水分对颗粒煤瓦斯扩散系数的影响规律研究

尚昊阳

摘要：本文以煤层注水为背景，研究高变质程度的颗粒煤在相同注气量的条件下瓦斯扩散系数随水分含量增加的变化规律，并分析水分对煤体瓦斯扩散系数的影响机理。

Abstract： Based on the coal seam water injection， this paper studies the variation law of gas diffusion coefficient with the increase of water content under the same gas injection condition， and analyzes the influence mechanism of water on coal gas diffusion coefficient.

关键词：水分;瓦斯扩散系数;瓦斯扩散机理

Key words： moisture;gas diffusion coefficient;gas diffusion mechanism

中图分类号：TD712                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0193-02

0  引言

为了确保煤矿的安全生产，在煤矿开采前会采取一系列如煤层注水、水力压裂等增加煤层通透性、降低瓦斯突出危险性的技术措施[1-3]。煤层在注水过程中容易造成不同地点煤体瓦斯含量的不同，且不同的水分含量对所采煤样的瓦斯解吸规律也各不相同。Zhejun Pan等[4]使用澳大利亚的煤样进行了线性等温吸附实验，研究了水分对煤体中大孔隙度、微孔隙度的影响，基于改进的双孔隙模型发现水分对瓦斯吸附速率有着显著影响，且水分对于不同尺寸孔隙中的瓦斯扩散系数的影响是不同的。陈向军[5]进行了瓦斯等温吸附实验，认为整个实验过程分为两个阶段：外加水进入煤体后到吸附平衡的置换解吸阶段和卸压后降压解吸阶段，变质程度越高，外加水分对煤样的瓦斯解吸促进作用越大。

综上所述，煤层在进行一系列水利化措施之后，煤体的含水量增大，累计瓦斯解吸量和瓦斯解吸速度不断减小。但是在水分对高变质程度煤体的瓦斯扩散系数影响规律方面研究较少。本文通过研究在相同注气量条件下的高变质程度煤体的水分含量对瓦斯扩散系数的影响，以及分析研究不同含水量对煤体瓦斯扩散的影响机理。

1  实验介绍

1.1 实验煤样的选取与制备

本文选用山西寺河矿的无烟煤、郑煤超化矿的贫瘦煤，提供煤样的矿井都是突出矿井，这样有利于提高实验的准确性。将所采集的新鲜煤样打碎筛选出所需的1-3mm颗粒，不同煤样的基础参数如表1所示。

1.2 实验方法

用煤样筛将采集的不同煤矿的新鲜煤样筛选出1-3mm粒径备用，在开始实验前将煤样放入干燥箱内连续干燥12h以上，然后将煤样罐放入恒温水域中并固定，并设定水浴温度为40℃，对煤样进行抽真空，抽真空时间为8h以上。抽真空完毕后，向充气罐中冲入4MPa的压力，然后将充气罐与煤样罐之间的阀门打开，让瓦斯进入煤样罐内进行吸附，这时瓦斯压力降低了0.3MPa，进行标准状况下体积换算得到注气量约为1.4L。等到煤样罐上方的压力表稳定后，说明煤样已经吸附平衡。打开注水泵，先设定流速进行注水，使整个装置中都充满水，以便减小实验误差，然后煤样罐中注入计算后所需的蒸馏水，然后将煤样罐固定在水浴中等待煤样再次达到吸附平衡。在煤样解吸开始之前，记录煤样罐罐内压力数值，打开阀门，当煤样罐上方压力表归零时，迅速连接瓦斯解吸仪，按下秒表开始计时并记录实验数据，记录时间为120min。

2  实验结果及分析

到目前为止，国内外学者在煤体的瓦斯扩散方面做了许多研究，他们比较认同颗粒煤内瓦斯流动符合菲克扩散定律，其扩散模型有：单孔隙扩散模型、双孔隙扩散模型等等。本文选用单孔隙经典扩散模型进行分析研究瓦斯扩散系数的变化规律以及水分对扩散系数的影响。本文选用文献[6]的运算方法来求出扩散系数。

从上图表中分析高变质程度煤粒的瓦斯扩散系数规律如下：

①在相同时间段内，随着水分含量的不断升高，煤样的瓦斯扩散系数不断减小，且减小的幅度逐渐降低。如超化煤样前60分钟时间段内，水分含量从0至10%的过程中，瓦斯扩散系数分别降低2.51%、9.61%、12.34%。寺河煤样和古汉山煤样也有相同的规律。

②随着解吸时间的增长，瓦斯扩散系数逐渐减小且下降幅度不断降低。这是因为在瓦斯扩散初期，煤体瓦斯的吸附量大，极易形成较大的浓度差，因此扩散速度快，扩散系数大。而随着解吸的时间逐渐增加，煤样的瓦斯吸附量逐渐减小，瓦斯浓度梯度较小，扩散速度慢。

以图1寺河煤样为例，可以看出瓦斯扩散系数与时间的关系符合幂函数式，即D（t）=D0t-β，其中D0为初始扩散系数，β为衰减系数，0<β<1。煤样在相同注气量下，都表现出瓦斯初始扩散系数随着水分的增加呈递减趋势，为研究水分与初始扩散系数的变化规律，统计不同水分下煤样的初始扩散系数如表3所示。

从表中可以看出寺河煤样的初始扩散系数随着水分含量从0增加至6%，分别降低了11.84%、17.46%，当水分含量从6%增加到10%，初始扩散系数降低了10.09%。这说明在相同注气量下，水分含量的增加，煤样的初始扩散系数逐渐降低。在注水初期初始扩散系数快速下降，随着水分的增加，初始扩散系数降幅不断减小，说明在低压注水量的影响深度存在极限。

3  结论

①不同煤样在相同注气量下，扩散系数与时间的关系始终符合幂函数式关系，水分含量并不影响扩散系数与时间的规律，而且干燥煤样的扩散系数在相同时间内大与含水煤样的扩散系数;②瓦斯初始扩散系数随着煤中水分的增加呈单调递减，在水分含量增加的初期，水分的增加对瓦斯初始扩散系数的影响程度较大，引起初始扩散系数的快速减小，而伴随着水分的不断增加，瓦斯初始扩散系数的降幅逐渐减小，并逐渐趋向于一个定值;③煤体在注水过程中，水分子比甲烷分子更易吸附在煤体表面，这样就造成了煤体瓦斯吸附量的减小，而且水分进入煤体的孔隙中在毛细管力的作用下堵塞瓦斯的扩散通道，阻碍瓦斯的扩散，从而降低瓦斯扩散系数。

参考文献：

[1]林伯强.中国能源发展报告2008[M].中国财政经济出版社，2008.

[2]李好管.“十三五”规划关于中国能源、煤炭工业、煤炭深加工产业发展的政策导向（上）[J].煤化工，2017（03）：1-6.

[3]唐建平，孙东玲，武文宾.注水煤层瓦斯运移规律研究现状与发展方向[J].煤矿安全，2018（05）：175-177.

[4]Chen D， Pan Z， Liu J et al. Modeling and Simulation of Moisture Effect on Gas Storage and Transport in Coal Seams [J]. Energy & Fuels， 2012， 26（3）： 1695-1706.

[5]陈向军.外加水分对煤的瓦斯解吸动力学特性影响研究[D].中国矿业大学，2013：148.

[6]Shi JQ， Durucan S. A bidisperse pore diffusion model for methane displacement desorption in coal by CO2 injection[J]. Fuel， 2003， 82（10）： 1219-1229.