利用瓦斯水合机理防治煤与瓦斯突出的基础研究

李智峰

（黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 150022）

利用瓦斯水合机理防治煤与瓦斯突出的基础研究

李智峰

（黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 150022）

设计并制造了可视化水合物试验装置。研究了瓦斯水合物在煤－纯水体系和煤－表面活性剂体系中的生成过程，结果显示：表面活性剂的加入能够缩短水合物生成的诱导时间及改善生成速率；在添加的表面活性剂的种类不同时，水合物生成的诱导时间和生成速率存在很大差异；在同样浓度的吐温系列的表面活性剂中，T40对水合物生成的促进作用最大。

瓦斯水合物 表面活性剂 煤与瓦斯突出

1 可视化试验系统的研制

目前，国内用于水合物相平衡研究的反应釜有低压和中高压两种，中高压釜只有从国外（加拿大）进口的蓝宝石全透明釜是可视性的，除价格昂贵外，有效腔体体积只有59mL，无法满足填装煤样类实验的要求。为此，自行设计制造了一套实验装置（如图1）。该装置主要由高压釜（缸体）、恒温空气浴、增压系统、温压测定系统、数据采集系统和摄像系统组成。

该实验装置与国内外现有同类装置相比，其新颖与独特之处在于：

①在系统中增加图像自动采集存储功能。避免了其它实验系统数据记录和图像采集同步性差的弊端。

②在摄像系统中增加了显微放大功能。能清楚地观察到晶核的形成及其生长过程。

③数据采集系统更方便、更可靠。

图1 瓦斯水合物高压试验设备系统图

实验过程如下：

①清洗反应釜需重复清洗三次后，对反应釜进行抽真空；

②加入水溶液，当吸入的溶液通过反应釜的视窗观察达到视窗的1／2时，关闭排放阀从而停止吸液；

③压入高压瓦斯气，由于凭气源本身的压力不足以达到瓦斯气水合物生成的压力，所以还要对压入反应釜的气体通过增压泵对其加压。加压完毕后关闭进气阀；

④用空气浴罩把反应釜罩住，并调节制冷设备的智能温控仪，制冷设备自行运行，将空气浴调节到设定的温度，开启数据采集系统对实验过程中的数据进行采集；

⑤预测水合物的生成大约时间，提前启动摄像或照相系统，记录水合物生成和生长（或分解）的全过程。

2 在煤层中生成甲烷水合物的研究

目前，已在静态纯水体系中成功合成了甲烷水合物。图2为在P＝8.47MPa，T＝6.7℃条件下，容器中气液固三相达到平衡时水合物的图像。

图2 气液固三相平衡时的图像

实验发现水合物一旦开始形成，其生长速度是很快的。而且，在液体表面形成的水合物层不能有效阻止甲烷继续进入溶液，说明水合物有一定的透气性。这一特性可以保证煤体中的甲烷将透过在表面生成水合物膜或层，溶入水溶液中继续形成水合物，直到其在水溶液中的浓度低于形成水合物的临界浓度为止，从而使煤体里面的大部分甲烷都能形成水合物。

3 表面活性剂对水合物生成的影响研究

由于甲烷在水中的溶解度很小，所以在静止的纯水中，水合物生成的诱导时间较长，而且生长速度较慢。实验研究表明，在静止的纯水系统中（在4.5MPa，276K条件下），28小时内无水合物生成，而在静止的含表面活性剂系统中，大约1.5小时即可生成水合物。这表明表面活性剂对水合物生成有很好的促进作用。在温度为15.3～25.4℃、压力为0.41～24.72MPa条件下研究了煤－表面活性剂溶液体系中瓦斯水合物的生成过程，得到水合物生成的热力学参数，运用气体水合物生成速率理论对实验数据进行了计算。结果表明：表面活性剂的加入促进了水合物的生长，水合物的生成速度与表面活性剂的种类、浓度有关，不同种类的表面活性剂溶液虽然其浓度相同，但诱导时间和生成速度均有很大差异。相同浓度的吐温系列表面活性剂中，T40对水合物生成的促进作用最大。利用可视化实验系统，进行了煤－T40溶液（1.0×10－3mol／L）中瓦斯水合物生成过程的实验研究，得到了诱导时间为404min，其生成过程的p－T关系如图3。另外，相同浓度不同种类、相同种类不同复配比对水合物生成影响作用效果差别较大。

图3 体系1中瓦斯水合物生成过程p－T－t关系图

在研究瓦斯水合物在表面活性剂水溶液中的生成过程的基础上，对水合物生成诱导时间、生成时温度、压力等参数之间的关系进行了分析，将实验热力学结果与相平衡软件计算数据进行了比较，结果表明，表面活性剂改变了瓦斯水合物生成的热力学条件。

［1］ 梁冰，章梦涛，潘一山等.煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论［J］.煤炭学报，1995，20（5）：492－496.

［2］ Jr E D，Sloan Clathrate.Hydrate of natural gases［M］.New York：Marrcel Deker，1997，39－45.

［3］ 吴强.矿井瓦斯水合机理实验研究［D］.徐州：中国矿业大学，2005：106－109.

［4］ 孙建华，吴强，张保勇.非离子型吐温系列表面活性剂对瓦斯水合物生成过程的影响［J］.煤炭学报，2006，31（2）：191－195.

（责任编辑 刘 馨）

Basic Research on Preventing Coal and Gas Outburstwith Methane Hydration

LIZhifeng
（School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Heilongjiang 150022）

The visible experimental installation is designed and made for experiment which needs samples of coal.The process of gas hydrate formation are investigated in coal-pure water and coal-surfactant solution systems，the results indicates that the surfactants can shorten the induction time，and improve the formation rate，the induction time and formation rate show a large difference with different kind of surfactant，and Tween－40 has the greatest acceleration for hydrate formation in Tween series surfactant of the same concentration.

Gas hydrate；surfactant；coal and gas outburst

李智峰，男，高级工程师，硕士研究生，主要从事实验室教学研究工作。