利用瓦斯水合機(jī)理防治煤與瓦斯突出的基礎(chǔ)研究

李智峰

（黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 150022）

利用瓦斯水合機(jī)理防治煤與瓦斯突出的基礎(chǔ)研究

李智峰

（黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 150022）

設(shè)計(jì)并制造了可視化水合物試驗(yàn)裝置。研究了瓦斯水合物在煤－純水體系和煤－表面活性劑體系中的生成過程，結(jié)果顯示：表面活性劑的加入能夠縮短水合物生成的誘導(dǎo)時(shí)間及改善生成速率；在添加的表面活性劑的種類不同時(shí)，水合物生成的誘導(dǎo)時(shí)間和生成速率存在很大差異；在同樣濃度的吐溫系列的表面活性劑中，T40對水合物生成的促進(jìn)作用最大。

瓦斯水合物 表面活性劑 煤與瓦斯突出

1 可視化試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

目前，國內(nèi)用于水合物相平衡研究的反應(yīng)釜有低壓和中高壓兩種，中高壓釜只有從國外（加拿大）進(jìn)口的藍(lán)寶石全透明釜是可視性的，除價(jià)格昂貴外，有效腔體體積只有59mL，無法滿足填裝煤樣類實(shí)驗(yàn)的要求。為此，自行設(shè)計(jì)制造了一套實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1）。該裝置主要由高壓釜（缸體）、恒溫空氣浴、增壓系統(tǒng)、溫壓測定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)組成。

該實(shí)驗(yàn)裝置與國內(nèi)外現(xiàn)有同類裝置相比，其新穎與獨(dú)特之處在于：

①在系統(tǒng)中增加圖像自動采集存儲功能。避免了其它實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄和圖像采集同步性差的弊端。

②在攝像系統(tǒng)中增加了顯微放大功能。能清楚地觀察到晶核的形成及其生長過程。

③數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更方便、更可靠。

圖1 瓦斯水合物高壓試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)過程如下：

①清洗反應(yīng)釜需重復(fù)清洗三次后，對反應(yīng)釜進(jìn)行抽真空；

②加入水溶液，當(dāng)吸入的溶液通過反應(yīng)釜的視窗觀察達(dá)到視窗的1／2時(shí)，關(guān)閉排放閥從而停止吸液；

③壓入高壓瓦斯氣，由于憑氣源本身的壓力不足以達(dá)到瓦斯氣水合物生成的壓力，所以還要對壓入反應(yīng)釜的氣體通過增壓泵對其加壓。加壓完畢后關(guān)閉進(jìn)氣閥；

④用空氣浴罩把反應(yīng)釜罩住，并調(diào)節(jié)制冷設(shè)備的智能溫控儀，制冷設(shè)備自行運(yùn)行，將空氣浴調(diào)節(jié)到設(shè)定的溫度，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；

⑤預(yù)測水合物的生成大約時(shí)間，提前啟動攝像或照相系統(tǒng)，記錄水合物生成和生長（或分解）的全過程。

2 在煤層中生成甲烷水合物的研究

目前，已在靜態(tài)純水體系中成功合成了甲烷水合物。圖2為在P＝8.47MPa，T＝6.7℃條件下，容器中氣液固三相達(dá)到平衡時(shí)水合物的圖像。

圖2 氣液固三相平衡時(shí)的圖像

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水合物一旦開始形成，其生長速度是很快的。而且，在液體表面形成的水合物層不能有效阻止甲烷繼續(xù)進(jìn)入溶液，說明水合物有一定的透氣性。這一特性可以保證煤體中的甲烷將透過在表面生成水合物膜或?qū)樱苋胨芤褐欣^續(xù)形成水合物，直到其在水溶液中的濃度低于形成水合物的臨界濃度為止，從而使煤體里面的大部分甲烷都能形成水合物。

3 表面活性劑對水合物生成的影響研究

由于甲烷在水中的溶解度很小，所以在靜止的純水中，水合物生成的誘導(dǎo)時(shí)間較長，而且生長速度較慢。實(shí)驗(yàn)研究表明，在靜止的純水系統(tǒng)中（在4.5MPa，276K條件下），28小時(shí)內(nèi)無水合物生成，而在靜止的含表面活性劑系統(tǒng)中，大約1.5小時(shí)即可生成水合物。這表明表面活性劑對水合物生成有很好的促進(jìn)作用。在溫度為15.3～25.4℃、壓力為0.41～24.72MPa條件下研究了煤－表面活性劑溶液體系中瓦斯水合物的生成過程，得到水合物生成的熱力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用氣體水合物生成速率理論對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：表面活性劑的加入促進(jìn)了水合物的生長，水合物的生成速度與表面活性劑的種類、濃度有關(guān)，不同種類的表面活性劑溶液雖然其濃度相同，但誘導(dǎo)時(shí)間和生成速度均有很大差異。相同濃度的吐溫系列表面活性劑中，T40對水合物生成的促進(jìn)作用最大。利用可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了煤－T40溶液（1.0×10－3mol／L）中瓦斯水合物生成過程的實(shí)驗(yàn)研究，得到了誘導(dǎo)時(shí)間為404min，其生成過程的p－T關(guān)系如圖3。另外，相同濃度不同種類、相同種類不同復(fù)配比對水合物生成影響作用效果差別較大。

圖3 體系1中瓦斯水合物生成過程p－T－t關(guān)系圖

在研究瓦斯水合物在表面活性劑水溶液中的生成過程的基礎(chǔ)上，對水合物生成誘導(dǎo)時(shí)間、生成時(shí)溫度、壓力等參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，將實(shí)驗(yàn)熱力學(xué)結(jié)果與相平衡軟件計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，表面活性劑改變了瓦斯水合物生成的熱力學(xué)條件。

［1］ 梁冰，章夢濤，潘一山等.煤和瓦斯突出的固流耦合失穩(wěn)理論［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1995，20（5）：492－496.

［2］ Jr E D，Sloan Clathrate.Hydrate of natural gases［M］.New York：Marrcel Deker，1997，39－45.

［3］ 吳強(qiáng).礦井瓦斯水合機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2005：106－109.

［4］ 孫建華，吳強(qiáng)，張保勇.非離子型吐溫系列表面活性劑對瓦斯水合物生成過程的影響［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2006，31（2）：191－195.

（責(zé)任編輯 劉 馨）

Basic Research on Preventing Coal and Gas Outburstwith Methane Hydration

LIZhifeng
（School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Heilongjiang 150022）

The visible experimental installation is designed and made for experiment which needs samples of coal.The process of gas hydrate formation are investigated in coal-pure water and coal-surfactant solution systems，the results indicates that the surfactants can shorten the induction time，and improve the formation rate，the induction time and formation rate show a large difference with different kind of surfactant，and Tween－40 has the greatest acceleration for hydrate formation in Tween series surfactant of the same concentration.

Gas hydrate；surfactant；coal and gas outburst

李智峰，男，高級工程師，碩士研究生，主要從事實(shí)驗(yàn)室教學(xué)研究工作。