西山礦區煤粒瓦斯解吸影響因素研究

雷建華

(山西焦煤集團有限責任公司 安全生產管理中心，山西 太原 030000)

瓦斯解吸時變規律的研究能為準確測定瓦斯含量和修正測定結果提供參考，指導礦井治理瓦斯。為此，國內外科研工作者進行了大量試驗研究和理論分析，按照瓦斯解吸量與時間的變化關系，可將瓦斯解吸模型劃分為2種：指數式和冪函數式[1-3]，此兩種模型主要用以下3個指標描述瓦斯解析過程：解吸速度、累計瓦斯解吸量及使用條件，同時一部分科研工作者致力于滲透性、擴散性、孔隙度和粒度大小不同的煤樣瓦斯解吸時變規律的研究，借助試驗手段獲得各不相同的解吸速度方程和累計瓦斯解吸量[4-5]。

雖然現階段瓦斯解吸模型較多，但仍然存在煤樣采集范圍小，依據模型所得結果與實測結果相差較大，需進行結果修正[6]。此試驗研究在上述基礎上，從有效增加煤粒瓦斯解吸規律的精準度出發，得到具有更強普遍適用性的瓦斯解吸規律。以山西焦煤西山煤電集團有限責任公司杜兒坪礦、西銘礦、官地礦為試驗對象，分別在每個礦獲取新鮮煤樣，達到擴大采集范圍的目的；采用自主設計的煤粒瓦斯解吸試驗平臺，通過控制變量分析在吸附平衡壓力、溫度和粒度不同條件下煤粒的瓦斯解吸時變規律[7]。

瓦斯含量能否準確測量是關系瓦斯事故預防的重要手段，采用地質條件存在差異的煤樣進行試驗，目的是進一步提高瓦斯解吸模型的有效性、適應性，檢驗3個主控因素—吸附平衡壓力、粒度及溫度對瓦斯解吸的影響[8-9]。

1 解吸試驗

1.1 試驗系統

瓦斯解吸試驗系統包括4個子系統(充氣、真空脫氣、溫控、解吸控制系統)，具體如圖1所示。

圖1 試驗系統圖

充氣系統主要由高壓瓦斯瓶(甲烷體積分數為99.99%)、耐高壓閥門及減壓閥等組成；真空脫氣系統主要由真空機組、真空隔膜閥、真空計及真空罐路系統等組成；溫控系統主要由恒溫水浴裝置和控制系統組成，其中恒溫水浴裝置主要包括隔熱棉、不銹鋼板等；解吸控制系統主要由水準瓶、瓦斯氣囊、三通等組成。

在煤樣瓦斯吸附處于平衡狀態后，開啟閥門對罐體卸壓10 s，隨后對瓦斯解吸量進行一系列測量，并利用罐體體積和平衡狀態時的壓力來對瓦斯解吸量進行核算，通過數值軟件將瓦斯解吸量隨時間的變化曲線描繪出來。

1.2 采集煤樣

在杜兒坪礦、西銘礦、官地礦等三個礦井回采工作面采集新鮮暴露煤樣之后，在試驗室進行工業分析，測定水分、灰分、揮發分等參數，測定結果見表1。

表1 工業分析結果

2 影響瓦斯解吸的主控因素

2.1 吸附平衡壓力

在實驗室統一制作煤樣，保證粒度處于1～3 mm，設置溫度在(40±1)℃，保持溫度不變條件下，控制吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa，依據試驗數據繪制各煤樣瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力變化曲線，如圖2所示。

從圖2可知，當吸附平衡壓力相同時，不同煤樣的瓦斯解吸量不一樣。杜兒坪礦煤樣當吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa時，解析30 min后瓦斯解吸量由7.49 cm3/g增加到22.18 cm3/g；西銘礦煤樣當吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa時，解析30 min后瓦斯解吸量由9.97 cm3/g增加到24.35 cm3/g；官地礦煤樣當吸附平衡壓力由0.5 MPa增加到1.5 MPa時，解析30 min后瓦斯解吸量由7.18 cm3/g增加到20.06 cm3/g；表明瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力的增大而增大。

圖2 各煤樣瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力的變化曲線圖

2.2 粒 度

煤樣中本身所固有的粒度稱為極限粒度，在煤樣極限粒度范圍內，隨著粒度的增大，瓦斯解吸量和解吸速度逐步降低[10-11]。利用增大的煤樣采集范圍，在試驗條件一致下，研究瓦斯解吸量隨粒度的變化規律，從而獲得極限粒度的區間，將指導測定瓦斯含量試驗中選擇煤粒的大小及修正結果。在杜兒坪礦、西銘礦、官地礦等3個礦井下現場采集新鮮暴露煤樣開展試驗，控制煤樣粒度保持在0.5～1 mm、1～3 mm、3～5 mm和5～10 mm，通過控制變量法進行試驗，也就是設置溫度為40 ℃、吸附平衡壓力為1 MPa不變，獲得瓦斯解吸量隨粒度的變化曲線，具體如圖3所示。

圖3 瓦斯解吸量隨著粒度不同而變化圖

通過圖3可知，①同等時間條件下，煤粒粒度和瓦斯解吸量基本呈反比趨勢。但當粒度增大到一定程度時，瓦斯解吸量增加幅度很小，比如3～5 mm粒度與5～10 mm粒度時，瓦斯解吸量幾乎相等，此粒度即極限粒度，當煤樣粒度超過極限粒度時，粒度大小對瓦斯解吸量的影響很小；②在解吸初始階段，不同粒度的煤樣解吸速度存在明顯的差異，粒度越小，速度越大，當粒度增大到一定限度(極限粒度)后，吸收速度幾乎不受煤樣粒度范圍的影響；此外，同一煤樣，隨著時間的推移，煤樣解吸速度在逐漸降低。

在極限粒度范圍內，煤粒越小，煤粒之間的空隙和表面積就越大，使得煤樣內賦存的瓦斯更容易釋放，煤樣的瓦斯解吸量、解吸速度就越大；隨著煤樣粒度逐漸增大，暴露的空隙和表面積較之變小，故解吸量和速度就下降。但當煤樣粒度超過極限粒度后，雖然粒度增大，其暴露表面積會減少，大粒度煤樣自身會產生各種裂隙，這些裂隙又會無形中增大暴露表面積，所以在超過極限粒度后，大粒度的煤樣與小粒度的煤樣解吸量和解吸速度的差別不大。

2.3 溫 度

控制煤樣1～3 mm的粒度、1 MPa的吸附平衡壓力，分析杜兒坪礦、西銘礦兩個礦的煤樣，設置溫度條件分別為20 ℃、30 ℃、40 ℃，根據試驗結果，繪制出不同溫度條件下瓦斯解吸量變化圖，如圖4所示。

圖4 溫度不同時瓦斯解吸量的變化規律圖

從圖4可知，在相同的條件下，煤樣的解吸量與溫度呈正比趨勢，即溫度越高，解吸量越大。出現這一現象主要有兩點原因：一是對于同一煤樣，隨著溫度的升高，煤樣受熱膨脹，煤粒之間的空隙、表面積也會隨之增大，增加了瓦斯解吸量；二是因為溫度升高，分子熱運動加快，賦存在煤樣表面的甲烷分子動能增大，更容易從煤樣吸附中逃離，從而使得瓦斯解吸量越高。

2.4 分析解吸過程

從圖2～圖4發現，隨著時間推移，解吸曲線逐漸趨于平緩，曲線斜率代表解吸速度，也在逐漸減小；根據曲線走勢，可以將曲線(解吸過程)大致分為3個階段：前期、中期、后期。解吸前期時間為0～5 min，解吸速度較快；中期時間為5～25 min，速度逐步降低；后期時間為25 min之后，速度接近于零，即解吸過程結束；利用這一過程研究瓦斯解吸量的時變規律。

解吸前期：煤樣初步暴露在解吸環境中，大量附著在煤樣表面、吸附力較小的甲烷分子通過煤樣孔隙快速逃離，瞬間由吸附態轉變為游離態，故這一階段的瓦斯解吸速度相對較快。

解吸中期：處于暴露面積較大且孔隙相對較大區域附近的甲烷分子基本擺脫吸附后，煤粒內部更深層處的瓦斯逐步釋放，此時，需要克服更大的吸附力，且瓦斯含量相較之前更少，因此解吸速度逐漸緩慢。

解吸后期：煤樣內賦存的瓦斯基本釋放完畢，解吸量處于一個穩定狀態，幾乎不再增加，解吸速度趨于零。

3 結 語

基于自主設計的瓦斯解吸試驗平臺，在山西焦煤西山煤電杜兒坪礦、西銘礦及官地礦等3個礦井采集新鮮煤樣，通過解吸試驗研究變化規律。

1) 影響瓦斯解吸的3個主控因素—吸附平衡壓力、粒度及溫度中，瓦斯解吸量隨著吸附平衡壓力增大而增大、隨著粒度的增大而減小、隨著溫度升高而增大。

2) 瓦斯解吸量隨時間的延長逐步升高，而瓦斯解吸速度逐步降低。