电场实时加载下煤层气解吸-扩散特性实验研究

2024-02-12雷东记

煤矿安全 2024年1期

周勇，雷东记

（1.国家能源集团乌海能源有限责任公司，内蒙古乌海 016000；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000）

煤炭是我国重要的能源，占我国一次能源构成56% 左右，是国家经济和社会发展的基础[1]。虽然我国煤矿总储量大，但分布广泛，其中大多数煤田为低透气性煤层，煤层渗透率低，开采难度大。为了消除矿井煤与瓦斯的突出危险性，提高煤层的透气性，目前国内外主要通过水力压裂、水力割缝、注气、预裂爆破、水平井技术、物理场激励等[2-7]增渗技术来提高煤层气的抽采率。姜永东等[8]、宋晓[9]针对声波作用对煤体瓦斯吸附解吸特性、渗透性、解吸-扩散特性等进行研究，结果表明：声场作用下煤体吸附能力下降，且随着施加声场的增大呈线性下降的规律，声场作用与未加声场作用煤体瓦斯解吸规律相似，均为初始解吸速度较大，随着时间的增长，瓦斯解吸速度逐渐减小，但声场下总解吸量仍大于未加声场的量；雷东记等[10]通过研究外加静电场激励煤体瓦斯快速解吸，得出煤样的变质程度与施加场强的大小对瓦斯解吸特性存在关联，归因于电场作用下煤体内瓦斯分子发生极化效应进而会影响煤样瓦斯解吸-扩散特性；赵勇[11]利用自制低频激振瓦斯吸附解吸实验系统，探究了不同频率下煤体吸附性能变化规律，结果表明，受振频率为10 Hz 时，会促进瓦斯的吸附，20、30 Hz 下抑制吸附，煤瓦斯吸附饱和与未饱和状态下的吸附性能响应特征并不相同；何学秋[12]实验研究了交变电磁场对煤体吸附性能的影响特征，结果表明，交变电磁场不但能够减弱煤体的吸附性能，而且使得煤体内瓦斯分子的动态特性变得活跃，提高了瓦斯扩散，增加了煤体渗透性；于永江等[13]研究得出：超声波引诱热效应，会导致煤-煤层气系统温度升高，引起煤分子和煤层气分子的热运动加剧，动能增大，促进煤层气分子脱附，提高煤层气解吸率；胡国忠等[14]实验研究了可控源微波强化下煤体解吸扩散特征，分析了微波场下煤体的损伤效应与电磁辐射热效应，结果表明：一方面可控源微波场能够将电磁能转化为煤体内能，促进煤体内瓦斯的解吸扩散，另一方面，微波场强化下煤基质会发生失水收缩、矿物界面分离、产生新的孔洞等，引起煤体内部气相体积增大、孔隙变大、裂隙得到扩展等，有利于瓦斯的解吸性能；周晓亭等[15]采用电脉冲技术对煤样品进行实验，探究对煤体渗透性能的影响，结果表明，电脉冲重复加载次数越多，煤体微裂隙密度越大，产生的新裂隙也越多，可以极大促进煤储层的渗透性能，并指出脉冲电下煤体破坏包括微裂隙产生阶段、微裂隙发育和强化阶段、煤岩解体阶段3 个阶段。

综上所述，声场、电磁场、振动场、微波场、超声波、电脉冲等对煤层气的解吸扩散特性都有显著的影响。而目前电场下煤体研究主要集中于吸附性、渗透性及瓦斯放散初速度特性，而鲜有煤体瓦斯扩散特性的研究。基于此，采用自主研发的电场加载下的煤层气解吸-扩散装置，实验研究不同的电场强度下的煤层气的解吸-扩散规律，结合幂函数扩散模型计算不同电场强度作用下煤层气扩散系数的变化特征，从而揭示电场对于提高煤层气抽采率的机理。

1 实验设备及方法

1.1 实验设备与煤样制备

实验选用自主研发的电场加载下煤层气解吸-扩散测定装置。电场作用下煤中甲烷解吸-扩散装置示意图如图1。装置由真空抽气、气体吸附、温度控制、电场控制和瓦斯解吸测定等5 个单元构成，能够测定不同场强下煤层气解吸-扩散量。电场控制单元采用自制的直流电源，可以提供0、30、60、90 kV/m 等不同的场强；恒温箱提供实验温度恒定在（30±0.5 ）℃范围内。

图1 电场作用下煤中甲烷解吸-扩散装置示意图Fig.1 Schematic diagram of methane desorption-diffusion device in coal under electric field

煤样选自河南省煤化集团赵固二矿原生结构煤，变质程度为无烟煤。将保存完整的块状煤样切割成50 mm×50 mm×50 mm 方形块状煤样；切割后将剩余的煤块经过破碎机进行破碎后选筛取粒径为200～250 μm 的煤样。将制备好的颗粒煤样放入真空干燥箱中干燥，设置温度为75 ℃；干燥6 h 后，取出使用灵敏度较高的电子天平称取50 g为1 份，称取2 份，装入密封袋中保存。煤样基本参数为：①真密度：1.64 g/cm3；②视密度：1.49 g/cm3；③孔隙率：8.2%；④坚固性系数：1.85；⑤水分：2.18%；⑥灰分：17.97%；⑦挥发分：6.56%。

1.2 实验步骤

1）实验开始前先调节恒温箱的温度，使温度恒定在（30±0.5）℃范围内；称取50 g 干燥好的实验煤样装入煤样罐中，拧紧电场发生装置罐盖，并连接好相应的管路；再检查装置气密性，向实验系统充入压力为2.5 MPa 的氦气，关闭阀门，记录6 h 内系统气体压力是否发生变化，若保持不变则装置的气密性良好；将氦气放出，使用真空泵对参考罐、电场发生装置及连接管路等进行抽真空，待实验系统内部真空度2 h 维持在10 Pa 以下，关闭连接阀门后再关闭真空泵。

2）打开高压气瓶，向参考罐充入一定压力的气体后，由参考罐为电场发生装置进行供气，在整个吸附过程不开启高压电源。首先参考罐向电场发生装置中充入实验设定压力的气体，充气完毕后关闭对应连接阀门，使煤样充分吸附，每当压力低于实验设定值2 MPa 时，再次由参考罐为其充气，直至吸附平衡压力长时间保持在2 MPa，则吸附达到平衡，整个吸附过程不得低于12 h。

3）测定煤样解吸量。先记录实验室温度及当天大气压力值，开启高压电源并通过电压控制旋钮设定并显示输入、输出电压值；接着打开放空阀将电场发生装置内的游离气体放出，待压力表读数为0 MPa 的瞬间，打开解吸仪开关，同时点击高压电源输出开关进行供电，每隔1 min 记录解吸仪读数，实验进行120 min 后终止；再选取1份50 g 干燥好的实验煤样进行1 次完整重复实验。最后将实验记录数据进行计算与整理，依据实验分析需求进行相应图像绘制与比较。

2 实验结果

2.1 电场作用下煤体解吸特性

吸附过程均为未加电场状态且每次实验吸附平衡压力均为2 MPa，电场场强参数分别为：0、30、60、90 kV/m，主要吸附气体为：甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），实验温度为30 ℃。实验测定煤体电场下甲烷和二氧化碳在120 min 中的解吸曲线，电场加载下煤体解吸CH4曲线如图2，电场加载下煤体解吸CO2曲线如图3。

图3 电场加载下煤体解吸CO2 曲线Fig.3 CO2 desorption curves of coal under electric field loading

由图2、图3 可知：电场实时加载下的煤体解吸量曲线形状基本相同，均是解吸量前期增加的速度非常快，随后趋于平缓；不同场强下煤体解吸能力均得到了不同程度的提高，具有明显的促进作用；由于电场加载的场强不同，煤体解吸CH4和CO2的响应情况具有一定的差异性；其中，电场实时加载场强逐渐增大为30、60、90 kV/m条件下，120 min 内煤体解吸量均大于未加电场时的状态，但区别较小；而不同电场对煤体解吸CO2影响特征更加明显，随着电场场强的增大，煤体解吸CO2性能依次得到提升，且均高于未加电场的状态，对煤体促进解吸具有非常好的效果；电场加载下煤体解吸CO2比CH4前期解吸量增长更陡峭一些，但煤体解吸CO2的解吸量曲线衰减的更快一些，这可能与不同吸附质本身的特性相关。

2.2 电场作用下煤体解吸动力学分析

煤层气的解吸速率的快慢是反映煤层气解吸性能的关键因素之一，在了解不同加载电场强度对煤瓦斯解吸量影响的基础上，进一步探究电场对解吸速度的影响，进而揭示电场场强、解吸量、解吸速度三者之间的关联。电场下煤体解吸CH4解吸速度变化曲线如图4，电场下煤体解吸CO2解吸速度变化曲线如图5。

图4 电场下煤体解吸CH4 解吸速度变化曲线Fig.4 Desorption velocity curves of CH4 desorption from coal under electric field

图5 电场下煤体解吸CO2 解吸速度变化曲线Fig.5 Desorption velocity curves of CO2 desorption from coal under electric field

由图4、图5 可知：煤样在不同电场加载作用下解吸速率规律大体一致，均随着解吸时间的增大，CH4和CO2解吸速率减小，最终趋于0；煤样在解吸初期，解吸速率均下降很快，随着解吸时间增加，解吸速率趋于相同；煤样在电场实时加载下的解吸速度均得到了不同程度的增大，且在一定时间内CH4和CO2解吸速度大于未加电场时的值；电场强度为90 kV/m 时，煤体的初始解吸速度为各场强的最大值，且随着施加场强的减小，瓦斯初始解吸速度依次减弱，但均大于未加电场的状态；相比而言，电场实时加载场强30、60、90 kV/m 条件下，煤体初始解吸速度与未加电场相比，解吸CH4速率依次提升了6.9%、15.3%、14.6%，解吸CO2速率依次提升3.4%、6.7%、9.2%；在电场加载过程中，煤体初始解吸速度较大，随时间的延长，瓦斯解吸速度逐渐降低，且降幅不断减小；解吸初期不同场强之间的瓦斯解吸速度离散性较大，2 min 后瓦斯解吸速度曲线趋于重合并达到稳定值。

总体来说，电场对瓦斯解吸速度的影响可分为3 个阶段：①第1 阶段为加速期：120 s 之前解吸速度较快；②第2 阶段为缓慢期：120～240 s 解吸速度稍高于未加载电场时的解吸速度；③第3阶段为稳定期：240 s 后加电场和未加电场的解吸速度将趋于重合。因此，瓦斯解吸量的增大其中一方面是由于电场提高了CH4和CO2解吸初期的解吸速度引起的。

3 电场作用下煤中甲烷扩散特性

瓦斯扩散系数是表征煤中瓦斯解吸扩散特征的基本参数，基于菲克定律建立的含瓦斯煤体吸附解吸动力学模型是目前应用最为广泛的经典数学模型。描述瓦斯扩散过程的模型主要包括单一孔隙扩散模型、双孔隙扩散模型等，但这些模型具有一定的局限性，无法准确表达煤粒甲烷的扩散过程[16-18]。不同于传统扩散模型，幂函数扩散模型对于描述颗粒煤甲烷解吸扩散过程具有较高准确性，有利于分析甲烷解吸过程解吸量的动态变化特征。因此，选用幂函数动扩散模型研究不同强度电场加载下瓦斯扩散规律的变化特征。为探讨颗粒煤吸附甲烷的扩散规律，作出几点假设：①煤粒为各向同性的球体；②甲烷吸附为等温过程，并将甲烷气体看做理想气体；③煤体吸附甲烷过程遵从质量守恒定律及连续性原理；④吸附过程是在浓度梯度作用下进行的；⑤扩散系数D与时间t关系符合幂函数关系D（t）=atb[19]。

颗粒煤瓦斯达到吸附平衡后，煤粒内部的瓦斯浓度为c0，而当其突然暴露在大气中时，煤粒表面甲烷浓度迅速降低，其表面浓度也会降为c1，这样煤粒的内部和外部会形成一定的浓度差，从而导致瓦斯在浓度差的作用下从煤粒中心向表面进行流动。其初始条件和边界条件如下所示：

式中：a、b为常数，可通过实验数据求得；c为扩散流体的浓度，mL/g；c0为吸附平衡时的甲烷含量，mL/g；c1为1 个大气压下甲烷吸附量，mL/g；D为扩散系数，m2/s；r为极坐标半径，mm；r0为煤粒半径，mm；t为扩散时间，s。

采用变量代换法将上述方程化为一维线性流动方程，并运用分离变量法对方程进行求解，得到下列等式：

式中：Qt为t时刻的累计扩散量，mL/g；Q∞为极限扩散量，mL/g；Qt/Q∞为t时刻的累计扩散率；n为项级数。

极限扩散量Q∞为初始含气量Q与大气压下的终态含气量Qa的差值，即Q∞=Q-Qa，实验室条件下Q和Qa按下面公式计算[20]：

式中：Q为初始总含气量，cm3/g；a1、b1为可燃基吸附常数；p为吸附平衡压力，MPa；Ad为煤的灰分，%；W为水分，%；ρ为煤视密度，g/cm3；φ为孔隙率；tw为平衡温度，℃。

计算大气压下的终态平衡含气量Qa时,以常压下的平衡压力p0=0.1 MPa 代替式（3）中的压力p。

本文实验条件下，极限扩散量按Q∞=Q-Qa,扩散率按Qt/Q∞计算。

依据幂函数扩散模型中的F与t的关系式可以得出扩散系数与时间的关系式，不同场强下煤粒甲烷扩散参数见表1。不同场强间隔的动扩散系数如图6。

表1 不同场强下煤粒甲烷扩散参数Table 1 Methane diffusion parameters of coal particles under different electric field strength

图6 不同场强间隔的动扩散系数Fig.6 Dynamic diffusion coefficients with different field strength intervals

由图6 可以看出，煤体的扩散系数并不是1个常数，而是随着时间变化的，前期扩散系数较大，后趋于平缓；不同场强连续加载下，相同时间内煤体甲烷扩散系数均大于未加电场时的扩散系数，且场强越大初始甲烷扩散系数也越大；煤体内甲烷扩散前600 s 扩散系数变化较大，之后扩散系数变化基本相同。

因此，电场的加载可以显著的提升煤体初始扩散系数，与未加电场状态相比，电场强度为30 kV/m 初始扩散系数增长11.7%，电场强度为60 kV/m 初始扩散系数增长25.8%，电场强度为90 kV/m 初始扩散系数增长28.3%。由此可见，电场作用可以明显提高煤体甲烷的扩散特性，扩散系数越大，代表甲烷越容易从孔隙进入裂隙系统，也越容易解吸出来。

电场强化下煤体扩散系数具有随着场强的增大而增大的变化特征，前人在研究中发现电场作用会使煤体内瓦斯分子发生极化效应，引起煤体内微小孔的体积和比表面积增加或减小，使得煤体吸附量发生改变[10]。因此，认为电场实时加载下煤体会发生电动效应、热效应和激发极化效应，受其影响煤体一方面提高了系统内部温度与分子间的作用势，促进瓦斯扩散性能；另一方面改变了煤体孔隙结构，连通了瓦斯流动通道，减小了瓦斯扩散过程受到的阻力，促进瓦斯解吸。