吸附—解吸煤層氣的課題，前人已經(jīng)做了大量的研究工作。主要集中于吸附的理論模型，吸附—解吸影響因素以及吸附—解吸導(dǎo)致煤體變形等方面。

目前較為常見(jiàn)的煤體吸附的理論模型主要包括：?jiǎn)畏肿訉游嚼碚?Langmuir方程)、多分子層吸附理論(BET方程)、吸附勢(shì)理論(D-A方程和D-R方程)等[1,2]；關(guān)于煤吸附甲烷模型研究近年來(lái)又取得了新的進(jìn)展，蘇現(xiàn)波[3,4]、姜偉[5]等采用吸附勢(shì)理論建立了煤吸附甲烷的綜合模型；張群等[6]依據(jù)吸附勢(shì)理論，推導(dǎo)出新的煤吸附甲烷的溫度-壓力綜合吸附模型，并給出了模型中特征常數(shù)的求取方法；周動(dòng)等[7]依據(jù)煤與甲烷吸附動(dòng)力學(xué)模型，利用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法，建立了煤非均勻勢(shì)阱吸附模型。

對(duì)于物理吸附而言，吸附平衡是很重要的概念，煤的吸附、解吸是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。吸附性的高低取決于煤的巖石學(xué)組成、物理化學(xué)結(jié)構(gòu)、煤級(jí)、水分含量等煤自身因素，另外溫度、壓力也對(duì)煤層氣的吸附性有較大的影響。一般認(rèn)為，隨著溫度的減小、壓力的增大，煤對(duì)瓦斯的吸附能力增大。煤的孔隙結(jié)構(gòu)作為瓦斯賦存的主要場(chǎng)所，其對(duì)瓦斯的吸附影響主要是由微孔含量來(lái)決定的[8]?？傮w上，煤對(duì)甲烷的吸附能力與總孔容、總比表面積以及微孔的比表面積呈正向關(guān)系，而與大孔的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系并不明顯，但這種影響關(guān)系因?yàn)槊杭?jí)的不同而具有一定的差異。水分與氣體之間存在著競(jìng)爭(zhēng)吸附，一般認(rèn)為，水分含量達(dá)到一定臨界值后，其增加對(duì)煤的吸附性影響很小甚至沒(méi)有影響[9]。另外，煤化程度、煤的巖石學(xué)組成對(duì)瓦斯的吸附也有重要的作用，但其影響關(guān)系更為復(fù)雜[10-12]。

煤在吸附氣體時(shí)發(fā)生膨脹，解吸時(shí)發(fā)生收縮[13-14]，梁冰等[15-16]通過(guò)煤低壓(0.6 MPa)吸附瓦斯變形試驗(yàn)，分析了吸附變形、解吸變形以及殘余變形的特征；劉延保、曹樹(shù)剛等[17]通過(guò)煤體吸附瓦斯膨脹變形效應(yīng)的試驗(yàn)得出煤體瓦斯吸附量與體應(yīng)變量呈線性關(guān)系，同時(shí)推導(dǎo)出吸附膨脹應(yīng)力計(jì)算方法；周軍平等[18]基于吸附過(guò)程的熱動(dòng)力學(xué)和能量守恒原理，建立了計(jì)算煤巖吸附氣體引起的煤巖膨脹變形的理論模型。

上述理論和試驗(yàn)僅僅是對(duì)單一吸附—解吸過(guò)程的研究。在煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐中，煤體與瓦斯的吸附—解吸是一個(gè)循環(huán)反復(fù)的過(guò)程，尤其是對(duì)于長(zhǎng)期暴露的護(hù)巷煤柱以及巷道中裸露的煤壁。因此，本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，開(kāi)展了在恒溫定容條件下煤循環(huán)吸附—解吸的實(shí)驗(yàn)，研究煤體在循環(huán)吸附—解吸對(duì)其吸附性能的影響。

1 煤體循環(huán)吸附—解吸實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

煤體循環(huán)吸附—解吸變形測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置是由課題組自主研發(fā)設(shè)計(jì)，該裝置包括恒溫水浴系統(tǒng)，抽真空系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，吸附—解吸系統(tǒng)，壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.2 煤樣制備

試驗(yàn)所用煤樣取自陽(yáng)煤寺家莊礦無(wú)煙煤。通過(guò)數(shù)控切割成φ100 mm×150 mm的煤樣，清潔烘干后備用，煤樣工業(yè)成分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表1 煤樣工業(yè)成分測(cè)定

實(shí)驗(yàn)中，煤樣處于自由狀態(tài)，除承受瓦斯氣壓作用外，不受其他外部應(yīng)力作用，因此，試驗(yàn)無(wú)需測(cè)定煤樣的力學(xué)特性參數(shù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)考慮到安全性以及解吸時(shí)收集氣體的準(zhǔn)確性，故對(duì)煤樣進(jìn)行吸附—解吸氮?dú)?。同時(shí)，為保證每次的注氣量相同，要確保每次氣瓶壓力的變化值相等，均是0.226 MPa。反復(fù)進(jìn)行10次吸附—解吸，通過(guò)數(shù)字壓力精確記錄吸附罐的壓力變化并經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化為吸附量；采用排水集氣法對(duì)解吸量進(jìn)行測(cè)定。

本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：①將經(jīng)過(guò)干燥后的煤樣放置在實(shí)驗(yàn)裝置中，連接好各子系統(tǒng)并確保正常工作；②在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行裝置氣密性檢驗(yàn)，氣密性良好方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；③打開(kāi)真空泵對(duì)吸附罐和煤樣進(jìn)行真空脫氣，持續(xù)抽真空6小時(shí)后關(guān)閉真空泵；④打開(kāi)氣瓶開(kāi)關(guān)以及吸附罐的進(jìn)氣口開(kāi)關(guān)，待氣瓶壓力變化值達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值時(shí)關(guān)閉兩個(gè)開(kāi)關(guān)，煤樣在吸附罐內(nèi)持續(xù)吸附24 h；⑤吸附完成后打開(kāi)吸附罐的排氣口，進(jìn)行解吸集氣，持續(xù)24 h；⑥循環(huán)重復(fù)③～⑤步驟10次。

為保證充分記錄吸附壓力的變化，需將存儲(chǔ)式數(shù)字壓力表提前開(kāi)啟，采集壓力數(shù)據(jù)。將恒溫水浴裝置溫度設(shè)定為40℃，進(jìn)行恒溫試驗(yàn)，減少溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的誤差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)過(guò)程中吸附規(guī)律分析

煤樣吸附量等于注氣量減去吸附罐中的游離氣體量。其中，注氣量根據(jù)氣瓶在恒溫狀態(tài)下的壓力變化確定。根據(jù)理想氣體方程，注入氣體量換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為

(1)

式中,Qz為注氣量，ml；ΔP為氣瓶注氣前后的壓力差，MPa；V為氣瓶體積，L；T0為標(biāo)況下溫度，K；pm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；T1為設(shè)定恒溫，K。

吸附罐中游離氣體體積根據(jù)剩余體積進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中,Qs為吸附罐游離氣體體積，ml；p′為吸附結(jié)束時(shí)吸附罐的壓力值，MPa；v為放入煤樣后吸附罐的剩余體積，L。

煤樣的吸附量為

Q=Qz-Qs

(3)

根據(jù)式(1)～(3)計(jì)算出各次吸附的吸附量列入表2。

表2 瓦斯吸附量計(jì)算結(jié)果

圖2 吸附量與循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖

通過(guò)表2以及圖2對(duì)每次吸附的吸附量統(tǒng)計(jì)，可以看出隨著吸附—解吸次數(shù)的增加，煤樣的吸附量在逐漸減少。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)煤樣的吸附量在循環(huán)吸附—解吸的前五次呈線性關(guān)系快速下降，第五次與第一次相比，吸附量降低了近25%；從第五次循環(huán)開(kāi)始，該煤樣的吸附量就維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。從整體來(lái)看，隨著實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增多，煤樣的吸附量與循環(huán)次數(shù)在整體上呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)關(guān)系，即隨著實(shí)驗(yàn)的深入，煤樣的吸附量趨于穩(wěn)定。這表明，對(duì)于實(shí)驗(yàn)煤樣，前五次的循環(huán)吸附—解吸對(duì)煤樣的吸附性能的影響程度很大，從第六次循環(huán)開(kāi)始煤樣的吸附性能趨于穩(wěn)定。

這是由于，煤吸附氣體屬于物理吸附，發(fā)生在煤樣孔隙裂隙表面，周動(dòng)[19]通過(guò)對(duì)煤樣吸附—解吸前后進(jìn)行CT和電鏡觀測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤樣吸附—解吸瓦斯會(huì)導(dǎo)致煤體孔隙率明顯下降，細(xì)觀裂隙結(jié)構(gòu)在吸附—解吸后幾乎完全閉合，吸附—解吸循環(huán)對(duì)煤細(xì)觀結(jié)構(gòu)造成了不可逆的損傷。因此當(dāng)前次吸附—解吸完成后，下次循環(huán)開(kāi)始時(shí)，氣體分子在煤樣表面的吸附位減少，從而導(dǎo)致煤樣吸附氣體的量逐漸減少。

根據(jù)Langmuir公式，在溫度、煤質(zhì)等條件不變的情況下，煤樣對(duì)氣體的吸附量?jī)H與氣體壓力有關(guān)，因此，本文使用氣體壓力的衰減評(píng)價(jià)該煤樣的吸附速率。

表3 吸附初始?jí)毫εc平衡壓力統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)各次循環(huán)吸附初始?jí)毫σ约拔狡胶鈮毫Φ慕y(tǒng)計(jì)和分析(見(jiàn)表3)，可以看出：首個(gè)循環(huán)煤樣的吸附速率較快，壓降較大，由1.233 MPa降到0.767 MPa，壓降為0.466 MPa；第二個(gè)循環(huán)由1.237 MPa降到0.951 MPa，壓降為0.286 MPa，為首個(gè)循環(huán)的61.4%；隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行第九和十個(gè)循環(huán)分別由1.24 MPa降到1.033 MPa以及由1.241 MPa降到1.037MPa，壓降分別為0.207 MPa和0.204 MPa，分別為首個(gè)循環(huán)的44.4%和43.7%。這種變化表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，煤樣的吸附性能有逐漸降低的趨勢(shì)。

上述分析表明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，吸附速率逐漸減慢，壓降減小，直至趨于穩(wěn)定。說(shuō)明對(duì)煤樣進(jìn)行多次吸附—解吸后，其吸附速率發(fā)生較大變化，多次循環(huán)穩(wěn)定后的吸附速率僅為首個(gè)循環(huán)的40%左右。

2.2 循環(huán)過(guò)程中解吸規(guī)律分析

煤樣的解吸量等于排水集氣量減去吸附罐中的游離氣體量，其中排水集氣量由量筒直接讀出，吸附罐中的游離氣體量由公式(2)計(jì)算得來(lái)，故煤樣解吸量為：

Qj=Qp-Qs

(4)

式中，Qj為解吸量，ml；Qp為排水集氣量，ml；Qs為吸附罐游離氣體體積，ml。

從圖3中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，煤樣的解吸量也逐漸增加，最后趨于平穩(wěn)，最后一次循環(huán)與首次循環(huán)相比，解吸量增加約為30%；與此同時(shí)，煤樣的解吸率與解吸量保持一致的變化規(guī)律。對(duì)此可以分析可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，煤樣的吸附量逐漸減少至趨于平穩(wěn)，由于該實(shí)驗(yàn)的注氣量恒定，因此吸附罐中剩余氣體量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增多，故吸附平衡壓力逐漸增大，即解吸時(shí)的壓力梯度增大。在解吸時(shí)能量主要來(lái)源于氣體壓力梯度，壓力梯度越大，吸附態(tài)分子獲得的能量越多，由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)的分子量也就越多[3]。

進(jìn)一步對(duì)解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，定義解吸率為解吸量與吸附量的比值。圖4為解吸率與吸附平衡壓力的關(guān)系，從圖4中不難看出隨著吸附平衡壓力的升高，解吸率是增大的。由前述規(guī)律可知，煤樣吸附量和解吸量隨著循環(huán)次數(shù)的增多分別呈現(xiàn)減小和增大的規(guī)律，又因?yàn)槲焦奘Ｓ鄽怏w量增多，即吸附平衡壓力增大，故解吸率與吸附平衡壓力呈現(xiàn)出線性關(guān)系。

圖3 解吸量、解吸率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4 解吸率與吸附平衡壓力的關(guān)系

3 結(jié)論

(1) 在循環(huán)吸附—解吸過(guò)程中，煤體的吸附量逐漸減少并趨于平穩(wěn)；實(shí)驗(yàn)所用的煤樣第十次循環(huán)的吸附量較首次循環(huán)下降約為25%。

(2) 隨著吸附—解吸循環(huán)次數(shù)的增加，煤體的吸附速率減緩，實(shí)驗(yàn)煤樣在第十次循環(huán)的吸附速率約為首次循環(huán)的40%左右。

(3) 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，煤體的解吸量以及解吸率均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，最后趨于平穩(wěn)；吸附平衡壓力越高，解吸率越大，兩者呈線性關(guān)系。

(4) 本實(shí)驗(yàn)為研究井下采掘煤層過(guò)程中煤體性質(zhì)的變化規(guī)律提供了支持。