王轶波 李红涛 齐黎明

(华北科技学院安全工程学院,河北省三河市,101601)

低温条件下煤体瓦斯解吸规律研究

王轶波 李红涛 齐黎明

(华北科技学院安全工程学院,河北省三河市,101601)

实验研究了3个不同温度条件下的煤体瓦斯解吸规律,结果表明,在常温下,煤体瓦斯解吸量的增加趋势随着时间逐渐减缓,即瓦斯解吸速度随时间缓慢下降;冷冻后恒温条件下的解吸规律与常温下大致类似,所不同的是解吸量相对较小;冷冻后变温条件下的解吸量与解吸时间平方根之间基本呈线性关系,证明在低温条件下煤体瓦斯解吸速度比常温下和变温条件下慢许多。

瓦斯防治 低温瓦斯解吸 临界温度

目前测定煤层瓦斯含量使用最多的方法是直接测定法,直接测定法中瓦斯损失量的计算依赖于钻屑瓦斯解吸规律。通过解吸规律推算出来的损失量会存在一定误差,损失量越大,误差也会越大。目前众多学者提出若干假想并进行了大量的科学研究,以减小损失量降低测定误差,提高瓦斯含量测定的准确性。温度是决定气体分子的运动状态的主要因素,其对甲烷从煤体中的释放起着非常重要的作用。煤体温度降低后,瓦斯分子的动能势必减小,为掌握低温条件下瓦斯解吸规律,本文设计实验并对此进行了研究。

1 实验设计

煤体低温瓦斯解吸实验的基本原理是先将吸附瓦斯的煤体冷冻,然后在设定温度状态下让其自然解吸,测定不同时间的解吸量。

根据实验原理,该实验主要包括以下步骤:准备煤样→干燥→抽真空→煤样在常温下高压吸附瓦斯→冷冻→解吸并记录相关数据。实验装置见图1。

图1 冷冻煤样解吸实验装置图

本实验用煤样取自阳泉市燕龛煤炭有限责任公司程庄煤矿9#煤层,煤样基本参数:瓦斯放散初速度为1.96 kPa;水分0.27%～0.35%、灰分15.21%～20.83%、挥发分13.74%～15.42%;煤样有明显层理,稍有弯曲现象,属于Ⅰ类非破坏类型;孔隙特征为小孔容积和小孔表面积所占比例最大分别为53.07%和48.84%,其次为微孔、大孔、中孔、可见孔,总孔隙体积为0.0309 cm3/g;瓦斯吸附常数a=22.79,b=1.47。在实验室破碎后,选取粒度为0.17～0.25 mm的煤样200 g,烘干后,装入煤样罐并密封,为防止煤粒飞溅,在其表面敷设一层薄脱脂棉。

将实验分成3组,测试环境为常温常压。每组实验煤样的初始条件均相同,即:常温下打开高压气罐向煤样罐充气,充气完毕后,关闭高压气罐,让其自由吸附约7 h,最终平衡压力为0.85 MPa,煤样瓦斯含量11.47 m3/t。

实验过程中,第1组煤样不冷冻,在常温下进行解吸;第2组煤样为变温解吸,先将煤样冷却至-36℃,然后开始解吸,在解吸过程中,煤样罐暴露于常温环境;第3组煤样在纯低温条件下解吸,将煤样冷冻至-36℃后,在解吸过程中,煤样罐一直处于-36℃的低温浴槽中。

2 实验数据分析

实验过程主要记录测定时间和量管读数。根据它们推算出观测时间、水柱高度及解吸时间平方根,并最终计算出解吸气体体积。数据结果见图2。

图2 不同条件下煤样解吸随时间变化

煤样常温条件下解吸:

煤样冷冻后变温条件下解吸:

煤样冷冻后恒温条件下解吸:

由变温解吸拟合多项式和决定系数可见,x2项系数接近0,而R2接近于1,即变温解吸规律接近于线性规律;常温解吸和全冷冻条件下恒温解吸的R2值都较大,说明曲线拟合较好,基本符合二次多项式规律,而全冷冻条件下恒温解吸拟合多项式中x2项系数绝对值大于其在煤样常温解吸中的绝对值,且其系数均为负值,说明在一定时间内冷冻条件下恒温解吸量要小于常温解吸量,而且随着时间的增加其差距会越来越大。

图3 不同条件下的煤样解析曲线

由图3可以看出,在常温下,煤体瓦斯解吸量的增加趋势随着时间逐渐减缓,即瓦斯解吸速度随时间缓慢下降;冷冻后恒温条件下的解吸规律与常温下大致类似,所不同的是解吸量相对较小;冷冻后变温条件下的解吸量与解吸时间平方根之间基本呈线性关系。

经分析,在变温解吸过程中随着解吸时间增加,一方面,煤体瓦斯含量逐渐降低,则解吸速度也自然降低,另一方面,由于导热,煤体温度上升,这使得解吸速度增加,综合来看,解吸量随解吸时间平方根呈线性增长;冷冻后,变温与恒温相比,初始解吸量基本相同(约2 min之内),随着解吸时间增长,二者的差距逐渐拉开;常温和冷冻变温相比,初始解吸量是前者较大(约4 min之内),但随着时间增加,后者逐渐占优势,这与冷冻后瓦斯压力降低、初始30 s内释放瓦斯量相对较少有关。

3 实验结果的应用

根据实验结果可知,煤体在低温冷冻条件下的解吸速度比较低(冷冻后 恒温条件),由此可见,通过预先冷冻待取煤样,可降低瓦斯损失量,提高瓦斯含量测定的准确程度。

但是,当待取煤样被预先放置在取芯筒里的冷冻剂中冷却后,由于导热作用,煤样不能一直保持恒定不变的温度,在采样过程中,它的温度会逐渐升高,这也就是冷冻后变温解吸。因此,它的解吸规律也就与冷冻后变温条件下的解吸规律类似。

根据冷冻后变温条件下的解吸规律,如果取样过程在4 min内完成,则可减少取样过程中的瓦斯损失量,若再考虑初始30 s内的瓦斯释放量差异,则效果会更明显。根据瓦斯含量测定的有关规定,工作面钻孔煤屑解吸法的取样时间为3 min,由此可见,通过钻取冷冻煤样进行瓦斯含量测定,可有效降低取样过程中的瓦斯损失量,从而提高瓦斯含量测定的准确程度,冷冻取样法测定煤层瓦斯含量为未来瓦斯含量测定研究的一个新方向。

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Study on gas desorption law of coal mass at low temperatures

Wang Yibo,Li Hongtao,Qi Liming
(School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Sanhe,Hebei 101601,China)

The gas desorption laws of coal mass were studied at three different temperatures.The results showed that the gas desorption speed gradually slowed down with time.The law of gas desorption at constant temperature after freezing was similar to that at ambient temperature.The difference was less gas desorbed.The gas quantity desorbed at variable temperatures after freezing was linear to square root of desorption time,indicating that the desorption speed at lower temperature was slower than that at ambient and variable temperatures.

gas control,gas desorption at low temperature,critical temperature

TD712.5

A

王轶波(1973-),男,内蒙古鄂尔多斯人,硕士,华北科技学院讲师,从事矿山安全方面的研究工作。

(责任编辑 梁子荣)