不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸動力特性研究

馬興瑩 龔選平 成小雨 程成 李德波

摘要：目前關于瓦斯解吸動力特性的研究主要集中在單一粒徑煤樣，而對于不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸動力特性的研究較少。針對該問題，利用含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統，將（0，0.25）mm、[0.25，0.5）mm、[0.5，1]mm 3種粒徑煤樣按照不同比例混合，開展了不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸實驗，分析了不同粒徑煤樣占比條件下的瓦斯解吸量、擴散系數及解吸衰減系數等瓦斯解吸動力學參數變化特征。結果表明：①不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸過程中，前期影響瓦斯解吸量的主要因素是粒徑大小，后期影響瓦斯解吸量的主要因素是煤樣中不同粒徑煤樣占比大小；小粒徑煤顆粒占比越大，煤樣瓦斯解吸量越大。②不同粒徑混合煤樣瓦斯擴散系數具有時變性，隨著瓦斯解吸時間增加，瓦斯擴散系數呈衰減態，最終趨近0；初始瓦斯擴散系數隨小粒徑顆粒煤占比的增加而減小；③小粒徑顆粒煤占比越大，瓦斯解吸衰減系數越大。因此，在井下瓦斯含量測定過程中，獲取的煤樣中應盡可能提高大粒徑顆粒煤的占比，以降低取樣過程中瓦斯損失量，提高瓦斯含量測定的準確度。

關鍵詞：瓦斯解吸；粒徑；解吸量；擴散系數；解吸衰減系數

中圖分類號： TD712??? 文獻標志碼： A

Study on gas desorption dynamic features of mixed coal samples with different particle sizes

MA Xingying1， GONG Xuanping1， CHENG Xiaoyu1， CHENG Cheng1， LI Debo2

（1. China Coal Energy Research Institute Co.， Ltd.， Xi'an 710054， China；

2. China Coal Xinji Energy Co.， Ltd.， Huainan 232000， China）

Abstract： Currently， research on the dynamic features of gas desorption mainly focuses on single particle size coal samples. There is less research on the dynamic features of gas desorption of mixed coal samples with different particle sizes. To solve this problem， a multi field coupled seepage desorption experimental system is used to mix coal samples with three different particle sizes （0，0.25） mm， [0.25， 0.5） mm， and [0.5， 1] mm in different proportions. Gas desorption experiments are conducted on mixed coal samples with different particle sizes. The changes in gas desorption kinetic parameters such as gas desorption amount， diffusion coefficient， and desorption attenuation coefficient are analyzed under different particle size coal sample proportions. The results indicate the following points.① During the gas desorption process of mixed coal samples with different particle sizes， the main factor affecting the gas desorption amount in the early stage is particle size. In the later stage， the main factor affecting the gas desorption amount is the proportion of coal samples with different particle sizes. The larger the proportion of small coal particles， the greater the amount of gas desorption in the coal sample.② The gas diffusion coefficient of mixed coal samples with different particle sizes exhibits temporal variability. As the gas desorption time increases， the gas diffusion coefficient decreases and eventually approaches 0. The initial gas diffusion coefficient decreases with the increase of the proportion of small particle coal. ③ The larger the proportion of small particle coal， the greater the attenuation coefficient of gas desorption. Therefore， in the processof underground gas content measurement， the proportion of large particle coal in the coal samples obtained should be increased as much as possible to reduce gas loss during the sampling process and improve the accuracy of gas content measurement.

Key words： gas desorption; particle size; desorption amount; diffusion coefficient; desorption attenuation coefficient

0 引言

隨著我國煤層開采深度的增加，煤與瓦斯突出災害治理難度增大[1]。煤層瓦斯含量測定結果準確與否直接影響礦井防突措施的有效性，制約礦井安全生產[2-3]。我國煤層瓦斯含量測定方法主要分為間接法和直接法。利用間接法測定煤層瓦斯含量時，測定步驟較為繁瑣，測定時間長，且瓦斯壓力的原位測定易受井下環境影響[4]。直接法具有測定方法簡單、作業工程量小、測定周期短等優點[5]，目前被廣泛應用。直接法測定的瓦斯含量由損失量、現場解吸量和殘余量3個部分組成，其中損失量受取樣過程中煤樣瓦斯解吸規律的影響，直接影響瓦斯含量測定結果的準確性，而瓦斯解吸規律與瓦斯解吸動力特性密切相關。

影響瓦斯解吸動力特性的因素眾多[6-9]，其中煤樣粒徑是主要因素之一。文獻[10]采用核磁共振實驗和高壓瓦斯等溫吸附實驗，測定不同型煤粒度對瓦斯吸附特性的影響，結果表明型煤平均粒度越小，吸附瓦斯總量越大，瓦斯吸附常數及瓦斯吸附飽和度均與粒度大小呈負相關關系。文獻[11]在等溫等壓條件下開展了煤的瓦斯解吸實驗，得出瓦斯解吸量與粒徑呈反比，隨著粒徑的增大，瓦斯在煤粒內部擴散阻力增大，瓦斯擴散能力減弱。文獻[12-14]研究認為無論顆粒煤粒徑大小，其瓦斯解吸量均隨時間延長而增加，但當顆粒煤粒徑大于極限粒徑后，粒徑的增加對瓦斯解吸量基本無影響。文獻[15]基于經典擴散模型研究發現，瓦斯擴散率隨粒徑減小而增加。文獻[16]通過現場測試分析采落煤與放落煤的粒度分布，發現煤體粒度越小，瓦斯涌出速度越快。文獻[17-18]采用動擴散系數模型研究發現，粒度毫米級煤樣的單位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率隨粒度增大呈減小趨勢。文獻[19]通過瓦斯等溫吸附解吸實驗發現，增加煤樣的吸附壓力或降低煤樣粒度，均會引起瓦斯解吸量和解吸速度的增大。

上述研究主要針對單一粒徑煤樣瓦斯解吸動力特性，而煤層瓦斯含量測定直接法需定點取樣，受煤層賦存條件影響，所獲取煤樣是由不同粒徑的顆粒煤組成。因此，本文采用含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統，開展不同粒徑混合煤樣條件下瓦斯解吸實驗，分析實驗過程中瓦斯解吸量、擴散系數及解吸衰減系數等瓦斯解吸動力學參數變化特征，為瓦斯含量測定過程中煤樣的選擇與測定結果的修正提供理論依據。

1 實驗方案

1.1 實驗系統

實驗采用自主研發的含瓦斯煤多場耦合滲流解吸實驗系統，該系統主要由真空脫氣系統、恒溫控制系統、吸附解吸系統和數據采集系統組成，如圖1所示，可實現不同粒徑煤樣在不同氣體壓力條件下的吸附解吸實驗。

1.2 煤樣制備

煤樣取自中煤華晉集團有限公司王家嶺礦。煤樣采集后放入密封袋并充入氦氣保存，在實驗室將煤樣篩分成粒徑為（0，0.25）mm、[0.25，0.5）mm、[0.5，1] mm 的顆粒煤，并使用磨口瓶保存。為減少煤樣中水分和灰分對實驗結果的影響，將篩分好的煤樣干燥12 h。煤樣基本物性參數見表1。

將篩分好的（0，0.25）mm、[0.25，0.5）mm、[0.5，1] mm 粒徑煤樣按照不同比例混合，分為6組，見表2。

1.3 實驗過程

將煤樣罐置于30℃恒溫水浴中進行吸附解吸實驗，選擇瓦斯吸附平衡壓力為1.5 MPa，研究不同粒徑混合煤樣的瓦斯解吸規律及解吸動力學參數。實驗操作過程：①將裝有煤樣的煤樣罐連接閥門和管路，使用氦氣檢查裝置氣密性。②對煤樣罐和管路進行真空脫氣，當真空計顯示為20 Pa 以下時，認為真空脫氣完成。③打開吸附閥門，調節減壓閥壓力為1.5 MPa，使煤樣罐中的煤樣在該條件下吸附24 h，當煤樣罐中壓力在8h 內保持不變時，即認為煤樣已完成瓦斯吸附。④打開解吸閥門，進行解吸實驗，記錄瓦斯解吸量等數據（設定數據采集時間間隔為5 s）。⑤更換煤樣罐中的煤樣，重復步驟①?步驟④，完成其他煤樣吸附解吸實驗。

1.4 實驗數據處理

將實驗實測的瓦斯解吸體積換算成標準狀態（壓力為101.325 kPa，溫度為273.15 K）下的解吸體積[20]。

式中：Qt 為標準狀態下單位質量煤樣瓦斯解吸量， cm3/g；Ts 為解吸時水柱溫度，K；P0為大氣壓力，Pa； Hs 為量筒內的水柱高度，mm；Pb 為 Ts 條件下飽和水蒸氣壓力，Pa；Qs 為實驗條件下測得的單位質量煤樣瓦斯解吸量， cm3/g。

單位質量煤樣的極限瓦斯解吸量為

式中：P 為瓦斯吸附平衡壓力，MPa；n 為系數；T1為測定瓦斯吸附常數 a，b 值時的溫度，K；T 為煤樣實驗吸附瓦斯時的溫度，K；T0為煤樣實驗解吸瓦斯時的溫度，K；Mad 為煤樣中水分含量，%；Aad 為煤樣中灰分含量，%。

2 實驗結果及分析

2.1 不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸量

不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸量隨時間變化曲線如圖2所示。

從圖2可得以下結論：

1）解吸初始階段（500 s 以內）的瓦斯解吸量占整體解吸量的50%～70%。之后，瓦斯解吸速度逐漸放緩且解吸量曲線逐漸趨于平穩。不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸量曲線在解吸前期形成交叉，說明在解吸前期影響解吸量的主要因素是煤樣粒徑大小。這是由于小粒徑顆粒煤的瓦斯擴散路徑較短且簡單，同時小粒徑顆粒煤的孔隙結構也更簡單，解吸初始階段更容易使吸附在煤基質中的瓦斯解吸擴散到外部環境中。

2）解吸2000 s 時，煤樣 H1瓦斯解吸量為 11.68 cm3/g，煤樣 H2瓦斯解吸量為9.99 cm3/g，煤樣 H3瓦斯解吸量為9.52 cm3/g，即在解吸后期，小粒徑顆粒煤占比高的煤樣瓦斯解吸量明顯高于小粒徑顆粒煤占比低的煤樣，說明在解吸后期粒徑占比對解吸量的影響起主要作用。這是由于粒徑的變化改變了煤樣初始狀態結構，孔容也隨之發生變化[21]。粒徑越小，煤樣的孔容越大，相同吸附壓力條件下瓦斯吸附量越多，解吸時同等吸附壓力條件下，解吸時間越長，瓦斯解吸量也越多。

2.2 不同粒徑混合煤樣瓦斯擴散系數

不同粒徑混合煤樣瓦斯擴散系數隨時間變化曲線如圖3所示。

從圖3可得以下結論：

1）不同粒徑混合煤樣瓦斯擴散系數均隨時間增加而逐漸減小，最終趨近0。究其原因，當煤樣中瓦斯在解吸初始階段時，氣體首先通過表面孔隙擴散，然后通過煤基質的內部孔隙和一個較長的擴散通道，在此期間需要克服一定的阻力；當煤樣中瓦斯解吸一段時間后，表面孔隙和基質內孔隙的壓力不斷降低，導致煤基質壓縮和孔隙變形減小，因此在瓦斯擴散的后期，氣體擴散阻力大大增加，瓦斯擴散系數降低并逐漸趨向于0。

2）不同粒徑混合煤樣初始瓦斯擴散系數從大到小的排序為 D3＞H3＞H2＞D2＞H1＞D1，說明初始瓦斯擴散系數隨小粒徑顆粒煤占比的增加而減小。這是由于瓦斯擴散系數大小主要受有效擴散面積的影響，小粒徑顆粒煤比大粒徑顆粒煤有更大的比表面積，有效擴散面積增加導致擴散系數減小。

不同粒徑混合煤樣瓦斯擴散系數見表3。可看出煤樣 D3瓦斯擴散系數衰減最明顯，從實驗開始至結束，煤樣 D3瓦斯擴散系數衰減了2個數量級，其他煤樣瓦斯擴散系數衰減了1個數量級。

2.3 不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸衰減系數

不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸衰減系數變化曲線如圖4所示。

從圖4可看出，不同粒徑混合煤樣衰減系數從大到小的排序為 D3＞H1＞D2＞H2＞H3＞D1，說明小粒徑顆粒煤占比越大，瓦斯解吸衰減系數越大，對瓦斯損失量的影響越顯著，越不利于對瓦斯含量的準確測定。這是由于隨著瓦斯解吸的進行，煤樣內孔隙壓力不斷降低，導致煤基質壓縮和孔隙結構發生變形，小粒徑顆粒煤內部小孔和微孔變得更小，由原來的開放孔變為封閉孔；同時煤樣粒徑越小，瓦斯在孔隙中的擴散長度也越小。

因此，在井下瓦斯含量測定過程中，獲取的煤樣中應盡可能提高大粒徑顆粒煤的占比，以降低取樣過程中瓦斯損失量，提高瓦斯含量測定的準確度。

3 結論

1）不同粒徑混合煤樣瓦斯解吸過程中，前期影響瓦斯解吸量的主要因素是粒徑大小，后期影響瓦斯解吸量的主要因素是煤樣中不同粒徑占比大小；小粒徑煤顆粒占比越大，煤樣瓦斯解吸量越大。

2）不同粒徑混合煤樣瓦斯擴散系數均隨時間增加而逐漸減小，最終趨近0，瓦斯擴散系數具有時變性；初始瓦斯擴散系數隨小粒徑顆粒煤占比的增加而減小。

3）小粒徑顆粒煤占比越大，瓦斯解吸衰減系數越大。因此，在井下瓦斯含量測定過程中，獲取的煤樣中應盡可能提高大粒徑顆粒煤的占比，以降低取樣過程中瓦斯損失量，提高瓦斯含量測定的準確度。

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