煤粒瓦斯解吸擴散試驗方法及規律研究

許順貴

摘 要：為研究煤粒瓦斯的解吸擴散規律，筆者利用TerraTek ISO-300/310等溫吸附/解吸儀和SH-CBM8全自動高精度煤層氣/頁巖氣含氣量多路測定儀，成功設計出一套簡單易操作的煤粒瓦斯擴散系數測定方法。結合經典擴散理論模型進行煤粒瓦斯擴散規律試驗，研究探討了實驗過程中溫度和吸附平衡壓力對于煤粒瓦斯初始有效擴散系數的影響。

關鍵詞：煤粒瓦斯 試驗 擴散理論

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0086-04

研究煤粒瓦斯的擴散規律，對于研究煤中瓦斯含量和預防瓦斯突出事故具有重要意義。雖然近年來國內外學者積極參與煤粒瓦斯解吸擴散的試驗研究，然而目前對于煤粒瓦斯擴散規律的認識尚不完善，測定煤粒瓦斯擴散系數的試驗方法仍然有待改進。筆者利用TerraTek ISO-300/310等溫吸附/解吸儀和SH-CBM8全自動高精度煤層氣/頁巖氣含氣量多路測定儀，成功設計出一套簡便可行的煤粒瓦斯擴散系數測定方法并給出煤粒瓦斯初始有效擴散系數D0的計算方法和理論模型。通過煤粒瓦斯擴散規律試驗，研究了試驗溫度和吸附平衡壓力對于煤粒瓦斯初始有效擴散系數的影響，進而研究溫度和吸附平衡壓力對煤粒瓦斯擴散的影響。

對于煤粒瓦斯擴散規律的研究始于1951年劍橋大學Richard M. Barrer[1]提出的經典擴散模型。20世紀60年代首次將經典擴散理論應用于礦業領域，用經典擴散模型法計算初始短時間內的煤中瓦斯擴散系數。國內關于煤粒瓦斯擴散規律的研究始于1986年，楊其鑾、王佑安等人[2]最先導出了經典擴散模型的精確解吸簡化式。其后，2001年聶百勝、郭勇義等人[3]引入第三類邊界條件，基于長時間解吸擴散導出經典模型的三角函數表達式，取其中第一項n=1，近似計算擴散系數，然而其結果與經典擴散模型試驗值仍存在較大偏差。在此之后，Shi JQ，Durucan[4]提出了精度更高的雙孔隙模型；劉彥偉[5]提出了三孔隙模型；李志強、劉勇等[6]提出了動擴散系數新模型理論，指出經典擴散模型是動擴散系數新模型的極長和極短時間內的特例，并不能準確描述擴散中期的情況。然而由于以上方法在計算上過于復雜，均難以推廣到實際生產應用中。

以上前人的研究成果，在不同程度上揭示了煤粒瓦斯解吸擴散過程及機理，但仍沒有簡單有效的數學模型描述煤粒瓦斯擴散的整體規律。長久以來煤粒瓦斯解吸擴散過程的研究一直難以突破，其中很重要的一個原因就是沒有標準統一且易于推廣的試驗設備和方法，而前人所作的試驗均是各成一派。自制試驗設備對于普通試驗室來說難以實現，加之沒有統一的方法和設備標準，致使煤粒瓦斯解吸擴散的研究一直停滯不前。在以前的一些研究中，試驗缺少必要步驟，其中試驗沒有將吸附平衡后樣品缸內的瓦斯壓力清零的情況時常出現，致使測得試驗數據錯誤。因此，為探明煤粒瓦斯的解吸擴散規律，急需一套步驟完整且標準統一的試驗方法。

1 煤粒瓦斯擴散試驗新方法

1.1 試驗設備

為打破技術條件對于研究煤粒瓦斯解吸擴散規律的束縛，在此筆者設計出一套簡便可行的煤粒瓦斯擴散系數測定方法，該方法具有設備成型、易于推廣、壓力可控范圍大、測量精度高等特點。所用試驗設備主要包括兩部分，TerraTek ISO-300/310等溫吸附/解吸儀和SH-CBM8全自動高精度煤層氣/頁巖氣含氣量多路測定儀，分別構成測試裝置的脫氣、充氣、吸附平衡單元和瓦斯擴散測量單元。等溫吸附儀作為充氣、脫氣和吸附平衡單元使用，可同時進行4組樣品測試，測量最大壓力為40MPa，精確度為0.25%。高精度含氣量解吸儀的使用，可每30s自動記錄一個數據點，其測試精確度為0.01mL，相對于傳統的排水集氣法所測得數據更加精準，免去了試驗中因為人為因素造成的誤差。兩個裝置之間通過導氣管和快速接頭連接，相對于前人自制的試驗設備，該套裝置具有組裝操作簡便、設備穩定性高等特點。

1.2 試驗操作步驟

（1）樣品制備，按照GB/T 474制取粒度為0.25mm至0.18mm（60目～80目）的煤樣，設置烘干箱溫度105℃，在烘干箱內烘干8h。（2）獲得煤樣工業分析和煤的高壓等溫吸附試驗數據。（3）試樣裝缸，稱取烘干后煤樣80g，迅速裝入等溫吸附儀樣品缸內。（4）試驗溫度，設置并調節油浴溫度，使樣品缸和參考缸的溫度穩定在儲層溫度（或設定試驗溫度）。（5）氣密性檢測，向等溫吸附/解吸儀參考缸和樣品缸充入氦氣，壓力高于試驗平衡壓力1MPa，觀察參考缸和樣品缸壓力數據，6h內保持不變，則視為系統氣密性良好。（6）設備連接，通過導氣管連接等溫吸附/解吸儀集氣口和高精度含氣量解吸儀進氣口。（7）煤樣脫氣，等溫吸附/解吸儀排氣管處連接真空泵，系統抽真空脫氣6h。（8）清洗氣路，向系統內以低于試驗平衡壓力充入甲烷，片刻后打開排氣閥門排凈甲烷，如此重復3次。（9）吸附平衡壓力，打開甲烷鋼瓶，吸附平衡壓力設置為1MPa，向系統內充入甲烷氣體。（10）吸附平衡時間，為使煤樣充分吸附甲烷，給定吸附瓦斯平衡時間不少于12h。（11）排氣，吸附平衡結束后，打開排氣閥排除樣品缸內死體積中氣體壓力，待樣品缸、參考缸內壓力為0時，迅速關閉排氣閥門，此過程時間極短一般為3～5s。（12）數據采集，開啟等溫吸附/解吸儀集氣系統閥門和高精度含氣量解吸儀數據采集程序，程序自動采集樣品缸內煤樣瓦斯累計擴散量，設置數據采集時間間隔為0.5min，連續記錄10min，記下試驗室的氣溫、大氣壓力作為校正之用并填寫數據記錄文件。

1.3 煤粒瓦斯初始有效擴散系數

煤粒瓦斯吸附達到平衡后，突然將其暴露于標準大氣壓下，使得其瓦斯濃度降低，煤粒內部和表面上形成濃度差，吸附狀態的瓦斯解吸為游離態，解吸過程可認為是瞬時完成的，進而產生瓦斯由煤粒中心向表面的擴散現象。endprint

2 初始有效擴散系數的影響因素

2.1 吸附平衡壓力對煤粒瓦斯擴散的影響

在此之前，聶百勝、楊濤等人[9、10]對煤粒瓦斯擴散系數與吸附平衡壓力的關系進行試驗研究認為，吸附平衡壓力越大，對應的煤粒瓦斯擴散系數越大。筆者經過試驗認為其所得結論與基本擴散理論所得數據不符并且筆者經過試驗證明煤粒瓦斯擴散系數與其吸附平衡壓力并無明顯關系。分別在1/2/3/4/5MPa壓力下進行等溫吸附，再經過瞬時的排氣放壓排除樣品缸中死體積的氣體壓力，模擬突然暴露在大氣壓下的解吸過程，壓力歸零后每隔30s測定各吸附平衡壓力下的煤粒瓦斯擴散量。經研究認為，之所以與前者試驗結果不一致，主要在于試驗測試方法上，前者在試驗過程中沒有對樣品缸中的壓力進行清零，導致死體積中的壓力對解吸擴散過程測量的數據造成影響，造成死體積內的壓力被代入計算結果。因此勢必會造成吸附壓力越大解吸擴散量越大的假象，進而導致擴散系數的測量結果失真。

為研究平衡壓力對煤粒瓦斯擴散的影響，在試驗室分別對所制備的1#、2#兩份煤樣進行煤粒瓦斯擴散規律試驗，在測試過程中控制煤樣的粒度均為0.18～0.25mm、溫度環境均為30℃。令其分別在1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa壓力下進行甲烷的吸附平衡，經擴散規律試驗測得結果見表1，圖1為煤粒瓦斯初始有效擴散系數隨吸附平衡壓力變化的曲線。

從圖1中可以看出，1#煤樣瓦斯初始有效擴散系數最大值為6.3645MPa，最小值為3.8337MPa，且變化無規律可循。隨著吸附壓力從1MPa增大至5MPa，煤粒瓦斯擴散系數變化范圍在一倍之內，由于煤粒瓦斯初始有效擴散系數D0變化范圍通常在1～2個數量級，因此可以認為吸附平衡壓力對煤粒瓦斯初始有效擴散系數D0的測定值影響不大，理論與實測結果相一致。因此，在測煤粒瓦斯初始有效擴散系數時，為便于研究通常選取1MPa作為吸附平衡壓力。

2.2 溫度對瓦斯擴散系數D的影響

各專家對溫度和煤粒瓦斯擴散系數的關系結論不一[11、12]。本次試驗旨在通過探討溫度和煤粒瓦斯擴散系數的變化規律，進而探明溫度對煤粒瓦斯擴散的影響。

目前研究中存在兩種試驗方式，分別是同壓不同溫度吸附平衡后的恒溫擴散試驗和同壓同溫吸附后的升溫擴散試驗，對于以上兩種方法前人均得出不相同的結論。筆者在此認為由于后者試驗的升溫過程，在正常的測試環境中不會出現，且處于升溫過程中也難以斷定具體時刻的擴散量所對應的具體溫度，故而這里認為此種分析手段不具有可行性，本次試驗不進行討論。僅對同壓不同溫度吸附平衡后的恒溫擴散試驗的結果進行論證。

為研究溫度對測試煤粒瓦斯初始有效擴散系數究竟有什么樣的影響，在試驗室里分別對制備的3#煤樣和4#煤樣進行煤粒瓦斯擴散規律試驗，在試驗中通過調節儀器油浴溫度來實現試驗溫度的改變。對比分析同一個樣品在不同溫度環境下測得的煤粒瓦斯初始有效擴散系數D0，分析3#煤樣和4#煤樣在煤粒瓦斯初始有效擴散系數測定中是否具有相同的試驗現象規律。表2為煤粒瓦斯擴散規律試驗測得結果。圖2為煤粒瓦斯初始有效擴散系數隨溫度變化的曲線圖。

從圖2中，可以看出，3#煤和4#煤樣在測試過程中，初始有效擴散系數總體上是隨著溫度的增加而增大，也就是說初始有效擴散系數D0和試驗溫度T呈現正相關性。這與聶百勝、李志強等人[6、10]的研究結果相同，證明本次試驗結論符合事實。由于溫度升高導致甲烷分子熱運動加劇，分子動能增加進而導致煤粒瓦斯擴散能力增強，表現為初始有效擴散系數增大。

3 結論

（1）給出了煤粒瓦斯擴散規律的試驗方法，煤粒瓦斯初始有效擴散系數的理論模型和計算方法，分別測得本次試驗樣品的煤粒瓦斯初始有效擴散系數。

（2）經過本次試驗論證了吸附平衡壓力與煤粒瓦斯初始有效擴散系數之間沒有明顯線性關系，進而證明吸附平衡壓力不會對煤粒瓦斯擴散造成明顯影響。否定了聶百勝等人關于吸附平衡壓力與煤粒瓦斯初始有效擴散系數正相關的論點指出其試驗方法上存在的問題。筆者在此問題上與楊其鑾等人的觀點保持一致。

（3）指出在溫度對于煤粒瓦斯擴散能力的影響試驗中，同壓不同溫吸附平衡下的恒溫解吸擴散試驗才具有現實意義，否定了前人關于溫度與煤粒瓦斯擴散系數呈負相關的論點。證明了隨著試驗溫度的增加煤粒瓦斯初始有效擴散系數增大，擴散能力增強。

參考文獻

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