静电场下煤体放散瓦斯时间记忆效应研究

2021-10-21王亚娟吴鹏飞

煤矿安全 2021年10期

王亚娟，马涛，吴鹏飞

（1.河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作 454000；2.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西神木 719300；3.郑州煤炭工业（集团）有限责任公司大平煤矿，河南登封 452470）

我国煤矿多为高瓦斯矿井，开采过程中煤与瓦斯突出灾害时有发生，且易造成严重的瓦斯事故。传统意义上往往通过力学方法促进煤层增透，采用注水注氮驱动、高压水力冲孔、压裂、割缝和交叉钻孔等措施，但受地质构造和技术条件的局限性较大，虽能暂时提高抽放效率，但费用较大且耗费大量人力和物力[1-2]。因此，国内外学者开始探索通过一种非力学方法来激励促进煤层瓦斯的放散[3-5]。其中，何学秋、张力等[6-7]研究了外加交变电场对瓦斯气体吸附特性的影响，认为交变电磁场下通过提高煤瓦斯系统的温度，降低了煤表面的吸附势阱深度，使得吸附量降低，放散速度加强，渗透率升高；同时，在研究的过程中发现电磁场对瓦斯吸附放散的影响具有时间效应，一方面它不随电磁场的消失而消失，另一方面又随着重复吸附次数的增加而衰减；刘明举[8]研究发现了交变电磁场作用后煤样罐中瓦斯压力在一段时间内依然不变，出现了类似的时间效应现象，但影响该现象不是永久性的，仅仅在一段时间内有效。在静电场方面，李成武，雷东记[9-10]研究了静电场对煤放散瓦斯特性影响，发现随着电压的升高煤瓦斯放散初速度而变大（变小），在某一特征电压下达到最大值，其后逐渐趋近平缓，实验还发现煤在静电场后保持一定的时间记忆效应。前人主要探究了不同电场作用对不同煤体瓦斯吸附解吸的影响与作用，仅仅指出了在电场作用后煤体仍保持着记忆效应，并没有对其进行相关的机理分析。因此，在总结前人的基础上进行外加静电场作用下煤体瓦斯放散特征电压判识，并重点研究在特征电压作用下探究瓦斯放散初速度在煤体记忆过程的变化特征，进而揭示记忆效应以及改性机理等核心问题。

1 实验系统

自行构建并设计静电场下含瓦斯煤体放散实验系统，瓦斯放散电场效应的实验装置如图1。采用型号为EST802 静电放电发生器为实验提供0、4、8、12、16 kV 恒定电压，以导电性能较好的紫铜为电极板；通过WT-1 型瓦斯扩散速度测定仪对静电场处理前后的煤样瓦斯放散特性进行采集，并记录相关实验数据。

图1 瓦斯放散电场效应的实验装置Fig.1 Experimental equipment of electric field effect of gas emission

实验煤样取自四侯矿的无烟煤和麒麟矿的贫煤。各矿选取1 号、2 号2 份煤样，其中1 号煤样为各矿原生结构煤进行取样，2 号煤样为各矿区域构造煤进行取样，每个煤样分A、B 2 组平行样。将煤样进行粉碎，筛取粒度为0.2～0.25 mm 的煤样，每个试样重3.5 g，其中A 组进行静电场下煤体瓦斯放散特征电压的判定，B 组进行在特征电压下瓦斯放散初速度（单位mmHg，1 mmHg=133.3 Pa）在煤体记忆过程的变化特征实验。将制备好的煤样进行干燥，称重后将其密封保存。煤样密度及工业分析见表1。

表1 煤样密度及工业分析Table 1 Coal samples density and industrial analysis

2 实验结果

2.1 煤样放散瓦斯电场响应特征

为了研究不同变质程度煤体在静电场下放散瓦斯的电场响应特征，选用四侯煤矿和麒麟煤矿中1号、2 号煤样的A 组平行样。在常温常压的情况下，分别设定0、4、8、12、16 kV 的不同特征电压进行实验，分析静电场下放散初速度与施加电压存在的关联，对测得的数据进行分析得出如下结果：研究发现，电压为0～8 kV，均为上升过程且增幅明显，8～16 kV 区间均为波动状，且变化幅度有所降低，最终趋于较稳定状态。这表明施加不同电压均对煤样瓦斯放散初速度具有促进的效果，但随着施加电压的增大，在达到一定特征电压后，瓦斯放散初速度有所回落，且趋于平缓，仍保持高于未加电时的状态。

不同煤样电场响应特征图如图2。由图2 可知，静电场可以明显作用于瓦斯放散初速度的放散，无烟煤和贫煤加电后的瓦斯放散初速度△p 相对于加电前均有增大，且趋势变化不同，说明不同变质程度煤样静电场下的响应特征也不相同，但在电压8 kV 时，不同煤种均表现出较高的瓦斯放散初速度，因此将其作为优势特征电压进行记忆效应实验。

图2 不同煤样电场响应特征图Fig.2 Electric field response characteristics of different coal samples

2.2 含瓦斯煤体的放散初速度时间记忆响应

通过实验研究了解煤体不同电压下瓦斯放散响应特性后，选用1 号、2 号煤样中的B 平行样，选择各煤样电场响应变化幅度最大的8 kV 优势特征电压进行不同加电时间下瓦斯放散特性效果试验，实验测定了常温常压下不同变质程度煤样在加电时间为0、2、4、6、8、10、12 h 瓦斯放散初速度△p 并对未加电压后的6 h 进行了放散初速度的测定，得到了施加静电场后煤体仍作用于瓦斯放散的时间记忆效应特征。8 kV 电压下不同煤样时间记忆效应特征图如图3。

图3 8 kV 电压下不同煤样时间记忆效应特征图Fig.3 Time memory effect of different coal samples under 8 kV voltage

对无烟煤和贫煤的瓦斯放散初速度在特征电压作用下研究发现，不同加电时间对瓦斯放散也具有一定的影响，呈波动状且随着加电时间增加煤样瓦斯放散能力构造煤均高于原生结构煤；在撤掉外加电压后，瓦斯放散初速度仍能够保持增大（减小）趋势，且放散初速度值均保持高于未加电场时的状态。

可以得出，不同变质程度和破坏类型煤样均受加电时间影响放散初速度有所变化，随加电时间增长呈现波动状变化且规律性不强，但可以明确的是会对煤样放散瓦斯能力产生一定的增强（减弱）。同时，加电时间结束后，煤样的瓦斯放散初速度仍能够保持继续增加（减小）趋势，且其值均大于未加电时的瓦斯放散初速度，使得煤体能够保持施加电压时的状态，产生记忆效应，继续作用于对瓦斯的放散，增大煤样放散瓦斯的能力。

同时，根据图3 时间记忆效应阶段对比不同变质程度煤样的原生结构煤与构造煤发现，无烟煤经过电场作用后相较于未加电场在时间记忆效应内，瓦斯放散初速度增长均在5%～9%之间，原生结构煤与构造煤变化量没有明显的区别；而贫煤则变化非常明显，其中原生结构煤在记忆效应内变化在5%～8%，而构造煤则变化13%～18%，这也反映出电场对不同变质程度和破化程度煤影响具有差异。

3 记忆效应及改性机理

3.1 煤体电场记忆效应

煤样吸附瓦斯的本质是煤表面分子与瓦斯气体分子之间存在作用力（德拜诱导力和伦敦色散力）相互吸引的结果，煤体吸附能力的强弱以表面吸附势阱深度表现出来[11]；而从微观角度来看，煤吸附瓦斯是源于瓦斯气体分子与煤体表面分布的电位基团间存在电引力作用，牵引瓦斯分子吸附于煤体表面。前人在研究中发现煤体表面化学结构是由相同或相似的煤分子片段（相同或相似的苯环骨架及侧链）组成的集合体[12]，煤表面的化学特性及离子、分子间的相互作用主要受表面极性官能团控制，随变质程度的增加，煤中大分子结构缩合度也会增加。同时，正是由于这些极性官能团使得煤分子原子核内部正负电荷发生错位，导致煤体表面电位分布不均匀，而煤体吸附瓦斯特性、电场磁化效应、瓦斯放散记忆效应等均是煤体本身微观性质引起的。

利用电场作用对煤体改性已初见端倪，一方面电场作为能量流改变价电子的势能、动能、分布等，另一方面通过电场开放出现物质流[13]。煤样本身属于能量开放和物质孤立系统，系统价电子总量恒定，与物质之间只有能量流，不存在物质流。煤体施加电场，煤样与电源接通，电子结构的改变使晶界和空位等结构随之发生相应变化，价电子浓度下降，出现瞬间物质流，系统与环境之间出现物质流和能量流，属于物质开放和能量开放系统。唯象理论表明，电场具有阻碍溶质、空位簇聚于晶界，增强晶内溶质固溶能力，强化晶界效应[13]。通过外加电场强化煤体表面间电位信号，宏观引起煤体孔隙尺寸引起变化，发生塑性损伤，同时使孔隙数量有所增加，提高瓦斯吸附量，而煤表面产生的电位信号较初次条件下的电位信号相比产生记忆效应。煤体放散瓦斯时间记忆效应表现为撤掉电场后煤体放散瓦斯能力仍强于初始状态，电场对煤体造成的塑性损伤是引起记忆效应的根本原因。

3.2 改性机理

煤与瓦斯均为电介质，煤体在静电场作用后仍会整体呈现出带静电状态，煤分子与瓦斯气体分子之间的作用势依然被提高，使煤和瓦斯分子的引力增加，导致煤表面的吸附势阱增加，从而可引起吸附量增加，使煤体内部瓦斯压力梯度增大进而对放散瓦斯具有促进作用。静电吸附瓦斯原理是基于电场下煤电介质发生极化现象，煤为极性大分子，煤基质表面的偶极子或含氧官能团等极性基团在电场下会发生转向极化，造成吸附瓦斯位间电负性增强，煤分子极性得到增强，利于对瓦斯的吸附。在电介质物理学中，经典模型对于电介质在电场中具有以下线性关系：

式中：P 为介质中某一点的极化强度；χe为电介质的电极化率；ε0为真空介电常数是1 个定值；E 为该点处的总场强。

当煤电介质在静电场作用下，施加电场强度为E0，则会在煤体内部产生E0的场强，根据式（1）可知：

式中：P0为施加场强为E0时介质中的极化强度；E0为煤体内部的场强。

但此时的P0并非为煤体内部最终的极化强度，因为式E0中并不包含煤在被极化后极化电荷产生的激发电场，极化电荷产生的激发电荷场强E1为[14]：

式中：E1为极化电荷产生的激发电荷场强。

而产生的激发电场E1同时也会作用于煤体，再次引起煤电介质的进一步极化：

式中：P1为内部场强为E1时介质的极化强度。

同理，每次极化后产生的激发电场P2、P3、…、Pn均会引起下一次的极化，这样循环下去，则第n 次极化电场场强为：

式中：E2、…、En为叠加极化电荷产生的激发电荷场强。

根据上式可知煤电介质在极化后产生的极化电荷也会产生激发电场并改变内部电场的分布，而重排后的极化电荷的电场反过来又作用于电介质，如此循环往复，直到达到最终的极化状态[15]。因此认为，在撤掉静电场后，由极化电荷构成的激发电场在一定的时间内仍有电导电流和极化电流的存在，会继续影响煤体瓦斯的放散初速度，并保持着高于未加电场时的状态。