煤层温度与瓦斯赋存状态和抽采率关系的实验研究＊

2014-04-20张美红吴世跃李元星李长龙

中国煤炭 2014年8期

张美红吴世跃李元星李长龙

（太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024）

近些年来，随着煤炭大规模开采，矿井瓦斯涌出量急剧上升，煤矿事故频发，严重威胁着矿井安全生产。研究瓦斯的扩散规律，对于揭示煤层突出本质、瓦斯流动机理以及瓦斯的开发利用有重要的现实意义。2005年易俊研究了在交变电场声场作用下煤的吸附解吸特性；2006年唐巨鹏研究了有效应力对瓦斯解吸渗流的影响；2007年孙立军探讨了应力场、地温场、压力场对瓦斯吸附的影响；2008年姜永东等利用声震法对煤吸附解吸进行了试验研究；2013年闫凯研究了水分对煤吸附瓦斯特性的影响。瓦斯吸附、解吸及扩散特性受原煤及地温的影响较大，但对温度与瓦斯吸附、扩散、采收率关系的研究较少。本文将就此进行研究，为提高瓦斯采收率及防治突出提供理论依据。

1 实验原理

煤岩具有多孔隙介质和较大的比表面积，对气态物质具有很强的吸附作用，瓦斯一般以吸附态赋存于煤层中。由于瓦斯在煤中的吸附为单层的物理吸附，可利用在某一恒温条件下测出的每一平衡压力下单位煤样气体吸附量得出该温度下的Langmuir吸附等温线，再通过Langmuir公式用回归分析法求出a，b值。

式中：w——单位煤样中吸附量，m3／t；

a——朗格缪尔常数，m3／t；

b——朗格缪尔常数，MPa-1；

p——瓦斯压力，MPa。

煤层是孔隙—裂隙二重介质，当煤块被研磨到一定尺度后，其中裂隙被完全破坏，仅保留孔隙，即使裂隙没有被完全破坏，剩余裂隙也非常小，路径非常短，所以相对孔隙扩散阻力，只剩纯扩散过程（瓦斯在裂隙中的运移符合达西渗流，在孔隙中的运移符合菲克扩散。当煤块被破坏到一定程度，裂隙被完全破坏，只剩孔隙，因此瓦斯的运移只剩纯扩散过程）。在实验过程中经过高压吸附平衡，瞬间释放游离气体后，瓦斯在浓度梯度作用下解吸并从微孔隙中扩散出来，此为纯扩散现象。

2 实验方法

煤样采自阳泉程庄煤矿9＃煤层，新鲜煤样在掘进工作面严密封装后，送至实验室。每一种煤样都不得少于2 kg，并有5 块以上块度不小于3.5cm的煤块。瓦斯的主要成分为甲烷（CH4），实验采用浓度不低于99%高纯度的CH4气体代替具有少量其他成分的瓦斯。

本实验采用容量法。称取所测煤样50g装入高压缸内，检查气密性后将其放入60℃的恒温水浴中脱气4h，后在不同恒温条件下通过吸入吸附缸的饱和食盐水体积计算出低压吸附量；再向高压缸内注入一定压力的CH4气体，在不同温度的恒温水浴中平衡4h以上，压力平衡后分6次将CH4气体放出，记录平衡压力以及排饱和食盐水的量。计算出每个压力段吸附的CH4量。

最后向高压缸中充入一定的高压气体平衡后，打开高压阀门瞬间释放游离态的CH4气体使压力降至一个大气压后采用排饱和食盐水法测量含吸附气体煤样随时间的气体扩散量V 。在实验过程中记录实验室气体的温度和大气压以供校正。

3 实验结果及分析

根据上述实验方法，分别得出煤样在20℃、25℃、30℃、35℃、40℃时不同压力下CH4吸附量，如图1。根据式（1）和试验数据，用回归分析法求出不同温度下的吸附平衡常数a 和b，其随温度的变化规律如图2和图3所示。

图1 不同温度、不同压力情况下CH4吸附量

由图1可知，不同温度下，吸附量与平衡吸附压力之间的相关系数都在0.98以上，具有较好的相关性，数据比较可靠；相同压力下，瓦斯吸附量随着温度的升高而减少，游离瓦斯增加，当孔隙体积不变时，孔隙压力增加，抽采时驱动能增加，产能增大，采收率增加。根据相关研究，当孔隙压力接近0.7MPa，即达到残余孔隙压力时，煤层瓦斯抽采井衰竭，若不采取增产措施则失去开采意义。因此，根据实验结果，为了进一步增加瓦斯回收率，可以采用加热方法提高煤层温度达到提高采收率的目的。如根据图1 实验数据，将温度由20℃升高到40℃，残存压力不变都为0.78 MPa，吨煤增加瓦斯回收量为4.42 m3／t，平均温度每升高1℃，增加瓦斯回收量0.221m3／t。

图2 a随温度T 的变化规律

图3 b随温度T 的变化规律

由图2和图3看出，Langmuir吸附常数a和b与温度关系可用下列拟合方程表示：

式中：T——温度，℃；

m1、m2、m3、n1、n2——实验拟合系数。

本试验的拟合方程为：

Langmuir吸附常数a 为给定温度下，煤吸附瓦斯的最大吸附量，即饱和吸附量。由于煤体对瓦斯的吸附为物理吸附且是放热过程，所以当温度上升时，解吸过程增强且气体分子运动加快，在煤体表面停留时间减少，使吸附量减少，所以Langmuir吸附常数a 随温度的升高而降低。不同温度下解吸CH4含量及CH4扩散速度随时间t的变化规律见图4和图5。

由图4可看出，扩散量随温度的增加而增大。这是因为温度增加，煤体内瓦斯分子的动能增加，增强了其脱离吸附状态的能力，扩散解吸量增大；反之，温度降低抑制了解吸作用。根据此原理，实际中可以利用外加电场的焦耳热效应、交变电磁场产生的热量或超声波摩擦生热等方法使煤层温度升高达到促进瓦斯解吸，提高瓦斯解吸速率，增加瓦斯采收率的目的。温度相同时，每一点斜率就是所对应此温度下瓦斯扩散速度，随着时间的变化，瓦斯扩散速度逐渐减小。