西山矿区煤粒瓦斯解吸影响因素研究

雷建华

(山西焦煤集团有限责任公司 安全生产管理中心，山西 太原 030000)

瓦斯解吸时变规律的研究能为准确测定瓦斯含量和修正测定结果提供参考，指导矿井治理瓦斯。为此，国内外科研工作者进行了大量试验研究和理论分析，按照瓦斯解吸量与时间的变化关系，可将瓦斯解吸模型划分为2种：指数式和幂函数式[1-3]，此两种模型主要用以下3个指标描述瓦斯解析过程：解吸速度、累计瓦斯解吸量及使用条件，同时一部分科研工作者致力于渗透性、扩散性、孔隙度和粒度大小不同的煤样瓦斯解吸时变规律的研究，借助试验手段获得各不相同的解吸速度方程和累计瓦斯解吸量[4-5]。

虽然现阶段瓦斯解吸模型较多，但仍然存在煤样采集范围小，依据模型所得结果与实测结果相差较大，需进行结果修正[6]。此试验研究在上述基础上，从有效增加煤粒瓦斯解吸规律的精准度出发，得到具有更强普遍适用性的瓦斯解吸规律。以山西焦煤西山煤电集团有限责任公司杜儿坪矿、西铭矿、官地矿为试验对象，分别在每个矿获取新鲜煤样，达到扩大采集范围的目的；采用自主设计的煤粒瓦斯解吸试验平台，通过控制变量分析在吸附平衡压力、温度和粒度不同条件下煤粒的瓦斯解吸时变规律[7]。

瓦斯含量能否准确测量是关系瓦斯事故预防的重要手段，采用地质条件存在差异的煤样进行试验，目的是进一步提高瓦斯解吸模型的有效性、适应性，检验3个主控因素—吸附平衡压力、粒度及温度对瓦斯解吸的影响[8-9]。

1 解吸试验

1.1 试验系统

瓦斯解吸试验系统包括4个子系统(充气、真空脱气、温控、解吸控制系统)，具体如图1所示。

图1 试验系统图

充气系统主要由高压瓦斯瓶(甲烷体积分数为99.99%)、耐高压阀门及减压阀等组成；真空脱气系统主要由真空机组、真空隔膜阀、真空计及真空罐路系统等组成；温控系统主要由恒温水浴装置和控制系统组成，其中恒温水浴装置主要包括隔热棉、不锈钢板等；解吸控制系统主要由水准瓶、瓦斯气囊、三通等组成。

在煤样瓦斯吸附处于平衡状态后，开启阀门对罐体卸压10 s，随后对瓦斯解吸量进行一系列测量，并利用罐体体积和平衡状态时的压力来对瓦斯解吸量进行核算，通过数值软件将瓦斯解吸量随时间的变化曲线描绘出来。

1.2 采集煤样

在杜儿坪矿、西铭矿、官地矿等三个矿井回采工作面采集新鲜暴露煤样之后，在试验室进行工业分析，测定水分、灰分、挥发分等参数，测定结果见表1。

表1 工业分析结果

2 影响瓦斯解吸的主控因素

2.1 吸附平衡压力

在实验室统一制作煤样，保证粒度处于1～3 mm，设置温度在(40±1)℃，保持温度不变条件下，控制吸附平衡压力由0.5 MPa增加到1.5 MPa，依据试验数据绘制各煤样瓦斯解吸量随着吸附平衡压力变化曲线，如图2所示。

从图2可知，当吸附平衡压力相同时，不同煤样的瓦斯解吸量不一样。杜儿坪矿煤样当吸附平衡压力由0.5 MPa增加到1.5 MPa时，解析30 min后瓦斯解吸量由7.49 cm3/g增加到22.18 cm3/g；西铭矿煤样当吸附平衡压力由0.5 MPa增加到1.5 MPa时，解析30 min后瓦斯解吸量由9.97 cm3/g增加到24.35 cm3/g；官地矿煤样当吸附平衡压力由0.5 MPa增加到1.5 MPa时，解析30 min后瓦斯解吸量由7.18 cm3/g增加到20.06 cm3/g；表明瓦斯解吸量随着吸附平衡压力的增大而增大。

图2 各煤样瓦斯解吸量随着吸附平衡压力的变化曲线图

2.2 粒 度

煤样中本身所固有的粒度称为极限粒度，在煤样极限粒度范围内，随着粒度的增大，瓦斯解吸量和解吸速度逐步降低[10-11]。利用增大的煤样采集范围，在试验条件一致下，研究瓦斯解吸量随粒度的变化规律，从而获得极限粒度的区间，将指导测定瓦斯含量试验中选择煤粒的大小及修正结果。在杜儿坪矿、西铭矿、官地矿等3个矿井下现场采集新鲜暴露煤样开展试验，控制煤样粒度保持在0.5～1 mm、1～3 mm、3～5 mm和5～10 mm，通过控制变量法进行试验，也就是设置温度为40 ℃、吸附平衡压力为1 MPa不变，获得瓦斯解吸量随粒度的变化曲线，具体如图3所示。

图3 瓦斯解吸量随着粒度不同而变化图

通过图3可知，①同等时间条件下，煤粒粒度和瓦斯解吸量基本呈反比趋势。但当粒度增大到一定程度时，瓦斯解吸量增加幅度很小，比如3～5 mm粒度与5～10 mm粒度时，瓦斯解吸量几乎相等，此粒度即极限粒度，当煤样粒度超过极限粒度时，粒度大小对瓦斯解吸量的影响很小；②在解吸初始阶段，不同粒度的煤样解吸速度存在明显的差异，粒度越小，速度越大，当粒度增大到一定限度(极限粒度)后，吸收速度几乎不受煤样粒度范围的影响；此外，同一煤样，随着时间的推移，煤样解吸速度在逐渐降低。

在极限粒度范围内，煤粒越小，煤粒之间的空隙和表面积就越大，使得煤样内赋存的瓦斯更容易释放，煤样的瓦斯解吸量、解吸速度就越大；随着煤样粒度逐渐增大，暴露的空隙和表面积较之变小，故解吸量和速度就下降。但当煤样粒度超过极限粒度后，虽然粒度增大，其暴露表面积会减少，大粒度煤样自身会产生各种裂隙，这些裂隙又会无形中增大暴露表面积，所以在超过极限粒度后，大粒度的煤样与小粒度的煤样解吸量和解吸速度的差别不大。

2.3 温 度

控制煤样1～3 mm的粒度、1 MPa的吸附平衡压力，分析杜儿坪矿、西铭矿两个矿的煤样，设置温度条件分别为20 ℃、30 ℃、40 ℃，根据试验结果，绘制出不同温度条件下瓦斯解吸量变化图，如图4所示。

图4 温度不同时瓦斯解吸量的变化规律图

从图4可知，在相同的条件下，煤样的解吸量与温度呈正比趋势，即温度越高，解吸量越大。出现这一现象主要有两点原因：一是对于同一煤样，随着温度的升高，煤样受热膨胀，煤粒之间的空隙、表面积也会随之增大，增加了瓦斯解吸量；二是因为温度升高，分子热运动加快，赋存在煤样表面的甲烷分子动能增大，更容易从煤样吸附中逃离，从而使得瓦斯解吸量越高。

2.4 分析解吸过程

从图2～图4发现，随着时间推移，解吸曲线逐渐趋于平缓，曲线斜率代表解吸速度，也在逐渐减小；根据曲线走势，可以将曲线(解吸过程)大致分为3个阶段：前期、中期、后期。解吸前期时间为0～5 min，解吸速度较快；中期时间为5～25 min，速度逐步降低；后期时间为25 min之后，速度接近于零，即解吸过程结束；利用这一过程研究瓦斯解吸量的时变规律。

解吸前期：煤样初步暴露在解吸环境中，大量附着在煤样表面、吸附力较小的甲烷分子通过煤样孔隙快速逃离，瞬间由吸附态转变为游离态，故这一阶段的瓦斯解吸速度相对较快。

解吸中期：处于暴露面积较大且孔隙相对较大区域附近的甲烷分子基本摆脱吸附后，煤粒内部更深层处的瓦斯逐步释放，此时，需要克服更大的吸附力，且瓦斯含量相较之前更少，因此解吸速度逐渐缓慢。

解吸后期：煤样内赋存的瓦斯基本释放完毕，解吸量处于一个稳定状态，几乎不再增加，解吸速度趋于零。

3 结 语

基于自主设计的瓦斯解吸试验平台，在山西焦煤西山煤电杜儿坪矿、西铭矿及官地矿等3个矿井采集新鲜煤样，通过解吸试验研究变化规律。

1) 影响瓦斯解吸的3个主控因素—吸附平衡压力、粒度及温度中，瓦斯解吸量随着吸附平衡压力增大而增大、随着粒度的增大而减小、随着温度升高而增大。

2) 瓦斯解吸量随时间的延长逐步升高，而瓦斯解吸速度逐步降低。