冷凍取心過程中煤心倒吸現(xiàn)象的探究

范道鵬，王兆豐，邢 醫(yī)

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險(xiǎn)救災(zāi)教育部工程研究中心，河南 焦作 454003）

煤層瓦斯含量是瓦斯災(zāi)害防治、煤層瓦斯資源勘探的基礎(chǔ)參數(shù)，還是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測、防突措施效果檢驗(yàn)的重要指標(biāo)之一，瓦斯壓力的準(zhǔn)確性對煤礦安全開采與防突起著至關(guān)重要的作用[1-2]。目前，井下瓦斯含量的測定方法分為直接法和間接法[3]，間接法存在測試周期長，且工藝要求高，從而其準(zhǔn)確性較低等原因，煤礦現(xiàn)場測定煤層瓦斯瓦力通常采用直接法[4-6]，采用取心管取心，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定煤層瓦斯含量，但取心管取樣過程中由于取心鉆頭、取心管與煤壁之間的摩擦，使煤心溫度升高加速解吸，從而推算的瓦斯含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始煤層瓦斯含量[7-8]。WANG Zhaofeng 等[9]針對取心管取樣摩擦熱促進(jìn)煤樣的解吸問題，提出冷凍取心抑制煤心解吸技術(shù)；王俏等[10]得出冷凍取心技術(shù)隔絕摩擦熱，使煤心處于低溫環(huán)境，煤心的解吸速度降低和瓦斯解吸量減小。近年來，針對煤的解吸規(guī)律研究，韓恩光等[11]研究了不同粒度煤的瓦斯解吸擴(kuò)散規(guī)律，煤瓦斯解吸率與煤的粒度呈負(fù)相關(guān)，煤的粒度越大解吸率越?。煌跽竦妊骩12]通過構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的孔隙特征研究瓦斯解吸規(guī)律，在同等條件下，由于構(gòu)造煤微孔和小孔發(fā)育，使得構(gòu)造煤的解吸能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生結(jié)構(gòu)煤；陳向軍等[13]研究了煤樣粒徑、吸附平衡壓力、煤樣破壞類型對煤解吸的影響，在解吸環(huán)境相同條件下，瓦斯解吸量與煤樣粒徑成負(fù)相關(guān)、與吸附平衡壓力和煤的破壞類型呈正相關(guān)；張逸斌等[14]研究了煤體結(jié)構(gòu)對瓦斯解吸的影響，得到瓦斯解吸量和解吸速度隨著吸附壓力的增大而增大；郝富昌等[15]通過對軟硬煤的研究發(fā)現(xiàn)，由于軟煤的孔隙結(jié)構(gòu)的影響，使得軟煤的解吸量與解吸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬煤。目前，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明煤的粒徑、水分、變質(zhì)程度、瓦斯壓力等因素影響煤瓦斯吸附、解吸特性，并取得了大量的研究成果，但沒有解釋低溫環(huán)境下煤心解吸后出現(xiàn)的倒吸現(xiàn)象。為此，針對冷凍取心過程中煤心解吸后的倒吸現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)室測試，研究在低溫環(huán)境下的煤心倒吸的影響因素，研究結(jié)果完善了冷凍取心技術(shù)可靠性。

1 試驗(yàn)煤樣和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的含瓦斯煤冷凍響應(yīng)測試裝置，該裝置有5 部分組成：真空脫氣系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)升降系統(tǒng)、吸附解吸系統(tǒng)、冷熱交換控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。真空脫氣系統(tǒng)主要由真空泵、電阻真空計(jì)等組成，主要功能是抽取測試煤樣的雜質(zhì)氣體，使測試煤樣氣體達(dá)到原始煤層瓦斯?jié)舛龋恍D(zhuǎn)升降系統(tǒng)主要功能是升降煤樣罐在不同試驗(yàn)槽中實(shí)現(xiàn)不同功能；吸附解吸系統(tǒng)功能主要是向煤樣罐中充入瓦斯，使煤樣吸附平衡測量解吸規(guī)律；冷熱交換控制系統(tǒng)主要功能是進(jìn)行外夾層油浴加熱模擬取心過程中的摩擦熱，通過內(nèi)夾層制冷測試煤心在低溫環(huán)境下的解吸規(guī)律；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要功能是實(shí)時(shí)采集煤心溫度變化、煤心解吸量等。

為了探究低溫環(huán)境下的煤心倒吸試驗(yàn)，試驗(yàn)的煤樣取自神木長焰煤（CY）、六龍貧瘦煤（PS）、古漢山無煙煤（WY）、首山焦煤（JM），將采取的煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，試驗(yàn)煤樣特征參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)煤樣特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of coal samples

試驗(yàn)過程大致分為3 個(gè)步驟；

1）煤樣真空脫氣。試驗(yàn)之前確保所有管路處于關(guān)閉狀態(tài)，將干燥的煤樣置于煤樣罐中，打開真空泵與真空閥門；當(dāng)真空計(jì)顯示10 Pa 以下時(shí)，先關(guān)閉真空閥門，再關(guān)閉真空泵，抽真空結(jié)束。

2）煤樣吸附平衡。利用升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)將抽真空的煤樣罐放置30 ℃水浴槽中進(jìn)行吸附平衡，打開高壓鋼氣瓶，向標(biāo)定罐中充入高壓氣體，通過標(biāo)定罐向煤樣罐進(jìn)行充氣，當(dāng)煤樣罐內(nèi)的瓦斯壓力12 h 不變時(shí)，即認(rèn)為煤樣以吸附平衡。

3）模擬冷凍取心。把制冷溫度設(shè)置為-40 ℃，打開循環(huán)系統(tǒng)，通過升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)將煤樣罐放入冷凍槽中，啟動高溫油?。?80 ℃）循環(huán)系統(tǒng)模擬取心過程中產(chǎn)生的摩擦熱，打開解吸儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 冷凍取心過程煤心倒吸現(xiàn)象

2.1 吸附平衡壓力下的煤心倒吸現(xiàn)象

為了研究冷凍取心過程中，煤層瓦斯壓力對煤心解吸后產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象的影響，試驗(yàn)煤樣采用的是古漢山無煙煤，煤樣吸附平衡瓦斯壓力分別為1、2、3、4 MPa，得到不同吸附平衡壓力下煤樣解吸量與時(shí)間的關(guān)系曲線和煤心溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。不同瓦斯壓力煤心解吸量變化曲線如圖1、不同瓦斯壓力煤心溫度變化曲線如圖2。

圖2 不同瓦斯壓力煤心溫度變化曲線Fig.2 Change curves of core temperature under different gas pressures

由圖1 可知，在同一取心深度的環(huán)境下，冷凍取心過程中瓦斯壓力對煤心解吸的影響一致，解吸變化分為：前期快速解吸、短暫解吸結(jié)束、出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象、后期倒吸結(jié)束。煤心吸附平衡壓力對煤心倒吸影響明顯，隨著煤心吸附平衡壓力的增加倒吸量越少，倒吸時(shí)間越長。

圖1 不同瓦斯壓力煤心解吸量變化曲線Fig.1 Change curves of coal core desorption under different gas pressures

由圖2 可知，煤心吸附平衡壓力增大，冷凍取心過程中煤心溫度越低，煤心溫度降低速度越快，導(dǎo)致煤心倒吸速度越快，當(dāng)煤心溫度低于一定溫度時(shí)，倒吸速度逐漸減小。溫度在15～-10 ℃煤心溫度下降速度最快，導(dǎo)致煤心倒吸速度最快。將圖2、圖3 解吸過程中倒吸數(shù)值進(jìn)行整理，不同煤心壓力倒吸數(shù)值見表2。

表2 不同煤心壓力倒吸數(shù)值Table 2 Reverse suction values under different coal core pressures

由表2 可知，煤心吸附平衡壓力對倒吸影響明顯，在同等條件下，隨著煤心瓦斯壓力的增大，煤心解吸后出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象的時(shí)間越長，而煤心倒吸持續(xù)的時(shí)間變短；其解吸量隨著吸附平衡壓力的增大而增大，煤心出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象的溫度也隨吸附平衡壓力的增大而減?。坏刮^程中煤心溫度發(fā)生著變化。根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出溫度與解吸量的關(guān)系曲線，不同瓦斯壓力煤心倒吸量與溫度關(guān)系曲線如圖3。

圖3 不同瓦斯壓力煤心倒吸量與溫度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between coal core back suction volume and temperature for different coal core pressures

由圖3 可知，不同瓦斯壓力下，其煤心倒吸量有明顯差距，吸附平衡壓力越大其倒吸量在減少，其原因在于煤心初始吸附平衡壓力越大，冷凍解吸后的殘余瓦斯壓力越大，游離瓦斯越多阻礙煤樣罐負(fù)壓的增大，從而導(dǎo)致倒吸量減少。隨著冷凍取心過程煤心溫度的降低，其煤樣罐的負(fù)壓變大，導(dǎo)致煤心倒吸量在增大，倒吸速度在逐漸減小。不同瓦斯壓力下，冷凍取心過程中煤心溫度在15～-5 ℃，煤心倒吸的速度最快。

2.2 煤變質(zhì)程度下的煤心倒吸現(xiàn)象

為了探究在冷凍取心過程中，煤變質(zhì)程度對煤心瓦斯解吸出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象的影響，在等壓2 MPa、等粒徑1～3 mm、等破壞類型的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)煤樣采用的長焰煤、焦煤、貧瘦煤、無煙煤。不同變質(zhì)程度煤心解吸量變化曲線如圖4，不同變質(zhì)程度煤心溫度變化曲線如圖5。不同變質(zhì)程度煤心倒吸數(shù)值見表3。不同變質(zhì)程度煤心倒吸量與溫度關(guān)系曲線如圖6。

圖6 不同變質(zhì)程度煤心倒吸量與溫度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between back suction amount of coal core with different metamorphic degrees and temperatures

表3 不同變質(zhì)程度煤心倒吸數(shù)值Table 3 Reverse suction values of coal core under different metamorphic degrees

由圖4、圖5 可知，在同等條件下，低溫環(huán)境對不同變質(zhì)程度的瓦斯解吸規(guī)律和煤心溫度變化規(guī)律相同，變質(zhì)程度高的無煙煤解吸量最大，變質(zhì)程度低的長焰煤解吸量最小，變質(zhì)程度越高其煤心瓦斯解吸量越大，出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象的時(shí)間越長，在冷凍取心過程中由于鉆頭和鉆桿與煤壁的摩擦生熱，導(dǎo)致低溫取心過程25～60 min 其煤心溫度下降的最快。

圖4 不同變質(zhì)程度煤心解吸量變化曲線Fig.4 Change curves of desorption capacity of coal core with different metamorphic degrees

圖5 不同變質(zhì)程度煤心溫度變化曲線Fig.5 Change curves of coal core temperature under different metamorphic degrees

由表3 可知，不同變質(zhì)程度煤對倒吸影響明顯，在同等條件下，隨著變質(zhì)程度的增高，其解吸時(shí)間越長、出現(xiàn)倒吸的時(shí)間越長、倒吸量越大、倒吸持續(xù)的時(shí)間越長；不同變質(zhì)程度煤出現(xiàn)倒吸的溫度與倒吸結(jié)束的溫度相差無幾。

由圖6 可知，低溫取心過程中，不同變質(zhì)程度其倒吸量不相同，變質(zhì)程度越高倒吸量越大，同等溫度下，倒吸量與變質(zhì)程度成正比關(guān)系，倒吸速度都隨溫度的降低呈減小關(guān)系。由于變質(zhì)程度越高其瓦斯吸附量越大，其解吸量隨著變質(zhì)程度的增高而增大，從而導(dǎo)致倒吸量也越大。由于冷凍取心過程中+15～-5℃溫度下降的速度最快，隨著溫度持續(xù)降低，使煤樣罐處于負(fù)壓狀態(tài)，導(dǎo)致在該溫度下倒吸速度最快。

3 結(jié) 論

1）同一取心深度，瓦斯解吸量變化可分為4 個(gè)階段：前期快速解吸、短暫解吸結(jié)束、出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象、后期倒吸結(jié)束。在冷凍條件相同時(shí)，同一取心深度下，瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力的增加而增加，解吸后的倒吸量也隨著吸附平衡壓力的增加而增加，且低壓（1、2 MPa）與高壓（3、4 MPa）解吸量和倒吸量差異明顯。

2）煤心瓦斯倒吸速度的變化可以分2 個(gè)階段：快速減小階段、緩慢減小階段。在冷凍條件相同時(shí)，同一煤心深度，煤心瓦斯壓力越大，煤心瓦斯倒吸所需要的時(shí)間越短；同一瓦斯壓力，煤心變質(zhì)程度越高，煤心倒吸所需要的時(shí)間越長。