含瓦斯煤带压解吸规律的实验研究

张国华, 韩永辉, 侯凤才, 张锦鹏

(黑龙江科技学院 安全工程学院,哈尔滨 150027)

含瓦斯煤带压解吸规律的实验研究

张国华, 韩永辉, 侯凤才, 张锦鹏

(黑龙江科技学院 安全工程学院,哈尔滨 150027)

为获得含瓦斯煤带压解吸规律,提高瓦斯抽采效率,对含瓦斯煤的带压与常压条件下的解吸过程进行实验研究。研究表明:瓦斯抽采过程中含瓦斯煤中的瓦斯属于带压解吸,带压瓦斯的解吸量和解吸速度均小于常压下的瓦斯解吸量和解吸速度,带压解吸条件下的解吸终止时间明显滞后于常压下的解吸终止时间。评价含瓦斯煤中瓦斯的可采性和确定瓦斯抽采终止时间时应以带压解吸指标作为衡量指标。该研究对瓦斯资源抽采具有一定的指导意义。

瓦斯;瓦斯抽采;带压解吸;常压解吸

Abstract:This paper seeks to obtain the desorption law of coal containing gas and increase the efficiency of gas extraction by experimental study under pressure and gas desorption process under atmospheric pressure.The results show that:Gas desorption of coal containing gas belongs to pressure desorption during gas extraction process,the gas under pressure gives smaller desorption volume and lower desorption rate than does the gas under atmospheric pressure,and gives a significantly delayed desorption termination than the gas under atmospheric pressure.It follows that the evaluation of extraction admissibility of gas-containing coal and the dete rmination of the te rmination time of gas extraction are dete rmined by the desorption index under pressure as a measure index.The study is of value for guiding field extraction of gas resources.

Key words:gas;gas extraction;pressure desorption;atmospheric pressure desorption

0 引 言

随着国内外学者研究的不断深入,瓦斯作为煤形成过程中的伴生物,已由传统的灾害防治对象逐步转为资源开采利用对象。近年来,学者们已经认识到瓦斯解吸研究的重要性,就瓦斯吸附与解吸机理,以及瓦斯吸附解吸同压力、温度、水分、煤颗粒粒度、气体组分之间相互关系开展了实验研究[1-11],取得了阶段性成果。其实验研究过程具有两个明显特点:一是在瓦斯吸附与解吸可逆的基础上,以吸附代替解吸;二是即使是解吸实验,也隶属于含瓦斯煤处于常压环境条件下的瓦斯解吸过程。

在煤层瓦斯抽采过程中,赋存于煤层内的瓦斯随着瓦斯压力的逐步降低而发生解吸,由扩散和渗流两个环节沿煤体孔隙通道进入钻孔而被抽采。远离钻孔的煤体内瓦斯最初解吸处,始终有一定的瓦斯压力存在,应属于瓦斯的带压解吸过程。该过程直接影响到瓦斯的抽采效率。为探索瓦斯在带压条件下的解吸规律,笔者以实测煤储层瓦斯压力为初始条件进行了相应的降压解吸实验,以求为瓦斯抽采研究提供一定的参考。

1 实验条件

1.1 煤层原始条件

实验煤样取自黑龙江龙煤控股集团七台河分公司桃山煤矿一采区 85#煤层,煤种为 1/3焦煤,实验所测工业指标分别为水分 1.12%,灰分 5.49%,挥发分 31.51%,固定碳 63.00%。

实测煤层的原始瓦斯压力为 2.2 MPa,工作面瓦斯绝对涌出量为 18 m3/min,煤层温度为 12.6℃。

1.2 实验条件与实验过程

参照煤高压等温吸附实验 (GB/T19560—2008)中的高压容量法[12],根据研究需要,在实验过程中采用 2 kg的大计量煤样。实验仪器采用自制的瓦斯吸附解吸实验系统,其结构原理如图 1所示。

图 1 瓦斯解吸实验系统Fig.1 Gas desorption exper iment system

在实验过程中,环境温度保持在 12.6℃,煤样的块体粒度取 2.5～3.0 cm,且煤样不经过干燥处理、使之接近原始状态。

1.2.1 带压解吸实验

首先利用氦气实测样品缸内自由体积和煤的实体体积,使实验系统保持真空,然后向样品缸注入甲烷使其经过 24 h吸附平衡后储层瓦斯压力达到2.2MPa。为模拟抽采过程中的瓦斯解吸状况,先打开控制阀 5使样品缸内瓦斯压力降到 2.0MPa(此时压力简称降点压力),然后关闭控制阀。开始 2 h内以 10 min为间隔,依次记录样品缸内的瓦斯压力;后 10 h则以 20 min为间隔,依次记录样品缸内的瓦斯压力。整个解吸时间持续 12 h。不同时间点的瓦斯解吸量计算公式为

其中,Δm为单位质量煤所解吸出来的瓦斯量,cm3/g;Vm为甲烷气体的摩尔体积,22.4×103cm3/mol;M为煤样的总质量,g;V为样品缸内自由空间的体积,cm3;R为气体常数,R=8.314 J/(mol·K);T为实验温度,K;p1、p0分别为样品缸内记录时间点的压力和降点压力,MPa;Z1、Z0分别为 p1和 p0压力时所对应的甲烷气体压缩因子。

依次打开控制阀 5使样品缸内瓦斯压力分别降到 1.5、1.0、0.5 Mpa。同样按上述过程每隔 10 min记录一次样品缸内瓦斯压力,每个压力点的解吸持续时间均为 12 h,然后分别按式 (1)计算出不同时间点的瓦斯解吸量。

1.2.2 常压解吸实验

为说明带压解吸与常压解吸的区别,对应于瓦斯吸附平衡压力 2.0 Mpa的情形进行了环境压力为常压的瓦斯解吸实验。将样品缸充入瓦斯并使24 h后的平衡压力稳定在 2.0 MPa,打开控制阀 5使样品缸内的环境压力与外界大气压力相等,直接连接压差计,每隔 10 min读取一次压差值,计算瓦斯解吸量。每隔 10 min拔掉连接管以便使样品缸内自由空间压力与外界大气压力相等。实验总体持续时间为 8 h。同样利用式 (1)分别计算各时间段的瓦斯解吸量。

2 实验结果

实验测得含瓦斯煤在不同环境瓦斯压力条件下的瓦斯解吸量 (带压解吸),如表 1所示。实验测得含瓦斯煤在常压条件下的瓦斯解吸量 (常压解吸),如表 2所示。

表 1 不同环境瓦斯压力条件下含瓦斯煤不同时间点的瓦斯解吸量Table 1 Gas desorption of coal conta in ing gas at different t ime under diverse ambient pressure

表 2 常压下含瓦斯煤的瓦斯解吸量Table 2 Gas desorption of coal conta in ing gas under at mospheric pressure cm3/g

3 瓦斯解吸规律

据表 1、2,可分别获得含瓦斯煤在不同环境瓦斯压力条件下的带压瓦斯解吸量变化曲线 (图 2)以及在常压条件下的瓦斯解吸量变化曲线 (图 3、4)。

图 4 常压下含瓦斯煤每 10 m in内瓦斯解吸量变化Fig.4 Variation of gas desorption in coal conta in ing gas every 10 m in under atmospheric pressure

上述实验数据和变化曲线显示,带压解吸具有如下规律:

(1)比较 2.0 MPa和其它各压力点的瓦斯解吸量。从 2.2 MPa降到 2.0 MPa,其压降为 0.2 MPa,同其它 0.5 MPa压降相比,并非压降越小其瓦斯解吸量就越小,而是与原始瓦斯压力所处的水平有关。

(2)比较 1.5、1.0和 0.5 MPa三个压力点的瓦斯解吸曲线。在相同压降的条件下,原始瓦斯压力所处的水平越高,其瓦斯解吸量也越多,但这种差别在瓦斯压力降到一定程度时会越来越不明显。

(3)由图 5,原始瓦斯压力所处的水平越高,其瓦斯解吸终止所需的时间就越长。当瓦斯压力降到一定水平后,不仅瓦斯解吸终止的时间变短,而且瓦斯的可解吸量基本保持恒定。同时,无论瓦斯压力所处的水平如何,在瓦斯解吸初期 (30 min以内),其瓦斯解吸速度基本相当。

图 5 带压解吸条件下瓦斯解吸量对比Fig.5 Comparison d iagram of gas pressure desorption

含瓦斯煤在带压条件下的解吸与常压下的解吸相比则具有如下规律:

(1)原始瓦斯压力为 2.0 MPa时,8 h内含瓦斯煤 (图 6),常压下的瓦斯解吸量和解吸速度明显大于带压解吸条件下的瓦斯解吸量和解吸速度。

(2)常压解吸终止时间远超前于带压解吸的终止时间,即在常压下瓦斯解吸终止时,带压下的瓦斯解吸过程仍在进行。

图 6 带压与常压条件下含瓦斯煤的瓦斯解吸对比Fig.6 Gas desorption of coal conta in ing gas comparison between pressure and at mospheric pressure conditions

4 结 论

对原始瓦斯处于吸附平衡条件下的含瓦斯煤体进行瓦斯抽采时,对于距离钻孔一定距离位置处的含瓦斯煤,其内的瓦斯解吸属于带压解吸。由含瓦斯煤的带压与常压条件下的瓦斯解吸对比实验,以及所得出的带压解吸规律,获得启示如下:

(1)含瓦斯煤在带压条件下与常压条件下的解吸之间存在着明显的区别。评价瓦斯可采性时,除考虑煤体的含瓦斯量、瓦斯压力、煤体渗透率等指标外,还应将瓦斯的解吸指标考虑在内。此时的瓦斯解吸指标采用带压解吸条件下的瓦斯解吸指标更为符合实际。

(2)由于带压条件下的瓦斯解吸速度要明显小于常压条件下瓦斯解吸速度,对该煤层瓦斯抽采时,不能单纯以常压条件下的瓦斯解吸终止时间作为瓦斯抽采的终止时间,否则会使瓦斯抽采后的煤体在回采过程中仍存在工作面瓦斯超限现象。

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(编辑 晁晓筠)

Exper imental study on gas pressure desorption law governing coal containing gas

ZHANG Guohua, HAN Yonghui, HOU Fengcai, ZHANG Jinpeng
(College of Safety Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TD712.61

A

1671-0118(2011)01-0031-05

2010-11-23

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11513098)

张国华 (1971-),男,黑龙江省讷河人,教授,博士,研究方向:矿山安全,E-mail:zgh710828131@163.com。