煤層溫度與瓦斯賦存狀態和抽采率關系的實驗研究＊

張美紅 吳世躍 李元星 李長龍

（太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024）

近些年來，隨著煤炭大規模開采，礦井瓦斯涌出量急劇上升，煤礦事故頻發，嚴重威脅著礦井安全生產。研究瓦斯的擴散規律，對于揭示煤層突出本質、瓦斯流動機理以及瓦斯的開發利用有重要的現實意義。2005年易俊研究了在交變電場聲場作用下煤的吸附解吸特性；2006年唐巨鵬研究了有效應力對瓦斯解吸滲流的影響；2007年孫立軍探討了應力場、地溫場、壓力場對瓦斯吸附的影響；2008年姜永東等利用聲震法對煤吸附解吸進行了試驗研究；2013年閆凱研究了水分對煤吸附瓦斯特性的影響。瓦斯吸附、解吸及擴散特性受原煤及地溫的影響較大，但對溫度與瓦斯吸附、擴散、采收率關系的研究較少。本文將就此進行研究，為提高瓦斯采收率及防治突出提供理論依據。

1 實驗原理

煤巖具有多孔隙介質和較大的比表面積，對氣態物質具有很強的吸附作用，瓦斯一般以吸附態賦存于煤層中。由于瓦斯在煤中的吸附為單層的物理吸附，可利用在某一恒溫條件下測出的每一平衡壓力下單位煤樣氣體吸附量得出該溫度下的Langmuir吸附等溫線，再通過Langmuir公式用回歸分析法求出a，b值。

式中：w——單位煤樣中吸附量，m3／t；

a——朗格繆爾常數，m3／t；

b——朗格繆爾常數，MPa-1；

p——瓦斯壓力，MPa。

煤層是孔隙—裂隙二重介質，當煤塊被研磨到一定尺度后，其中裂隙被完全破壞，僅保留孔隙，即使裂隙沒有被完全破壞，剩余裂隙也非常小，路徑非常短，所以相對孔隙擴散阻力，只剩純擴散過程 （瓦斯在裂隙中的運移符合達西滲流，在孔隙中的運移符合菲克擴散。當煤塊被破壞到一定程度，裂隙被完全破壞，只剩孔隙，因此瓦斯的運移只剩純擴散過程）。在實驗過程中經過高壓吸附平衡，瞬間釋放游離氣體后，瓦斯在濃度梯度作用下解吸并從微孔隙中擴散出來，此為純擴散現象。

2 實驗方法

煤樣采自陽泉程莊煤礦9＃煤層，新鮮煤樣在掘進工作面嚴密封裝后，送至實驗室。每一種煤樣都不得少于2 kg，并有5 塊以上塊度不小于3.5cm的煤塊。瓦斯的主要成分為甲烷 （CH4），實驗采用濃度不低于99%高純度的CH4氣體代替具有少量其他成分的瓦斯。

本實驗采用容量法。稱取所測煤樣50g裝入高壓缸內，檢查氣密性后將其放入60℃的恒溫水浴中脫氣4h，后在不同恒溫條件下通過吸入吸附缸的飽和食鹽水體積計算出低壓吸附量；再向高壓缸內注入一定壓力的CH4氣體，在不同溫度的恒溫水浴中平衡4h以上，壓力平衡后分6次將CH4氣體放出，記錄平衡壓力以及排飽和食鹽水的量。計算出每個壓力段吸附的CH4量。

最后向高壓缸中充入一定的高壓氣體平衡后，打開高壓閥門瞬間釋放游離態的CH4氣體使壓力降至一個大氣壓后采用排飽和食鹽水法測量含吸附氣體煤樣隨時間的氣體擴散量V 。在實驗過程中記錄實驗室氣體的溫度和大氣壓以供校正。

3 實驗結果及分析

根據上述實驗方法，分別得出煤樣在20℃、25℃、30℃、35℃、40℃時不同壓力下CH4吸附量，如圖1。根據式 （1）和試驗數據，用回歸分析法求出不同溫度下的吸附平衡常數a 和b，其隨溫度的變化規律如圖2和圖3所示。

圖1 不同溫度、不同壓力情況下CH4吸附量

由圖1可知，不同溫度下，吸附量與平衡吸附壓力之間的相關系數都在0.98以上，具有較好的相關性，數據比較可靠；相同壓力下，瓦斯吸附量隨著溫度的升高而減少，游離瓦斯增加，當孔隙體積不變時，孔隙壓力增加，抽采時驅動能增加，產能增大，采收率增加。根據相關研究，當孔隙壓力接近0.7MPa，即達到殘余孔隙壓力時，煤層瓦斯抽采井衰竭，若不采取增產措施則失去開采意義。因此，根據實驗結果，為了進一步增加瓦斯回收率，可以采用加熱方法提高煤層溫度達到提高采收率的目的。如根據圖1 實驗數據，將溫度由20℃升高到40℃，殘存壓力不變都為0.78 MPa，噸煤增加瓦斯回收量為4.42 m3／t，平均溫度每升高1℃，增加瓦斯回收量0.221m3／t。

圖2 a隨溫度T 的變化規律

圖3 b隨溫度T 的變化規律

由圖2和圖3看出，Langmuir吸附常數a和b與溫度關系可用下列擬合方程表示：

式中：T——溫度，℃；

m1、m2、m3、n1、n2——實驗擬合系數。

本試驗的擬合方程為：

Langmuir吸附常數a 為給定溫度下，煤吸附瓦斯的最大吸附量，即飽和吸附量。由于煤體對瓦斯的吸附為物理吸附且是放熱過程，所以當溫度上升時，解吸過程增強且氣體分子運動加快，在煤體表面停留時間減少，使吸附量減少，所以Langmuir吸附常數a 隨溫度的升高而降低。不同溫度下解吸CH4含量及CH4擴散速度隨時間t的變化規律見圖4和圖5。

由圖4可看出，擴散量隨溫度的增加而增大。這是因為溫度增加，煤體內瓦斯分子的動能增加，增強了其脫離吸附狀態的能力，擴散解吸量增大；反之，溫度降低抑制了解吸作用。根據此原理，實際中可以利用外加電場的焦耳熱效應、交變電磁場產生的熱量或超聲波摩擦生熱等方法使煤層溫度升高達到促進瓦斯解吸，提高瓦斯解吸速率，增加瓦斯采收率的目的。溫度相同時，每一點斜率就是所對應此溫度下瓦斯擴散速度，隨著時間的變化，瓦斯擴散速度逐漸減小。

圖4 不同溫度下解吸CH4含量隨時間t的變化規律

圖5 不同溫度下CH4擴散速度隨時間t的變化規律

由圖5可以看出，瓦斯擴散速度隨溫度升高而增大。由于瓦斯在煤體中的擴散速度大小主要受小孔中瓦斯擴散速度的影響。當溫度升高時，煤體中的小孔受膨脹逐漸變大，致使擴散速度增大。不同溫度下，擴散速度隨時間變化規律都可采用如下公式做統計分析：

式中：v——擴散速度，m3／ （t·min）；

A——擴散初速度，m3／ （t·min）；

t——時間，min；

B——擴散速度隨時間變化的衰減系數，1／min。

不同溫度下A、B 值如表1所示。

表1 不同溫度下對應的A、B 值

從表1可以看出，A、B 值都隨溫度的升高而增大，說明溫度越高，擴散初速度越大，擴散速度隨時間延長衰減越迅速。

瓦斯擴散初速度主要取決于瓦斯壓力、滲透率等因素，而這些因素揭示了煤層的突出本質。在《防治突出細則》中使用擴散初速度作為突出危險性預測的主要指標。從圖4和圖5中可以看出，擴散初速度及擴散速度的衰減隨溫度升高而加快，據此現場可利用降低煤層溫度的方法來降低瓦斯擴散初速度從而減小煤層的突出危險性。

4 結論

（1）吸附量隨溫度的升高而減少，表明溫度降低會抑制瓦斯解吸。

（2）試驗結果表明：Langmuir吸附常數a 和b 值都隨溫度的升高而降低，a 隨溫度變化符合二次函數關系，b則符合線性函數關系。

（3）利用不同溫度下，瓦斯擴散量隨著溫度的升高而增大的結論以及相關物理學原理，可采用煤層外加的電場、交變電磁場、功率超聲波等方法提高煤層溫度，促進瓦斯解吸和增大擴散速率，從而提高瓦斯抽采率，且平均溫度每升高1℃，增加瓦斯回收量0.221m3／t。

（4）瓦斯擴散初速度是影響突出的重要因素。溫度越高，擴散初速度越大，煤層的突出危險性越高。所以降低煤層溫度，可以減小煤層的突出危險性。

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