基于红外测温的煤体瓦斯吸附-解吸过程温度变化特征研究＊

徐慧刚，刘文杰

（1.山西新元煤炭有限责任公司,山西045400；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037）

0 引 言

突出综合假说认为，突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质三种因素综合作用的结果，而煤体温度变化是与此三种因素均有关的一个参数[1,2]，因此存在利用煤体温度变化进行煤与瓦斯突出预测的可能性。煤体瓦斯吸附过程中放热、解吸过程中吸热[3-5]这一观点已得到众多研究者的认同，然而对于引起温度变化的因素及温度变化规律的解释却看法不一[6-9]。综合已有研究发现，目前尚无统一的瓦斯吸附-解吸热效应理论，对吸附-解吸过程中的温度变化所进行的实验多基于接触式温度计或传感器进行点温度测量，利用温度指标进行突出预测的方法与手段尚未形成统一认知，应用煤体温度变化进行突出预测的实验基础较为薄弱。

基于此，本文利用非接触式红外温度测量系统对煤体瓦斯吸附-解吸过程中温度变化进行了多测点连续性测量，探索瓦斯吸附-解吸过程中温度变化影响因素及变化规律，为建立基于温度梯度的突出危险预测模型提供数据支撑，为利用煤体温度变化特征进行非接触式煤与瓦斯突出预测奠定基础。

1 研究设计

1.1 实验系统设计

煤体瓦斯吸附-解吸过程产生的温度升降引起其红外辐射变化，当辐射达到一定强度可通过红外测温仪监测到煤体温度的变化，因此研究设计了基于红外测温摄录仪的煤体瓦斯吸附-解吸温度测量系统，对温度变化趋势进行分析以探明煤体瓦斯吸附-解吸过程中的温度变化规律。该系统主要由：煤体瓦斯吸附-解吸系统、烘干脱气系统、恒温系统、温度测量系统、数据采集系统等组成。

1.2 煤样采集与制备

本实验选用三种不同变质煤体焦煤（煤样1）、瘦煤（煤样2）、无烟煤（煤样3）分别加工制备并选用粒径为40～60 目的煤粉进行真空干燥处理，对处理后的煤样进行瓦斯吸附-解吸实验。实验所用的煤样及相关参数如表1 所示。

表1 煤样分组及相关参数

1.3 实验方法

煤体瓦斯吸附-解吸温度测量实验包括：瓦斯吸附-解吸实验和红外温度测量实验。采用的吸附-解吸实验是基于煤炭行业标准中的甲烷吸附量测定方法，并对其进行改造：鉴于锗玻璃在红外波段具有良好的透光性，订制了专用的锗玻璃瓦斯吸附解吸罐来满足红外测温要求。红外温度测量实验采用精密红外测温摄录仪持续检测吸附-解吸系统中的煤样温度变化，自动记录所有的实验数据、影像。为准确得到煤体瓦斯吸附-解吸过程温度变化趋势，需对煤体瓦斯吸附解吸过程中的红外辐射信号进行了降噪处理。

2 吸附-解吸温度变化测量描述

煤体瓦斯吸附影响因素很多，包括压力、煤体变质程度、煤体粒度、煤体孔隙、环境温度、气体组分及含水量等[10]，其中与突出因素（地应力、瓦斯和煤的物理力学性质）密切相关的为瓦斯吸附平衡压力、瓦斯吸附量和煤体物理力学性质。故实验研究瓦斯吸附平衡压力、煤体变质程度两种条件下煤体瓦斯吸附-解吸量及温度变化。

2.1 不同压力吸附-解吸温度变化实验

为考察吸附平衡压力对煤体瓦斯吸附-解吸过程中温度变化的影响，对煤样1（焦煤）在表2 所示条件下分别进行煤体瓦斯吸附-解吸实验，结果如表2所示。并绘制了吸附-解吸过程中温度变化趋势图（见图1）。

表2 不同压力瓦斯吸附-解吸实验数据

图1 不同压力瓦斯吸附-解吸温度变化曲线

从表2 实验结果得出：吸附瓦斯过程中煤体温度均呈现上升趋势，吸附为放热过程；解吸瓦斯过程中温度均呈现下降趋势，解吸为吸热过程。吸附过程中，随着平衡压力增大煤体瓦斯吸附量增大，温度升高越大；解吸过程中，随着压力平衡压力增大煤体瓦斯解吸量增大，温度降低越大。

2.2 不同变质煤体吸附温度变化实验

为考察煤体变质程度对瓦斯吸附-解吸过程中温度变化的影响，选取三种不同变质程度煤样：煤样1、煤样2 和煤样3 在表3 所示条件下进行煤体瓦斯吸附实验，结果如表3 所示。并绘制了吸附-解吸过程中温度变化趋势图（见图2）。

表3 不同变质煤体瓦斯吸附-解吸实验数据

图2 不同变质煤体瓦斯吸附-解吸温度变化曲线

前人实验表明：不同变质煤体对瓦斯吸附能力：无烟煤＞瘦煤＞焦煤[11,12]，结合本实验数据可以看出，对于不同变质程度的煤样，在相近的平衡压力下吸附时，煤体变质程度越大，吸附造成的温度上升幅度越大，温度变化幅度与其吸附能力基本一致。

2.3 吸附-解吸过程温度信号处理

煤体瓦斯吸附- 解吸过程中温度红外辐射原始信号受噪声干扰较为严重，实验测得红外数据非平稳现象明显。鉴于小波变换可以根据尺度的变换和偏移在不同的频段上给出不同的分辨率，非常适合处理非平稳信号[13]，因此本实验选用小波变换对瓦斯吸附-解吸温度变化信号进行预处理。图3 为小波变换后的温度曲线，可看出经过处理过后的数据能够比较好地反应吸附- 解吸过程中测点煤体温度变化情况，数据可信度高。

图3 滤噪后瓦斯吸附-解吸温度变化曲线

3 吸附-解吸温度变化规律分析

3.1 吸附-解吸过程温度拟合分析

实验表明不同条件下煤体瓦斯吸附过程中不同测点之间的温度随时间变化趋势基本相似，吸附过程中温度达到最高之后会有逐渐降低的过程，解吸过程中温度达到最低之后有逐渐升高的过程，这是因为在煤体温度达到最高（最低）之后，其温度高于（低于）实验环境温度，会发生热交换，表现出温度会在较长的一段时间内逐渐趋于实验室条件温度。由于瓦斯吸附开始到温度值最大（瓦斯解吸开始到温度值最小）这段时间内的温度变化才能代表吸附或者解吸过程造成的温度变化，因此下文只对该段时间范围内的温度变化规律进行分析。

根据煤体瓦斯吸附-解吸过程中各测点温度随时间变化关系规律可以判断曲线基本符合指、对函数关系，利用公式（1-1）分别对吸附、解吸实验中各测点数据进行拟合，拟合参数及结果见表4。

式中：ΔT 为吸附- 解吸过程中温度差，℃；k，b为拟合参数；t 为吸附-解吸时间，s。

表4 瓦斯吸附-解吸温度拟合参数

图4 不同平衡压力下煤体瓦斯吸附、解吸过程温度变化拟合曲线

上表曲线拟合相关系数均在0.95 以上，说明该方程能够较好的反应实验中不同测点温度变化规律。图4 说明煤体瓦斯吸附过程中，开始阶段煤的放热速度快，随着时间延长放热速度减缓；煤体瓦斯解吸过程中，开始阶段煤的吸热速度快，随着时间延长吸热速度减缓。这是因为吸附开始时煤样几乎处于真空状态，吸附势能大，反应剧烈煤体温度上升快，随着吸附的进行吸附势能降低，吸附变缓温度上升变慢，这中变化趋势与指数函数相吻合。解吸时，压力瞬时下降解吸势能大，解吸剧烈吸收大量的热量，温度下降幅度较快，随着解吸进行解吸势能降低，解吸变缓温度下降变慢，这中变化趋势与对数函数相吻合。

3.2 吸附-解吸过程温度规律分析

将公式（1）拟合得出的参数K 与实验测得的温度最大值ΔT 进行比较发现，参数K 基本能反映煤体瓦斯解吸过程中温度变化的最大值。参数b 的值变化范围比较大，其大小可能受煤体变质程度、平衡压力和测点位置等多种因素影响。

图5 拟合值K 与温度最大值ΔT 比较

图6 解吸量与温度最大值ΔT 关系

实验中同种煤样平衡压力越大，瓦斯解吸量也越多，温度降低的最大，值k 也越大。对每个测点瓦斯解吸量与实测温度变化最大值ΔT 关系进行拟合，拟合结果如图6 所示。说明在其他条件相同的情况，煤体温度变化的最大值与煤的瓦斯解吸量成线性正相关，进而可以利用煤体温度变化预测瓦斯解吸量或者利用瓦斯解吸量来预测煤体温度变化。

4 结论与建议

实验表明利用红外测温摄录仪进行煤体吸附-解吸过程中的温度测量，能反映煤体温度的实际变化。吸附-解吸实验发现：

1）吸附过程中各煤样温度呈现先快速上升，后逐渐趋于稳定，解吸反之；温度随吸附压力的增大而增大，并且吸附时温度升高越大，解吸后温度降低幅度也越大；吸附时煤体变质程度越大，升温速度越快，达到吸附平衡所用的时间更短，解吸过程反之。

2）不同平衡压力下吸附过程中的升温趋势均符合指数函数关系，解吸过程中的降温趋势均符合对数函数关系，拟合函数参数K 表征了吸附-解吸所引起的煤体温度变化幅度最大值，温度变化最大值与煤的瓦斯解吸量成线性正相关。

本研究表明通过煤体温度变化梯度进行煤与瓦斯突出预测是可行的。将煤体温度变化作为突出预测指标，其灵敏性与临界值的确定需进一步研究确定。