煤的解吸规律研究现状及发展趋势

刘健

摘 要：瓦斯是煤层中的主要气体，研究分析煤层解吸瓦斯的规律，能够有效地避免煤层开采时煤与瓦斯突出的危险。在以往的研究中，不难发现煤解吸瓦斯与煤的孔隙结构、破坏类型以及水分、灰分和挥发分有关，还与振动、压力、温度等因素有关。本文主要分析温度、振动以及孔隙结构对瓦斯解吸的影响程度，并且提出目前存在的不足，指出了煤炭解吸瓦斯的发展趋势和应用前景，并将其应用于需要解决的实际工程问题。

关键词：煤解吸;瓦斯

中图分类号：TD712     文献标识码：A       文章编号：1003-5168（2021）24-0062-03

Research Status and Development Trend of Desorption Law of Coal

LIU Jian

（School of Safety Science and Engineering， Anhui University of Technology， Huainan Anhui  232001）

Abstract： Gas is the main composition in coal seam. The research and analysis of the law of desorption gas in coal seam can effectively avoid the danger of coal and gas outburst in coal seam mining. In past researches， it is not difficult to find that desorption gas of coal is related to pore structure， failure type， water， ash and volatile matter of coal， and also related to vibration， pressure， temperature and other factors. This paper mainly analyzes the influence of temperature and pore structure on gas desorption， and puts forward the existing shortcomings. Meanwhile， it points out the development trend and application prospect of coal desorption gas， which is used to solve the engineering problems in the practical application.

Keywords： coal desorption; gas

1 造解吸规律研究现状

近年来，煤矿瓦斯抽采技术日趋成熟，但仍有许多问题亟待解决。为了安全生产，保证人民生命财产的安全，深入了解煤对瓦斯解吸的影响因素以及多因素耦合，对于煤解吸的影响有着重要的作用。

煤层的瓦斯吸附特性属于物理特性，当任意改变外界条件时，很容易发生解吸，且因为煤的解吸与吸附在理论上是一个平衡过程，因此最终的解吸量应与吸附量大体一致。在开采煤层的过程中，压力降低是实现解吸的主要途径，世界各国煤矿生产面临的严峻挑战依旧是煤与瓦斯突出灾害的防治。

我国是世界上最大的煤炭生产国，也是煤矿灾害最严重的国家。因此，一些学者对煤储层吸附的理论和模型提出了自己的观点。赵志根等通过试验发现兰式方程表达的是暴露于空气中的单分子吸附解吸模型，对比较复杂的煤孔隙结构不太适用[1]。部分学者研究了不同煤样的吸附解吸特性，发现与兰式曲线最相似的是等温吸附曲线;马行陟等开展的三个变量的试验研究，结果表明，优化过的样本在结果准确性上优于其他样本[2]。张庆玲等通过校正试验对吸附解吸曲线进行对比分析，结果表明，不做修正的吸附曲线更符合实际[3]。国内学者利用先进仪器对煤储层原进行模拟，得到始温度下的吸附解吸特点，最终得出压力监测监控系统对煤的高压等温吸附产生的温差范围是温度在1 ℃左右造成的。

马东民进行升温解吸实验时得到的结果表明，升温能够有效地提高煤层气的解吸速率，有利于煤层气的开采和抽取[4]。赵鹏涛研究了不同气体对煤层气的吸附和解吸特性，得到结论，认为可以用空气将煤中的甲烷气体置换出来，该方法可以广泛应用于矿井开采[5]。刘冰昌分析了深部储煤层的数据特征，认为淮南潘集深部煤储层瓦斯含量与煤层高度无关，并对解吸速率和解吸时间进行了分析[6]。在新集矿区储煤层解吸特征分析中，雷崇利以瓦斯含量约为2 m3/T的地方作为煤层瓦斯风化带的分界线[7]。

2 温度对煤解吸瓦斯的影响

瓦斯在煤体中的吸附和解吸被认为是可逆的物理过程，通常认为吸附是放热过程，而解吸则与之相反，是一个吸热反应。大量实验表明，随着煤体温度升高，解吸率升高升温使得解吸速度和解吸量增加，研究瓦斯溫度变化对解吸过程的影响，能够有效地对煤层气进行开发，并且对于防治煤与瓦斯突出等煤层灾害意义重大。

牛国庆等通过试验测定了煤吸附和解吸气体作用过程中温度的变化情况，吸附时温度升高，解吸时温度降低，以此可以得出，瓦斯吸附过程是放热过程，而解吸过程则是吸热过程[8]。在吸附和解吸过程中，温度变化幅度与气体平衡压力、气体吸附特性等自身因素有关。也就是说，压力越高，气体吸附性能越高，导致吸附与解吸时温度变化越大。部分学者利用高温红外测温技术对煤体解吸过程中的温度变化规律进行了试验研究，得到结论：煤解吸瓦斯过程受瓦斯充气压力大小的直接影响，并且也与吸附解吸过程中的温度变化幅度有关系。在相同的瓦斯压力下，瓦斯吸附常数越大，瓦斯解吸量越大，使得煤温变化越大。国内学者采用试验和理论相结合的方法对瓦斯解吸过程和含瓦斯煤体破坏过程中的温度变化规律进行了研究，认为利用监测温度变化可以实现对煤和瓦斯突出危险性的预测预报，并且提出采用红外测温系统将其他气体相关参数结合起来，形成经济可靠的预测预报体系。