煤樣瓦斯多次充氣吸附過程溫度變化規律

楊 濤，葉秋生，顧勇攀，劉夢杰

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083；2.華北科技學院 安全工程學院，河北 燕郊 065201)

由于自身存在大量的孔隙和裂隙，煤作為一種天然的多孔介質，是瓦斯吸附的一個良好載體[1-3]。多年以來，煤炭一直是我國重要的基礎能源，與此同時，煤礦開采隨著深度的增加也面臨著巨大的安全問題。據國家統計局數據顯示，自2010年以來，我國煤炭產量一直維持在30億t以上，產量的提高加之煤層中瓦斯的存在，使得瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故頻發[4，5]。研究煤與瓦斯吸附的規律，對了解煤與瓦斯之間作用機理具有良好的參考價值，對預測瓦斯突出預測預報也有十分重要的意義。

瓦斯吸附是由于范德華力作用下瓦斯附著在煤體表面的一種物理現象，吸附過程伴隨著能量的變化，瓦斯吸附會放出熱量，引起煤樣罐體溫度的升高。近幾年來，大量學者研究了瓦斯吸附過程中溫度的變化規律，得出了一些可靠的經驗和結論[6]。牛國慶等[7]分別用氮氣、瓦斯等氣體做了吸附實驗，得到不同氣體的吸附速率不同，溫度升高的變化程度也有差異。楊濤等[8，9]利用不同粒徑、不同變質程度的煤樣在在恒溫條件下進行實驗，說明吸附溫度隨著吸附量的累積增大而升高，且不同粒徑、不同變質程度的煤溫度變化也不一樣。馬月彬等[10]通過不同煤樣在不同壓力下進行瓦斯吸附過程中溫度場變化的實驗，得出煤樣罐中某點的溫度變化最大值與中心點處的比值和該點到中心點的距離成二次函數關系式。周動[11]通過實驗得出，不同壓力作用下，煤吸附瓦斯升溫過程具有一致的非均勻特征，溫度變化的明顯程度與壓力大小有關。關于吸附會釋放熱量使煤體溫度升高，溫度升高的程度與壓力有關已經有一致的認識。但是，過去的學者未對多次充氣達到吸附平衡進行系統研究。煤體中的瓦斯并非一次性生成，而是在成煤過程逐漸形成的，所以本文主要利用實驗室實驗進行多次充氣，研究不同壓力下瓦斯吸附過程中溫度變化，有利于掌握瓦斯吸附過程中的能量轉化規律，對研究煤層煤與瓦斯突出預測預報具有一定的借鑒依據。

1 實驗系統和實驗過程

1.1 實驗系統

本次實驗采用的是經過改進的吸附解吸實驗系統——含瓦斯煤體注熱促解吸模擬實驗測試系統。該系統主要包括計算機采集系統，主要用于采集壓力和溫度變化；真空泵系統，可對整個實驗系統抽真空；反應釜(即煤樣罐)系統，瓦斯吸附和解吸的主要場所；參考罐系統，用于向反應釜充氣；高壓氣瓶，向系統提供一定壓力的氣體；溫度傳感器和壓力傳感器系統，可實時反映當前溫度變化和壓力變化等。實驗系統如圖1所示。

1—高壓甲烷；2—參考罐；3—煤樣罐；4—銅管；5—7—質量流量計；8—電子天平；9—計算機采集系統；10—真空泵；11—磁力旋轉裝置；12—高壓氦氣；13—減壓閥；14、15—壓力傳感器；16—19—溫度傳感器

此次采集系統中的溫度傳感器是WZP-35型鉑熱電阻溫度傳感器，這種傳感器溫度范圍大，測量精度高。主要由熱電阻或熱電偶、信號轉換器、信號處理和轉換單元組成。溫度傳感器參數見表1。

表1 WZP-35型鉑電阻溫度傳感器參數

為了滿足實驗精度需要，質量流量計有5L和500mL兩種，5L流量計用于解吸初期，流量較大，500mL流量計用于解吸后期流量在500mL以下時，兩種流量計混合使用可以提高流量的測量精度。采集是D08-8CM流量積算儀。集合VB編程系統的使用，此流量系統能夠實時的反應瞬時流量和累積流量。流量積算儀和流量計參數見表2。

表2 D08-8CM型流量積算儀

1.2 實驗過程

1.2.1 煤樣制作

實驗煤樣取自山西某高瓦斯煤礦15#煤層。取樣后，將煤樣破碎并篩選出粒徑范圍為60～80目的煤樣，裝入密封袋貼上標簽，為實驗所用。另外，再篩選0.2mm以下的煤樣進行工業分析，結果見表3。

表3 煤樣工業分析結果

1.2.2 吸附實驗

氣密性是瓦斯吸附實驗成功與否的關鍵一環，將實驗系統連接好，計算機采集裝置記錄，充入3MPa的氦氣保壓24h，若壓力保持不變，則氣密性良好，接下來抽真空，用固定體積1L的參考罐對煤樣罐的自由空間體積進行標定。關閉全部氣體閥門，先對1L參考罐充入壓力為P1，然后打開參考罐與煤樣罐之間的氣體閥門，記下平衡壓力為Pe，利用氣體平衡方程得出煤樣罐的固定體積，方程[12]如下：

式中，VR為參考罐的體積，m3(已知)；Vs為樣品罐體積，m3；ZR為參考罐初始氣體的壓縮因子，無量綱；Zf為樣品罐初始氣體的壓縮因子，無量綱；Ze為平衡條件下氣體的壓縮因子，無量綱；P1為參考罐充氣壓力，MPa；P2為樣品罐原始壓力，MPa；Pe為平衡壓力，MPa；T1、T2、T3分別為對應于P1、P2、Pe時的溫度。

利用相同的方法，對裝樣后的煤樣罐“死體積”進行標定，標定完后抽真空，進行加壓吸附。分別一次或者分幾次加壓，進行瓦斯吸附，得到的不同平衡壓力的實驗數據，最后對實驗數據進行處理。

2 多次充氣吸附過程溫度分析

2.1 吸附溫度變化與壓力之間的關系

瓦斯吸附過程中伴隨著能量的轉換[13]，溫度變化是能量變化的體現。過去很多學者從實驗中已經證明，吸附過程是一個放熱過程[14]，隨著瓦斯分子不斷吸附，動能降低，降低的動能經過轉化成為內能，使煤體溫度會出現升高。充氣前，煤樣罐溫度保持不變，當打開閥門時，溫度傳感器顯示溫度持續升高，達到一定溫度后，由于煤樣罐有保溫效果，煤體溫度再次保持在一個恒定值，直至吸附平衡。在整個吸附過程中，雖然存在保溫效果，如果吸附時間足夠長，罐內外溫度終將變成一樣[15]。

在充氣前期，吸附壓力差比較大，吸附量大，吸附速率快，溫度變化明顯上升，煤體溫度受外界的影響較小。到達峰值后，溫度先保持一段水平，此時吸附產生的熱與室溫的熱交換保持平衡。隨著時間增加，吸附量會逐漸增大，壓力差會逐漸減小，吸附速率減慢，溫度變化主要受到室溫的影響，將慢慢出現降低的現象。處于煤樣罐中間的溫度會增加明顯，降低時會偏緩，處于邊緣的溫度會更快的接近室溫。此處以平衡壓力為0.55MPa時瓦斯吸附過程中溫度變化為例，來說明瓦斯吸附過程中的溫度變化，可以得出吸附前期溫度急劇升高，而到吸附后期，溫度會受到室溫的影響出現波動，波動情況如圖2所示。

圖2 0.55MPa瓦斯吸附過程溫度變化

煤樣罐(即反應釜)未充入氣體前，溫度和室溫保持一致。單次充不同壓力的瓦斯進行吸附，溫度變化不同。從實驗數據上來看，單次充氣時，當充氣壓力較小(即壓力差較小)時，溫度上升速率較慢，溫差變化相對較小；充氣壓力差越大時，溫度上升更為明顯，溫差變化越大，溫度變化幅度表現為4.02MPa>3.03MPa>2.58MPa，參考罐初次充入不同壓力進行吸附溫度變化如圖3所示。

圖3 單次不同充氣壓力瓦斯吸附過程溫度變化

利用單次充氣的原理和方法對反應釜進行多次充氣實驗，在完成第一次充氣使煤體吸附瓦斯一段時間后，利用參考罐向反應釜進行二次充氣，待吸附反應一段時間，然后進行三次充氣，一定時間后再進行第四次充氣，直至達到吸附平衡狀態。通過觀察實驗結果可知，第一次充氣時，煤樣罐體處于負壓狀態，壓力差較大，吸附過程溫度變化最大；第二次充氣壓力較首次充氣壓力差大，溫度變化幅度反而較小；第三次充氣壓力差較小，溫度變化低于第二次充氣；直至第四次充氣，壓力差最小，吸附過程溫度變化也最小。多次充氣吸附過程溫度變化趨勢如圖4所示，最大溫度變化見表4。

圖4 多次充氣過程中不同壓差瓦斯吸附過程溫度變化

表4 多次充氣過程中壓力與最大溫度變化

對于不同的充氣壓力，溫度變化梯度明顯有差異，分析認為有以下幾點原因：

1)溫度上升的幅度大小與氣體分子碰撞幾率和次數有關。由于氣體分子本身處于無規則的運動中，體積和溫度一定時，充氣壓力越小，氣體分子相對較少，碰撞幾率和次數就相對較低，溫度上升較為緩慢；當充氣壓力越大時，所含氣體分子越多，碰撞幾率和次數增大，氣體分子本身的撞擊與摩擦越多，導致溫度升高也就越大。

2)煤粒自身的擠壓與摩擦，會生成大量熱，造成溫度的變化。甲烷氣體進入煤體的過程中，煤體剛開始處于一種低壓力的平衡狀態，當高壓氣體進入煤體時，會產生一定的擾動效果。這種擾動會造成煤體的裂隙出現相對滑動和擠壓，摩擦而產生熱量。

3)多次充氣達到吸附平衡時，吸附過程溫度變化不僅受壓力差的影響，還會受到吸附速率的影響。吸附速率快，溫度變化越快，吸附速率小，溫度變化越小。

從以上分析可以得出，單次充氣時，吸附過程中的溫度變化主要與壓力變化幅度有關，壓力差小，溫度變化小，壓力差大，溫度變化大；多次充氣時，溫度變化不僅僅與壓力差的大小有關，造成這種現象的原因為吸附過程中的溫度變化不只是受到壓力的作用，還受到吸附速率的影響。將溫度變化與時間之間的關系進行曲線擬合，得到充氣吸附過程中的溫度變化的與時間之間的關系呈對數函數關系式，得到的R2在0.9以上，擬合程度較高。

2.2 吸附溫度變化與吸附速率的關系

瓦斯接觸煤體時，會在煤體表面或孔隙內產生積蓄，這種現象稱之為瓦斯吸附[16]。吸附過程會產生熱效應，瓦斯分子向煤體表面移動，瓦斯分子的運動速率會大大降低，放出大量熱[17]。煤體瓦斯吸附過程是一個動態平衡的狀態，充入氣初期，由于壓力差較大，吸附速率最快，壓降明顯。隨著吸附時間的增加，壓力變化梯度逐漸變小，直至吸附平衡狀態。在此過程中，煤樣罐溫度變化與吸附速率變化趨勢一致，而與吸附量的變化趨勢相反。吸附前期，單位時間內煤體吸附瓦斯量多，吸附速率快，溫度上升明顯；吸附后期，單位時間內吸附瓦斯量少，吸附速率減緩，溫度變化趨于平緩，吸附量與吸附速率變化趨勢如圖5所示，吸附速率與溫度變化如圖6所示。

圖5 0.55MPa瓦斯吸附量與吸附速率

圖6 0.55MPa瓦斯吸速率與溫度變化

從圖5，圖6可知，吸附初期，吸附速率較快，吸附量增加明顯，溫度變化大，隨著吸附的進行，吸附速率變小，溫度變化也隨之變慢。分析其原因，因單次充氣時，充氣壓差越大時，吸附速率越快，瓦斯分子因吸附而釋放出的能量越多，溫度升高快。充氣壓差較小時，吸附速率較慢，瓦斯分子因吸附而放出的能量相對較少，溫度升高較慢。而多次充氣時，瓦斯吸附時的溫度變化不僅與充氣壓力差的大小有關，還與吸附速率有關，且溫度變化與吸附速率的變化趨勢一致。

3 結 論

1)單次充氣時，瓦斯吸附過程的溫度變化主要與充氣壓力與煤樣罐本身壓力之間的壓差有關，壓力差越大，溫度變化梯度越大，壓力差越小，溫度變化梯度越小。

2)多次充氣時，瓦斯吸附過程的溫度變化不僅與充氣壓力差有關，還與吸附速率有關，溫度變化與吸附速率的變化趨勢一致。

3)無論單次充氣還是多次充氣達到吸附平衡，吸附過程中的溫度變化與時間之間呈良好的對數函數關系。