水分對顆粒煤的瓦斯擴散影響規律研究

高志鵬

(晉煤集團 趙莊煤業公司，山西 長治 046600)

煤層瓦斯以吸附態和游離態的形式存在于煤層中，煤層瓦斯擴散需經過微孔、小孔、中孔及大孔，影響煤層瓦斯解吸規律的主要因素有：壓力、溫度、煤粒直徑、煤的破壞類型、煤體的變質程度、孔隙結構及水分等。陳向軍等[1]研究了煤樣粒徑、吸附平衡壓力、煤樣破壞類型對煤層瓦斯擴散的影響規律，得出煤樣粒徑越小、吸附平衡壓力越大、煤樣破壞越嚴重，同一時間段內的瓦斯解吸量越大的結論；ZHOU Dong[2]，YUE Gao- wei等[3]揭示了溫度對含瓦斯煤擴散的影響機理，溫度的變化影響了甲烷分子的活性，改變了瓦斯在煤粒中的擴散能力，不同的溫度條件下，甲烷分子的擴散能力不同；孫麗娟[4]、李子文等[5]研究發現，煤的吸附能力隨著變質程度的增加呈現先增加后減小的趨勢，煤的微孔和中孔含量對瓦斯的吸附量影響較大；YIN Guang- zhi[6]等研究認為，水分含量對含瓦斯煤層的透氣性有較大影響。本文擬從水分對瓦斯擴散量、擴散率的角度探析水分對顆粒煤瓦斯擴散規律，以期為煤層瓦斯治理提供理論基礎。

1 不同含水率試驗煤樣的制備

試驗煤樣取自晉煤集團趙莊煤礦，將取回的新鮮煤樣采用粉碎機粉碎，篩選出粒徑為60～80目及1～3 mm粒徑的煤樣。粒徑為60～80目的煤樣用于吸附常數測試及工業分析，工業分析按照《煤的工業分析方法》GB/T212-2008測得自然煤樣水分Mad為1.78%，灰分Aad為10.55%，揮發分Vad為8.52%；粒徑為1～3 mm的煤樣用于制備不同含水率的試樣，不同含水率煤樣制備步驟如下：

1) 將制備好粒徑為1～3 mm的煤樣放置在熱空氣干燥箱內干燥，設置干燥箱溫度為105 ℃，得到干燥煤樣，并稱其重量；

2) 采用編織網袋子，取一定質量上述干燥后的試驗煤樣(m)包裹后放入真空飽和水試驗裝置中，使煤樣飽和吸水，并稱其質量(m1)，則其含水率為：w=(m1-m)×100%/m；

3) 將飽和吸水后的煤樣，放入熱空氣干燥箱內干燥，通過控制干燥時間，間隔一段時間對其質量進行測試，獲取不同水分的煤樣；

4) 將制取的一定含水率煤樣放入煤樣罐中，按照檢驗氣密性、死體積標定、充氣吸附平衡、常壓解吸的試驗步驟進行水分對顆粒煤瓦斯擴散影響規律研究。

2 煤的瓦斯吸附常數測試

根據《煤的甲烷吸附量測定方法(高壓容量法)》(MT/T752-1997)進行煤的吸附常數測試，測試結果如圖1所示，吸附常數a值為46.423 66，b值為0.610 48。

圖1 煤的瓦斯吸附常數測試

3 水分對顆粒煤瓦斯擴散的影響規律

按照上述試驗步驟，分別測試吸附平衡壓力為0.5 MPa、1.0 MPa，不同含水率下的擴散量，測試結果如圖2所示。

圖2 水分對顆粒煤瓦斯擴散量影響

由圖2可知，同一吸附平衡壓力下，隨著含水率的增加，瓦斯擴散量逐漸減小，瓦斯擴散速度逐漸減小，隨著含水率的增加，水分對瓦斯解吸產生了明顯的抑制效應。

楊其鑾等[7]通過數值計算出了煤的瓦斯擴散規律的一般表達式：

(1)

式中：Qt表示擴散時間為t時累計的瓦斯解吸量；A=π2D/R2；D為煤的瓦斯擴散系數，m2/s；R表示煤屑半徑，m；Q∞表示t趨向于無窮時瓦斯極限解吸量，Q∞可采用式(2)表示：

(2)

式中：a、b為煤的瓦斯吸附常數；p為吸附平衡壓力，MPa；p0為大氣壓力；Aad為煤的灰分，%。

根據式(2)計算出干燥煤吸附平衡壓力為0.5 MPa，1.0 MPa時極限解吸量為6.84 mL/g和10.08 mL/g。根據圖2中水分對顆粒煤的瓦斯擴散量，即可計算出不同水分條件下瓦斯在不同時刻的擴散率，如圖3所示。

圖3 水分對顆粒煤瓦斯擴散量影響

由圖3可知，同一吸附平衡壓力下，隨著含水率的增加，瓦斯擴散率逐漸減小。水分與煤體表面的作用主要是水分與極性吸附位間的氫鍵作用，而甲烷與煤體分子表面主要靠分子間作用力，煤體對水分子的吸附能力大于對甲烷分子的吸附能力，煤體含水率越大，造成可用于甲烷的吸附位減少，瓦斯的吸附量減小，在解吸的初期，瓦斯從大孔中擴散出，水分子會在微孔隙內產生一定的蒸氣壓，存在一部分氣體狀態水分子，增大了瓦斯擴散的阻力，抑制了瓦斯的擴散。

4 結 語

1) 同一吸附平衡壓力下，隨著含水率的增加，瓦斯擴散量逐漸減小，瓦斯擴散速度逐漸減小，隨著含水率的增加，水分對瓦斯解吸產生了明顯的抑制效應；

2) 含水率的增加，增大了瓦斯的擴散阻力，抑制了瓦斯的擴散。