不同粒径混合煤样瓦斯解吸动力特性研究

马兴莹 龚选平 成小雨 程成 李德波

摘要：目前關于瓦斯解吸动力特性的研究主要集中在单一粒径煤样，而对于不同粒径混合煤样瓦斯解吸动力特性的研究较少。针对该问题，利用含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统，将（0，0.25）mm、[0.25，0.5）mm、[0.5，1]mm 3种粒径煤样按照不同比例混合，开展了不同粒径混合煤样瓦斯解吸实验，分析了不同粒径煤样占比条件下的瓦斯解吸量、扩散系数及解吸衰减系数等瓦斯解吸动力学参数变化特征。结果表明：①不同粒径混合煤样瓦斯解吸过程中，前期影响瓦斯解吸量的主要因素是粒径大小，后期影响瓦斯解吸量的主要因素是煤样中不同粒径煤样占比大小；小粒径煤颗粒占比越大，煤样瓦斯解吸量越大。②不同粒径混合煤样瓦斯扩散系数具有时变性，随着瓦斯解吸时间增加，瓦斯扩散系数呈衰减态，最终趋近0；初始瓦斯扩散系数随小粒径颗粒煤占比的增加而减小；③小粒径颗粒煤占比越大，瓦斯解吸衰减系数越大。因此，在井下瓦斯含量测定过程中，获取的煤样中应尽可能提高大粒径颗粒煤的占比，以降低取样过程中瓦斯损失量，提高瓦斯含量测定的准确度。

关键词：瓦斯解吸；粒径；解吸量；扩散系数；解吸衰减系数

中图分类号： TD712    文献标志码： A

Study on gas desorption dynamic features of mixed coal samples with different particle sizes

MA Xingying1， GONG Xuanping1， CHENG Xiaoyu1， CHENG Cheng1， LI Debo2

（1. China Coal Energy Research Institute Co.， Ltd.， Xi'an 710054， China；

2. China Coal Xinji Energy Co.， Ltd.， Huainan 232000， China）

Abstract： Currently， research on the dynamic features of gas desorption mainly focuses on single particle size coal samples. There is less research on the dynamic features of gas desorption of mixed coal samples with different particle sizes. To solve this problem， a multi field coupled seepage desorption experimental system is used to mix coal samples with three different particle sizes （0，0.25） mm， [0.25， 0.5） mm， and [0.5， 1] mm in different proportions. Gas desorption experiments are conducted on mixed coal samples with different particle sizes. The changes in gas desorption kinetic parameters such as gas desorption amount， diffusion coefficient， and desorption attenuation coefficient are analyzed under different particle size coal sample proportions. The results indicate the following points.① During the gas desorption process of mixed coal samples with different particle sizes， the main factor affecting the gas desorption amount in the early stage is particle size. In the later stage， the main factor affecting the gas desorption amount is the proportion of coal samples with different particle sizes. The larger the proportion of small coal particles， the greater the amount of gas desorption in the coal sample.② The gas diffusion coefficient of mixed coal samples with different particle sizes exhibits temporal variability. As the gas desorption time increases， the gas diffusion coefficient decreases and eventually approaches 0. The initial gas diffusion coefficient decreases with the increase of the proportion of small particle coal. ③ The larger the proportion of small particle coal， the greater the attenuation coefficient of gas desorption. Therefore， in the processof underground gas content measurement， the proportion of large particle coal in the coal samples obtained should be increased as much as possible to reduce gas loss during the sampling process and improve the accuracy of gas content measurement.

Key words： gas desorption; particle size; desorption amount; diffusion coefficient; desorption attenuation coefficient

0 引言

随着我国煤层开采深度的增加，煤与瓦斯突出灾害治理难度增大[1]。煤层瓦斯含量测定结果准确与否直接影响矿井防突措施的有效性，制约矿井安全生产[2-3]。我国煤层瓦斯含量测定方法主要分为间接法和直接法。利用间接法测定煤层瓦斯含量时，测定步骤较为繁琐，测定时间长，且瓦斯压力的原位测定易受井下环境影响[4]。直接法具有测定方法简单、作业工程量小、测定周期短等优点[5]，目前被广泛应用。直接法测定的瓦斯含量由损失量、现场解吸量和残余量3个部分组成，其中损失量受取样过程中煤样瓦斯解吸规律的影响，直接影响瓦斯含量测定结果的准确性，而瓦斯解吸规律与瓦斯解吸动力特性密切相关。

影响瓦斯解吸动力特性的因素众多[6-9]，其中煤样粒径是主要因素之一。文献[10]采用核磁共振实验和高压瓦斯等温吸附实验，测定不同型煤粒度对瓦斯吸附特性的影响，结果表明型煤平均粒度越小，吸附瓦斯总量越大，瓦斯吸附常数及瓦斯吸附饱和度均与粒度大小呈负相关关系。文献[11]在等温等压条件下开展了煤的瓦斯解吸实验，得出瓦斯解吸量与粒径呈反比，随着粒径的增大，瓦斯在煤粒内部扩散阻力增大，瓦斯扩散能力减弱。文献[12-14]研究认为无论颗粒煤粒径大小，其瓦斯解吸量均随时间延长而增加，但当颗粒煤粒径大于极限粒径后，粒径的增加对瓦斯解吸量基本无影响。文献[15]基于经典扩散模型研究发现，瓦斯扩散率随粒径减小而增加。文献[16]通过现场测试分析采落煤与放落煤的粒度分布，发现煤体粒度越小，瓦斯涌出速度越快。文献[17-18]采用动扩散系数模型研究发现，粒度毫米级煤样的单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度增大呈减小趋势。文献[19]通过瓦斯等温吸附解吸实验发现，增加煤样的吸附压力或降低煤样粒度，均会引起瓦斯解吸量和解吸速度的增大。

上述研究主要针对单一粒径煤样瓦斯解吸动力特性，而煤层瓦斯含量测定直接法需定点取样，受煤层赋存条件影响，所获取煤样是由不同粒径的颗粒煤组成。因此，本文采用含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统，开展不同粒径混合煤样条件下瓦斯解吸实验，分析实验过程中瓦斯解吸量、扩散系数及解吸衰减系数等瓦斯解吸动力学参数变化特征，为瓦斯含量测定过程中煤样的选择与测定结果的修正提供理论依据。

1 实验方案

1.1 实验系统

实验采用自主研发的含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统，该系统主要由真空脱气系统、恒温控制系统、吸附解吸系统和数据采集系统组成，如图1所示，可实现不同粒径煤样在不同气体压力条件下的吸附解吸实验。

1.2 煤样制备

煤样取自中煤华晋集团有限公司王家岭矿。煤样采集后放入密封袋并充入氦气保存，在实验室将煤样筛分成粒径为（0，0.25）mm、[0.25，0.5）mm、[0.5，1] mm 的颗粒煤，并使用磨口瓶保存。为减少煤样中水分和灰分对实验结果的影响，将筛分好的煤样干燥12 h。煤样基本物性参数见表1。

将筛分好的（0，0.25）mm、[0.25，0.5）mm、[0.5，1] mm 粒径煤样按照不同比例混合，分为6组，见表2。

1.3 实验过程

将煤样罐置于30℃恒温水浴中进行吸附解吸实验，选择瓦斯吸附平衡压力为1.5 MPa，研究不同粒径混合煤样的瓦斯解吸规律及解吸动力学参数。实验操作过程：①将装有煤样的煤样罐连接阀门和管路，使用氦气检查装置气密性。②对煤样罐和管路进行真空脱气，当真空计显示为20 Pa 以下时，认为真空脱气完成。③打开吸附阀门，调节减压阀压力为1.5 MPa，使煤样罐中的煤样在该条件下吸附24 h，当煤样罐中压力在8h 内保持不变时，即认为煤样已完成瓦斯吸附。④打开解吸阀门，进行解吸实验，记录瓦斯解吸量等數据（设定数据采集时间间隔为5 s）。⑤更换煤样罐中的煤样，重复步骤①?步骤④，完成其他煤样吸附解吸实验。

1.4 实验数据处理

将实验实测的瓦斯解吸体积换算成标准状态（压力为101.325 kPa，温度为273.15 K）下的解吸体积[20]。

式中：Qt 为标准状态下单位质量煤样瓦斯解吸量， cm3/g；Ts 为解吸时水柱温度，K；P0为大气压力，Pa； Hs 为量筒内的水柱高度，mm；Pb 为 Ts 条件下饱和水蒸气压力，Pa；Qs 为实验条件下测得的单位质量煤样瓦斯解吸量， cm3/g。

单位质量煤样的极限瓦斯解吸量为

式中：P 为瓦斯吸附平衡压力，MPa；n 为系数；T1为测定瓦斯吸附常数 a，b 值时的温度，K；T 为煤样实验吸附瓦斯时的温度，K；T0为煤样实验解吸瓦斯时的温度，K；Mad 为煤样中水分含量，%；Aad 为煤样中灰分含量，%。

2 实验结果及分析

2.1 不同粒径混合煤样瓦斯解吸量

不同粒径混合煤样瓦斯解吸量随时间变化曲线如图2所示。

从图2可得以下结论：

1）解吸初始阶段（500 s 以内）的瓦斯解吸量占整体解吸量的50%～70%。之后，瓦斯解吸速度逐渐放缓且解吸量曲线逐渐趋于平稳。不同粒径混合煤样瓦斯解吸量曲线在解吸前期形成交叉，说明在解吸前期影响解吸量的主要因素是煤样粒径大小。这是由于小粒径颗粒煤的瓦斯扩散路径较短且简单，同时小粒径颗粒煤的孔隙结构也更简单，解吸初始阶段更容易使吸附在煤基质中的瓦斯解吸扩散到外部环境中。

2）解吸2000 s 时，煤样 H1瓦斯解吸量为 11.68 cm3/g，煤样 H2瓦斯解吸量为9.99 cm3/g，煤样 H3瓦斯解吸量为9.52 cm3/g，即在解吸后期，小粒径颗粒煤占比高的煤样瓦斯解吸量明显高于小粒径颗粒煤占比低的煤样，说明在解吸后期粒径占比对解吸量的影响起主要作用。这是由于粒径的变化改变了煤样初始状态结构，孔容也随之发生变化[21]。粒径越小，煤样的孔容越大，相同吸附压力条件下瓦斯吸附量越多，解吸时同等吸附压力条件下，解吸时间越长，瓦斯解吸量也越多。

2.2 不同粒徑混合煤样瓦斯扩散系数

不同粒径混合煤样瓦斯扩散系数随时间变化曲线如图3所示。

从图3可得以下结论：

1）不同粒径混合煤样瓦斯扩散系数均随时间增加而逐渐减小，最终趋近0。究其原因，当煤样中瓦斯在解吸初始阶段时，气体首先通过表面孔隙扩散，然后通过煤基质的内部孔隙和一个较长的扩散通道，在此期间需要克服一定的阻力；当煤样中瓦斯解吸一段时间后，表面孔隙和基质内孔隙的压力不断降低，导致煤基质压缩和孔隙变形减小，因此在瓦斯扩散的后期，气体扩散阻力大大增加，瓦斯扩散系数降低并逐渐趋向于0。

2）不同粒径混合煤样初始瓦斯扩散系数从大到小的排序为 D3＞H3＞H2＞D2＞H1＞D1，说明初始瓦斯扩散系数随小粒径颗粒煤占比的增加而减小。这是由于瓦斯扩散系数大小主要受有效扩散面积的影响，小粒径颗粒煤比大粒径颗粒煤有更大的比表面积，有效扩散面积增加导致扩散系数减小。

不同粒径混合煤样瓦斯扩散系数见表3。可看出煤样 D3瓦斯扩散系数衰减最明显，从实验开始至结束，煤样 D3瓦斯扩散系数衰减了2个数量级，其他煤样瓦斯扩散系数衰减了1个数量级。

2.3 不同粒径混合煤样瓦斯解吸衰减系数

不同粒径混合煤样瓦斯解吸衰减系数变化曲线如图4所示。

从图4可看出，不同粒径混合煤样衰减系数从大到小的排序为 D3＞H1＞D2＞H2＞H3＞D1，说明小粒径颗粒煤占比越大，瓦斯解吸衰减系数越大，对瓦斯损失量的影响越显著，越不利于对瓦斯含量的准确测定。这是由于随着瓦斯解吸的进行，煤样内孔隙压力不断降低，导致煤基质压缩和孔隙结构发生变形，小粒径颗粒煤内部小孔和微孔变得更小，由原来的开放孔变为封闭孔；同时煤样粒径越小，瓦斯在孔隙中的扩散长度也越小。

因此，在井下瓦斯含量测定过程中，获取的煤样中应尽可能提高大粒径颗粒煤的占比，以降低取样过程中瓦斯损失量，提高瓦斯含量测定的准确度。

3 结论

1）不同粒径混合煤样瓦斯解吸过程中，前期影响瓦斯解吸量的主要因素是粒径大小，后期影响瓦斯解吸量的主要因素是煤样中不同粒径占比大小；小粒径煤颗粒占比越大，煤样瓦斯解吸量越大。

2）不同粒径混合煤样瓦斯扩散系数均随时间增加而逐渐减小，最终趋近0，瓦斯扩散系数具有时变性；初始瓦斯扩散系数随小粒径颗粒煤占比的增加而减小。

3）小粒径颗粒煤占比越大，瓦斯解吸衰减系数越大。因此，在井下瓦斯含量测定过程中，获取的煤样中应尽可能提高大粒径颗粒煤的占比，以降低取样过程中瓦斯损失量，提高瓦斯含量测定的准确度。

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