基于红外成像技术的煤中甲烷分布特征研究

2021-06-23冯增朝

煤矿安全 2021年6期

王辰，冯增朝

（太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西太原030024）

煤是一种天然吸附剂，具有很高的甲烷吸附能力，会在甲烷吸附过程中释放热量，从而导致煤体温度升高[1－2]，通过该过程中煤体温度的变化可以对其吸附/解吸甲烷的能力进行评估，同时还可以预测诸如瓦斯突出等井下灾害性事故[3－8]。大多数实验研究中，仅使用单点接触测量来评估煤的温度[9－10]，因此，未能获得有关同一煤样中不同位置的温度变化。许多瓦斯抽采项目实践表明，在钻探具有高地应力的软煤层期间，常发生从钻孔中喷出煤和瓦斯的现象，持续时间从数分钟到数十分钟不等[11－12]。如俞启香教授等人所述[13－14]，造成这些现象的主要原因之一是煤层中不同区域的瓦斯含量以及瓦斯压力不相同，把瓦斯含量和瓦斯压力相对较高的区域称之为“瓦斯包”。然而，由于观测方法的局限性，对煤中甲烷赋存的不均匀分布和演化的研究较少[15－17]。因此，研究煤吸附甲烷的温度变化以及甲烷气体在煤体中的分布规律，需要通过更多更细致的观测试验方法。综上所述，将依托红外成像测温的实验方法，研究微型煤样吸附甲烷过程中温度变化及煤中甲烷聚积分布特征。

1 煤体吸附/解吸甲烷红外热成像实验

实验中选用的1#无烟煤取自山西省晋城市沁水煤田的寺河煤矿3#煤层，2#焦煤取自山西省太原市西山煤田的马兰煤矿8#煤层，3#褐煤取自内蒙古满洲里市扎赉诺尔煤田的灵东煤矿Ⅱ煤层群。煤样切成直径为9.5 mm，厚度为1 mm，并且两端表面较为光滑平整的实验样品。

煤体吸附甲烷的过程中，使用优利德Uti160A型精密红外热像仪对波长为在8～14μm之间的红外热辐射进行接收测量，仪器的热灵敏度为0.01℃。煤吸附甲烷红外观测系统如图1。

图1 煤吸附甲烷红外观测系统Fig.1 Infrared observation system of coal adsorption

实验系统的主要组成部分包括：①由不锈钢制成的吸附罐：用于放置煤和瓦斯以进行煤的吸附；测试该罐体并确认其具有良好的气密性，并将1块高红外透射率（＞95%）的氟化钡玻璃窗片放在圆柱型罐体的顶部；②使用底座将圆筒夹持装置固定到红外热像仪，从而确保扫描的红外图像的稳定性；③精密数字压力表：用于测量罐体中的甲烷吸附压力；④注气装置：包括调压阀，甲烷气瓶和相应管路等。

首先将薄片煤样固定放置在吸附罐中，使其圆形截面靠近高透射率红外玻璃窗片，从而使红外热像仪可见，从而完成测试。实验步骤如下：

1）煤样的放置和真空处理。将做好定位标识并固定好的煤样薄片水平放入吸附罐中，调整位置，在确保密封性完好的前提下，使煤样观测表面紧贴氟化钡BaF2高透红外玻璃窗片，有利于红外热像仪更好地接收煤样吸附过程中温度变化引起的热辐射；使用上海叶拓2×Z－4型直联旋片式小型真空泵对吸附罐、实验管路及煤样进行真空脱气处理，使真空表的示数达到－0.094 MPa以下，并保持0.5 h以上，达到清除实验装置及煤样中的杂质气体的目的。

2）在不同压力下煤样的甲烷吸附。手动调节红外成像仪的镜头，进行焦距校准，使得煤样薄片观测表面清晰显示在红外热像仪的屏幕上；确保吸附管路上的阀门均保持关闭状态，对吸附前的煤样薄片进行2次拍摄，得到吸附前煤样的基准红外图像；打开高压甲烷储气瓶，调节减压阀到实验方案设定的恒定吸附压力（0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa）；打开吸附罐前端的控制阀门，注入甲烷气体进行煤与甲烷吸附，同时，以每次2 s/次的速率进行红外热像仪拍摄，实时保存红外图像以及对应的吸附时间。

2 煤体吸附甲烷红外热成像特征

2.1 煤体吸附过程中红外成像变化

利用MATLAB编写的处理程序，对红外摄像仪所拍摄图像中的煤样截面在吸附过程中不同吸附时刻的温度值进行提取，并通过与未发生吸附时的基准图像的温度值进行差值计算，经过图像颜色处理后，即可得到在不同吸附压力条件下，煤样截面的温度变化量随时间变化的红外图像，煤样吸附甲烷气体红外热成像变化图如图2。

由图2可知，随着吸附时间的增加，3种煤样的截面温度明显升高；并且在同一恒定吸附压力条件下，3种不同变质程度的煤样在相同吸附时间的温度升高量不同，在0.3～1.5 MPa的吸附压力条件下，1#无烟煤截面温度变化量在0～6℃之间，2#焦煤截面温度变化量在0～10℃之间，3#褐煤截面温度变化量在0～5℃之间；并且随着吸附压力的增大，3种煤样的截面温度变化越显著。3种煤样在截面的不同位置上呈现出不同的温度变化：1#无烟煤吸附甲烷气体后温度变化主要发生在煤样的右侧中间以及右上部位，2#焦煤吸附甲烷气体后温度变化主要发生在煤样的右上以及左上边缘部位，3#褐煤吸附甲烷气体后温度变化主要发生在煤样的左上半部位。

图2 煤样吸附甲烷气体红外热成像变化图Fig.2 Change charts of infrared thermal imaging of coal sam ples adsorption methane gas

2.2 煤体吸附过程中截面温度变化

为了对煤样在吸附过程中截面温度变化量进行精确分析，利用MATLAB编写的处理程序对红外图像中的煤样截面全幅区域的温度变化值进行提取计算，统计在吸附过程中，煤样截面全幅区域的平均温度变化量随着吸附时间的变化关系。实验中，为了减少煤样在空间上吸附非均匀性以及所导致的内部温度变化不均带来的传热影响，故制取厚1 mm的圆形煤样薄片，因此吸附平衡时间较短；但由于煤样较小，并且实验装置无法与外界完全绝热，因此吸附后期受到实验装置与环境之间热交换的影响温度变化量降低较多；由于以上因素，故只针对3种煤样吸附的前期（1～30 s）进行分析，煤样吸附甲烷气体时截面平均温度变化如图3。

图3 煤样吸附甲烷气体时截面平均温度变化Fig.3 Average tem perature variation curves of cross section when coal sample adsorbsmethane gas

由图3可知，由于煤样属于微型试样，3种煤样吸附过程中的温度变化主要发生在吸附过程的前30 s，其中在吸附过程的前1～6 s，煤样截面的平均温度变化量上升速度较快，达到温度变化量的峰值，即将甲烷气体注入吸附罐的瞬间，甲烷气体分子在煤样截面势阱深度较深的吸附位置发生吸附，放出大量的吸附热，导致煤样截面温度快速上升；6～20 s煤样截面的平均温度变化趋于平稳，煤样其他势阱深度较浅的位置进行吸附，吸附逐渐达到平衡；在20 s以后，煤样吸附平衡，由于煤样与金属质地的吸附罐接触，金属传热系数较高，导致实验装置与外界环境的传热较为明显，因此煤样截面平均温度变化量开始逐渐降低。

3 煤体中甲烷非均匀分布特征

3.1 煤体吸附量与温度变化关系

煤体吸附甲烷气体时发生放热反应，导致煤体表面温度升高，这是由于煤与甲烷之间的吸附热所引起的。假设单位质量煤体吸附甲烷过程中放出的等量吸附热为-q（kJ/mol），单位质量煤体的甲烷吸附量为n（mol），则单位质量煤体吸附甲烷放出的热量Q为[8]：

假定煤与甲烷吸附体系不受自身温度变化及环境温度的影响，即吸附放出的热量全部转化为煤体自身的内能，由式（1）可知，煤体升温量T为：

式中：C为煤体的比热容，J/（kg·℃）。

由式（2）可知，假定煤体不同区域的比热容与等量吸附热不随吸附的进行而变化，则单位质量煤体温度变化量与其甲烷吸附量成正比，煤体的吸附量越大，即煤体吸附甲烷的能力越强，煤体截面所呈现出的升温现象越明显。

3.2 煤体中甲烷赋存的非均匀分布特征

一般来说，煤体与甲烷气体吸附平衡时，煤体中都会存在甲烷气体聚积吸附的局部区域，其本质反应了煤体中不同区域对甲烷吸附能力的不同。由于目前对于煤吸附甲烷过程中，所展现出来的各区域吸附能力差异性的研究不足，导致目前无法对吸附平衡时，煤体中甲烷积聚吸附的局部区域进行定量化研究与评价。因此，基于对煤体中不同升温段的煤单元数量分布与甲烷吸附量分布特征，现对甲烷积聚区进行如下定义与统计。

依据式（2），以0.1℃为温度变化量的统计增量值，并通过式（3）、式（4）对煤体中不同温度变化增量段的煤单元数量分布比率pT与甲烷吸附量分布比率pn分别进行计算：

煤样单元在不同压力下的温度变化量与甲烷吸附量均介于某段温度范围之内。煤与甲烷吸附平衡时，在任意吸附平衡压力下均存在1个温度变化临界值。在温度变化量大于该温度变化临界值的煤体截面区域中，煤体中不同温度变化增量段的甲烷吸附量的分布比率高于煤单元数量分布比率，可定义该煤体区域为甲烷气体积聚的区域。

依据上述方法对3种煤样截面区域的温度变化进行提取统计，其中1#无烟煤在不同吸附压力下不同温度段煤单元数量分布与甲烷吸附量分布如图4。

图4 1#无烟煤不同温度段煤单元数量分布与甲烷吸附量分布Fig.4 Coal unit number distribution and methane adsorption distribution of 1#anthracite at different temperature sections

随着吸附压力的增大，3种煤样截面区域的温度变化范围变大；并且随着温度变化量的增大，煤单元数量分布比率及其对应的甲烷吸附量分布比率呈现先增大后减小的趋势，服从正态分布。在较低吸附压力条件下，煤样截面不同位置的吸附能力差异较小，由于甲烷吸附量的不同引起的截面温度变化量分布在较小范围内，煤样对甲烷吸附能力的非均匀性较弱；随着吸附压力的升高，煤样截面的温度变化范围增大，煤样截面不同区域甲烷吸附量的差异性逐渐增大，即煤样对甲烷吸附能力的非均匀性增强。