降温过程对高地温煤层瓦斯解吸的影响

侯 捷 程五一 盛真可 季淮君

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京市海淀区，100083；2.上海宇航系统工程研究所，上海市闵行区，201109)

瓦斯解吸是瓦斯突出危险性区域预测和煤层瓦斯资源勘探开发不可或缺的基础参数，而温度对于煤层瓦斯涌出量的预测有着重要的影响。目前煤体瓦斯吸附解吸研究多是在等温条件下进行，变温解吸研究较少。但对于深部煤层，由于煤的导热系数较小，煤系地层对地下热起到阻隔作用，使煤层地温较高，开采时需预先对工作面环境进行降温处理，实际瓦斯解吸温度低于吸附温度。由于高地温煤层瓦斯解吸过程受环境降温的影响，使得深部煤层开采时，瓦斯解吸量预测不准确。

前人对等温条件下瓦斯的吸附解吸规律进行了深入的研究，试验证明煤的瓦斯吸附解吸现象基本符合Langmuir方程。李志强、聂百胜等对不同环境温度煤的瓦斯解吸规律的研究表明，随着温度升高，煤体瓦斯解吸速度越快，相同解吸时间下的瓦斯解吸量越大。由此可推测，温度越低，煤的瓦斯放散速度会越小，相同解吸时间下的瓦斯解吸量也越小。但是当前学者对于高温煤层瓦斯降温解吸的研究比少，使得高温矿井开采时瓦斯涌出规律难以预测。因此，通过试验改变煤体瓦斯的吸附解吸温度，研究环境降温对煤层瓦斯解吸的影响，对高地温煤层的安全开采具有重要意义。

1 试验

1.1 样品制备

本试验选取唐口煤矿5301工作面新鲜暴露煤作为试验煤样，采集后迅速密封并带回实验室进行粉碎、筛分，选取粒度为1～3 mm的煤样，装入玻璃密封干燥容器中保存。为避免水分对颗粒煤瓦斯解吸规律的影响，将试验煤样放入100℃真空环境干燥6 h，干燥后放入冷却干燥塔中密封保存，作为试验样品。试验煤样的基本物理参数：煤样采集点地温为45℃，坚固性系数f为0.77，真相对密度为1.36 g/cm3，视相对密度为1.28 g/cm3，孔隙率为0.06%，水分Mad为0%，灰分Aad为12.65%，挥发分Vdaf为42.6%，吸附常数a为22.292 cm3/g，吸附常数b为1.027 MPa-1。

1.2 试验装置

瓦斯解吸仪器在关于煤甲烷吸附量测定方法(MT/T752-1997)的试验系统基础上装配，如图1所示，主要包括脱气单元、充气单元、温度控制单元和瓦斯吸附-解吸单元。在模拟试验中，为保证煤样吸附-解吸时温度准确，设置2个不同温度的恒温水浴并用空调调节室内温度。

1-卡套针阀；2-压力表；3-高压甲烷气瓶；4-充气管；5-大煤样罐；6-小煤样罐；7-真空表；8-真空泵；9-解吸仪；10-恒温水槽图1 瓦斯解吸仪器原理图

试验开始前，取3个煤样罐分别装入600 g干燥煤样并编号，将各煤样罐装入试验装置中，进行试验系统气密性检测。证明系统不漏气后，设定恒温水箱加热到60℃(温控精度为±1℃)，开启真空泵对煤样真空脱气，直到真空表显示-0.1 MPa后保持4 h，完成真空脱气，关闭真空泵。

1.3 瓦斯吸附

调节恒温水箱温度，使煤样罐周围水温保持在45℃(温控精度为±1℃)；拧开浓度为99.9%高纯瓦斯钢瓶，向充气罐中充入一定量的瓦斯气体，关闭系统补气阀门；打开充气阀门，分别向各个煤样罐充入设定压力为0.3 MPa、0.5 MPa、0.8 MPa的瓦斯气体，关闭系统充气阀门，让煤样充分吸附瓦斯气体；当煤样罐中瓦斯压力低于设定压力时，多次向煤样罐补气，直到煤样吸附到设定的平衡压力。当煤样罐中的煤样(粒度为1～3 mm)吸附瓦斯气体达8 h，即可认为煤样吸附过程达到平衡。

1.4 瓦斯解吸

调节恒温水浴到设定的解吸温度(45℃、35℃、25℃)，当恒温水箱的温度达到并保持在试验需要温度时，开始煤样的瓦斯解吸测定工作。其测定过程如下所示：

(1)测定并记录恒温水箱的实际温度、室温和大气压力。

(2)打开连接真空气袋的阀门，使煤样罐内的游离瓦斯气体进入真空气袋，当对应煤样罐的压力表读数为零时，立即关闭连接真空气袋的阀门，打开连接解吸仪的阀门，同时按下秒表开始计时。

(3)第一分钟，每隔10 s读取并记录解吸仪器量筒的瓦斯解吸量，从第二分钟开始，每隔1 min读取并记录瓦斯解吸量，解吸到120 min后终止。

为更有效对比考察煤样在解吸温度变化条件下的瓦斯解吸特征参数，试验结束后，需将模拟得到的实测瓦斯解吸量换算成标准状态下的体积。

2 试验结果与分析

2.1 不同解吸温度对颗粒煤瓦斯解吸量影响分析

为了研究颗粒煤在一定的吸附压力平衡状态下，环境温度变化对瓦斯解吸规律的影响，在试验模拟吸附-解吸环境的基础上，分别统计煤样在吸附平衡压力为0.3 MPa、0.5 MPa和0.8 MPa条件时，不同解吸环境温度的解吸数据。吸附温度45℃时，各吸附平衡压力下，不同解吸温度时的煤样解吸瓦斯量随时间变化曲线如图2所示。

图2 吸附温度45℃时，各吸附平衡压力下，不同解吸温度下的解吸量

由图2可以得出，在吸附平衡压力一定时，煤样的瓦斯解吸量随着解吸时间的延长呈单调递增函数曲线，解吸瓦斯总量趋于一个常数，解吸温度越高，煤样在相同时间段内的累计瓦斯解吸量越大。煤样在开始解吸的0～2 min时间段内，瓦斯解吸增量较大，解吸速率较快。

2.2 不同解吸温度对颗粒煤瓦斯解吸速度影响分析

由图2得出，温度对瓦斯解吸特征值的影响主要体现在煤样从吸附平衡状态到卸压暴露后的短时瓦斯解吸量变化，因此，研究煤样在突然暴露于空气介质后的初始瓦斯解吸速度V是考察瓦斯解吸时受温度影响的一个很重要指标。不同解吸温度下的解吸速度如图3所示。由图3可以看出，相同吸附平衡压力下，随着解吸温度的变化，同时刻瓦斯解吸速率各不相同，煤样初始解吸阶段温度越高，解吸速度越快，瓦斯解吸量越大，且在相同时间段内速度衰减越快。

3 高温煤层瓦斯降温解吸计算

由前述可得出相应时间点处Vt值(Vt表示第t分钟的解吸速度)，见表1。为了能够定量分析解吸速度V同解吸温度T之间的相关性，以解吸温度25℃、吸附平衡压力为0.3 MPa的解吸速度为基准，研究不同吸附平衡压力下，解吸速度V与温度间的变化关系。各解吸温度下的Vt与25℃的解吸速度V之比，作为温度对煤的瓦斯解吸速度的影响系数γ，其中25℃的解吸速度V设定为参数“1”，γ0.3、γ0.5和γ0.8分别代表相应吸附平衡压力下的温度影响系数，结果如表2所示。

图3 不同解吸温度下的解吸速度

V0.5/mL·(g·min)-10.3 MPa0.5 MPa0.8 MPaV1/mL·(g·min)-10.3 MPa0.5 MPa0.8 MPaV2/mL·(g·min)-10.3 MPa0.5 MPa0.8 MPa25℃0.0120.020.030.0060.010.0170.0020.0030.00535℃0.0150.0250.0360.0080.0130.020.0030.0040.00745℃0.0180.030.0480.0090.0150.0240.0030.0050.009

表2 不同解吸温度下Vt值的影响系数

由表1和表2中各解吸温度下的Vt值的影响系数，可回归得出不同时间段内，各平衡压力下，解吸温度V与修正系数γ之间的关系曲线，如图4所示。

通过回归分析得到修正系数与解吸温度之间的变化关系基本形式符合如下等式：

γ(T)=ea(T-25)

(1)

式中：γ(T)——温度对颗粒煤瓦斯解吸速度的修正系数；

a——回归系数；

T——瓦斯解吸温度，℃。

回归系数a的值见表3。

表3 各时间点不同压强下回归系数值

备注：a0.5、a1、a2分别为0.5 min、1 min、2 min时的回归系数值

由表3得出，同一时间点处不同压强下的回归系数基本稳定，忽略压强对回归系数的影响，取其均值作为各时间下的回归系数。

图4 解吸速度Vt随温度变化的比例系数回归分析度

对各时间点处的解吸速度与温度之间的修正系数做回归结果分析：

γ0.5=exp(0.0214 (T-25))

γ1=exp(0.0193(T-25))

γ2=exp(0.0251 (T-25))

(2)

由上述修正系数公式可以得出，随着解吸时间的增加，修正系数基本保持稳定，回归系数取均值0.0219，即瓦斯解吸速度随温度变化的修正系数为：

γ(T)=e0.0219(T-25)

(3)

从而在以解吸温度为25℃为基准的条件下，其他解吸温度各时间点的解吸速度公式可修正为：

VT(t)=V25(t)·γ

(4)

式中：VT(t)——解吸温度T时，t时刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

V25(t)——解吸温度25℃时，t时刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

t——解吸时间，s；

T——煤样的解吸温度，℃。

当前通用的瓦斯解吸速度经验公式可用“文特式”表示：

(5)

式中：Vt——t时刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

Va——ta时刻的瓦斯解吸速度，mL/(g·min)；

kt——常数，0

取解吸时间ta=1 min时，Va=V1，则第t分钟瓦斯解吸速度为：

Vt=V1·t-kt

(6)

则在x时间内累计瓦斯解吸量为：

(7)

上述公式为计算瓦斯解吸量的普遍应用公式，但上述公式的建立没有考虑环境温度变化所引起的解吸量变化。由于瓦斯在不同时间点上的解吸速度受解吸温度的影响，因此，解吸速度修正系数γ(T)的确定有利于较准确地测定煤层瓦斯含量。本研究以25℃解吸温度为基准，推导解吸环境温度改变的条件下，相同时间段内不同解吸温度时的瓦斯解吸速度。故在25℃的基准温度下，得出在解吸温度为T时，t时刻累计瓦斯解吸量为：

(8)

式中：Q25(t)——解吸温度25℃时，t时刻的瓦斯解吸量，mL/g。

以上分析计算，考虑了煤层瓦斯在不同解吸温度下的解吸速度变化情况，通过数据拟合，推算各温度下的解吸速度对于25℃解吸速度的修正系数γ。从而可为高温矿井采取不同温度的降温措施后，矿井瓦斯涌出预测提供依据。

4 结语

(1)高地温煤层开采时的降温过程，影响煤层瓦斯实际涌出量，通过设定不同解吸温度的瓦斯吸附-解吸试验证明，巷道降温会抑制高地温煤层的瓦斯涌出速度和涌出量。

(2)试验揭示了在保持吸附温度一定、吸附平衡压力相同的条件下，解吸环境温度越高，相同时间间隔内累计瓦斯解吸总量、瓦斯解吸增量及初始解吸速度越大，相同时间段内的瓦斯解吸量及瓦斯解吸速度变化也越大。

(3)通过试验数据分析瓦斯解吸速度V受温度影响时的衰减变化规律，拟合得出吸附温度25℃时，不同解吸环境温度对瓦斯解吸速度V的修正系数为：γ(T)=e0.0219(T-25)。同时推导出各解吸温度t时刻时，累积瓦斯解吸量计算公式为QT(t)=γ(T)·Q25(t)。

(4)在其他煤层瓦斯解吸量测定时，由于存在煤质较硬、取样时钻杆发热导致的颗粒煤温度过高等情况，瓦斯含量、瓦斯解吸指标等参数的确定会受到温度的影响，导致测定结果与实际误差相差较大，解吸速度修正系数γ同样可以修正温度对瓦斯损失量和解吸总量的影响，提高测试精度。

参考文献：

[1] 王兆丰,刘军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].煤矿安全,2005(3)

[2] 王兆丰,岳高伟,康博等.低温环境对煤的瓦斯解吸抑制效应试验[J].重庆大学学报, 2014(9)

[3] 王刚,程卫民,潘刚.温度对煤体吸附瓦斯性能影响的研究[J].安全与环境学报, 2012(5)

[4] 吕伟伟，隆清明，晁建伟.取样过程中风流对煤样瓦斯解吸规律影响的探讨分析[J].中国煤炭，2016(7)

[5] 刘纪坤.煤体瓦斯吸附解吸过程热效应试验研究[D]. 中国矿业大学(北京), 2012

[6] 李云波,张玉贵,张子敏等.构造煤瓦斯解吸初期特征试验研究[J].煤炭学报, 2013(1)

[7] 马东民.煤层气吸附解吸机理研究[D].西安科技大学, 2008

[8] 庞丹.煤岩导热特性试验研究[D].辽宁工程技术大学, 2015

[9] Manthilake G M,de Koker N,Frost D J, et al. Lattice thermal conductivity of lower mantle minerals and heat flux from Earth core[J].Proc Natl Acad Sci,2011(44)

[10] 吴世跃, 王英敏.湿壁巷道传热系统及传质系数的研究[J].煤炭学报, 1993(1)

[11] 张力,何学秋,聂百胜.煤吸附瓦斯过程的研究[J].矿业安全与环保, 2000(6)

[12] 李志强,段振伟,景国勋.不同温度下煤粒瓦斯扩散特性试验研究与数值模拟[J].中国安全科学学报, 2012(4)

[13] 聂百胜,杨涛,李祥春等. 煤粒瓦斯解吸扩散规律试验[J].中国矿业大学学报, 2013(6)

[14] 曾社教,马东民,王鹏刚.温度变化对煤层气解吸效果的影响[J].西安科技大学学报, 2009(4)

[15] 马东民,张遂安,王鹏刚等.煤层气解吸的温度效应[J].煤田地质与勘探, 2011(1)

[16] 杨新乐,张永利,李成全等.考虑温度影响下煤层气解吸渗流规律试验研究[J].岩土工程学报, 2008(12)

[17] 季淮君.可溶有机质对煤层瓦斯储运特性影响机理研究[D].中国矿业大学, 2015

[18] 秦跃平,史浩洋,乔珽等.关于煤粒瓦斯解吸经验公式的探讨[J].矿业安全与环保, 2015(1)