軟硬煤的瓦斯擴散系數(shù)研究

郝 凱

(晉煤集團 坪上煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048006)

擴散是自然界中一種較為常見的現(xiàn)象，常常在多孔介質(zhì)中發(fā)生。擴散系數(shù)是研究擴散過程的一個重要的參量，同一物質(zhì)的擴散系數(shù)與溫度、壓力及濃度等有關[1]。煤體是一種多孔介質(zhì)，具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)，微孔小孔發(fā)育，具有較大的比表面積[2-3]，煤體中瓦斯的流動也屬于擴散，其擴散動力是濃度梯度。

李青松等[4]采用經(jīng)典擴散模型對不同粒徑煤瓦斯擴散規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明擴散率隨著粒徑的增大而減小；溫志輝等[5]對煤屑的瓦斯擴散系數(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)煤屑瓦斯擴散系數(shù)與時間滿足冪函數(shù)的關系；岳高偉等[6]分析了煤的瓦斯擴散系數(shù)時變特性，結(jié)果表明低溫環(huán)境中煤的瓦斯擴散系數(shù)小于高溫環(huán)境中；梁可[7]采用自研的吸附/解吸實驗裝置對不同粒徑煤的煤樣擴散特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)粒徑與擴散率緊密相關。同一個礦井常常賦存著軟硬煤，其擴散規(guī)律不盡相同，因此研究軟硬煤的瓦斯擴散系數(shù)對軟硬煤的瓦斯治理具有重要意義。

本文采用自行研制的瓦斯吸附解吸實驗裝置對不同吸附平衡壓力(0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa)條件下的軟硬煤瓦斯擴散規(guī)律進行研究，以期為軟硬煤的瓦斯治理提供科學依據(jù)。

1 煤樣的采集及基礎參數(shù)測試

試驗煤樣取自山西沁水盆地南部的坪上煤礦，煤質(zhì)為無煙煤，在井下分別采集軟硬煤，密封保存后送至實驗室，編號為：P-Y(坪上硬煤)，P-R(坪上軟煤)。首先將實驗煤樣粉碎，篩選出粒徑為1～3 mm及0.18～0.25 mm的煤樣，其中1～3 mm煤樣用于測試煤樣的瓦斯擴散規(guī)律，0.18～0.25 mm煤樣用于測試煤樣灰分(Aad)，揮發(fā)分(Vad)，水分(Mad)，視密度(ARD)，真密度(TRD)及堅固性系數(shù)(f)。將篩選出的煤樣放入干燥箱中，在105 ℃條件下進行干燥，直至煤樣的質(zhì)量不變，視為干燥完畢，然后冷卻備用。試驗煤樣的基礎參數(shù)基于國家標準(GB/T212-2008，GB/T23561.12-2010，GB/T217-2008)進行測試，測試結(jié)果見表1。

表1 試驗煤樣基礎參數(shù)

2 試驗流程及瓦斯擴散系數(shù)的計算理論

2.1 試驗流程

試驗煤樣的瓦斯擴散測試采用如圖1所示的試驗裝置，裝置由甲烷罐，參考罐，真空泵，真空計，煤樣罐，解吸儀，精密壓力傳感器，閥門等組成。

1) 采用高壓甲烷充入煤樣罐的方法檢驗裝置氣密性，確保系統(tǒng)不漏氣；

2) 將恒溫水浴設置為30 ℃，確保煤樣罐全部在恒溫水浴中；

3) 將干燥好的煤樣裝入煤樣罐，然后對系統(tǒng)進行抽真空，當真空度達到30 Pa以下時，視為抽真空結(jié)束；

圖1 實驗裝置

4) 抽真空結(jié)束以后，將甲烷充入煤樣罐中，并不斷補氣，使煤樣罐內(nèi)的壓力達到吸附平衡壓力；

5) 煤樣吸附平衡后，放出煤樣罐內(nèi)的游離氣體，當煤樣罐內(nèi)的壓力將為0時開始解吸，并采用解吸儀記錄每時刻的瓦斯解吸量；

6) 試驗煤樣的瓦斯解吸量按式(1)進行計算：

(1)

式中：Qt為單位質(zhì)量的瓦斯解吸量，mL/g；V為量筒內(nèi)氣體體積讀數(shù)，cm3；P0為室內(nèi)大氣壓，kPa；0.02t為動槽式壓力計隨溫度變化壓力校正值，kPa；t為瓦斯解吸時間，s；m為煤樣質(zhì)量，g；Wp為飽和食鹽水蒸汽壓，kPa。

2.2 瓦斯擴散系數(shù)計算理論

對于顆粒煤的瓦斯擴散規(guī)律，有以下假設：①煤屑是由很多球形顆粒組成；②煤屑各向同性；③瓦斯解吸過程中遵循連續(xù)性及質(zhì)量守恒定律。顆粒煤瓦斯解吸遵循菲克擴散第二定律，如式(2)所示：

(2)

式中：r為極坐標半徑，m；c為瓦斯?jié)舛龋琯/cm3；D為擴散系數(shù)，m2/s；t為解吸時間，s。

顆粒煤的瓦斯擴散規(guī)律的表達式為[8]：

(3)

式中：Q∞為極限解吸量，mL/g；r0為顆粒煤半徑，mm。

(4)

對式(3)中n取1，對式(3)兩邊同時求對數(shù)，得到式(5)：

(5)

(6)

通過試驗煤樣的瓦斯解吸實驗，建立Qt/Q∞的關系，通過采用Origin軟件進行擬合即可得到軟硬煤的瓦斯擴散系數(shù)。

3 軟硬煤的瓦斯擴散規(guī)律及擴散系數(shù)分析

3.1 軟硬煤的瓦斯擴散規(guī)律

按照上述試驗步驟對軟硬煤不同吸附平衡壓力(0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa)條件下的瓦斯擴散量測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 試驗煤樣的瓦斯擴散規(guī)律

由圖2可知，無論對于軟煤還是硬煤，煤的瓦斯擴散量隨著時間的增加而增大。對于同一煤樣，吸附平衡壓力越大，煤的瓦斯擴散量越大，試驗煤樣的瓦斯擴散量與時間滿足冪函數(shù)的關系(式7)，擬合度較高，其擬合參數(shù)如表2所示。

Qt=a1tb1

(7)

3.2 軟硬煤的瓦斯擴散系數(shù)

根據(jù)式(4)計算出煤的瓦斯極限解吸量，再根據(jù)煤的瓦斯解吸量即可得出軟硬煤的瓦斯擴散率(Qt/Q∞)與時間(t)的關系曲線，如圖3所示，求解煤的瓦斯擴散系數(shù)，如圖4所示。

表2 擬合參數(shù)

圖3 試驗煤樣的瓦斯擴散率

圖4 軟硬煤的瓦斯擴散系數(shù)對比

由圖3可知，無論對于軟煤還是硬煤，煤的瓦斯擴散率隨著時間的增加而增大。對于同一煤樣，吸附平衡壓力越大，煤的瓦斯擴散率越小；在同一吸附平衡壓力下，軟煤的瓦斯擴散率大于硬煤。由圖4可知，無論對于軟煤還是硬煤，隨著吸附平衡壓力的增大，煤的瓦斯擴散系數(shù)逐漸減小；軟煤的瓦斯擴散系數(shù)大于硬煤，且煤的瓦斯擴散系數(shù)與吸附平衡壓力滿足冪指數(shù)的函數(shù)關系。

4 結(jié) 語

1) 對于同一煤樣，吸附平衡壓力越大，煤的瓦斯擴散量越大，煤的瓦斯擴散量與時間滿足冪函數(shù)的關系。

2) 對于同一煤樣，煤的瓦斯擴散率隨吸附平衡壓力的增大而減小；在同一吸附平衡壓力下，軟煤的瓦斯擴散率大于硬煤。

3) 軟煤的瓦斯擴散系數(shù)大于硬煤的瓦斯擴散系數(shù)，煤的瓦斯擴散系數(shù)與吸附平衡壓力滿足冪指數(shù)的函數(shù)關系。