高温条件下瓦斯解吸机理试验研究

张 波，谢雄刚,2*，刘锦伟

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2. 喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室，贵州 贵阳 550025；3.西安庆华民用爆破器材股份有限公司，陕西 西安 710038)

煤炭被誉为工业的粮食，对国民经济的发展起着重要的作用，也是我国最重要的基础能源之一，煤炭在所有能源中占到65.7%，预计2050年仍将占到50%以上[1-2]。然而，我国70%以上的煤系地层为低透气性煤层，其瓦斯渗透率一般为0.1～10 mD，这一特点决定了我国多数矿井属于难抽采矿井[3]。随着开采深度的增加，在反应热、地热等自然因素的影响下，煤层温度增加，加上采掘活动引起的煤层地质结构变化等多种因素，使得瓦斯在煤中的赋存状态不稳定，吸附和解吸状态随时变化，导致煤体中瓦斯压力分布不均匀，如果煤岩稳定性差时就可能出现破坏性的突出事故[4-5]，因此，研究高温条件下瓦斯的解吸原理对防治煤矿瓦斯事故具有重要意义。

温度对瓦斯在煤中的吸附解吸有显著影响，国内外学者做了大量研究，张天军[6]研究得到升高温度会使煤体瓦斯吸附量减小，该规律还与平衡压力有关，平衡压力越大变化越显著。李波波等[7]研究了水-热耦合下的三轴渗流试验，得出温度比含水率对瓦斯渗透率影响更大；马东民等[8-9]试验发现，瓦斯的解吸过程略微滞后于吸附过程，本文通过高温条件下瓦斯吸附解吸试验，试图解释温度对瓦斯在煤层中的吸附解吸影响机理。

1 试验方案

1.1 制取煤样

贵州省煤矿多处于地质条件复杂的山区地带，煤层透气性系数较低(8.7×10-6mD)，动力灾害危险性大，瓦斯含量高(10～39.89 m3/t)。试验选取了贵州省具有代表性的位于六盘水高突瓦斯带的松河煤矿突出煤样，进行系列温度点、系列充气压力下瓦斯吸附量、解吸量、解吸速率及其相关试验的研究，煤样工业分析结果如表1所示。

表1 煤样的工业分析结果Tab. 1 Industrial analysis results of coal samples

各煤样在实验室破碎、筛分后，取60～80目煤粒与适当清水混合，然后压制成尺寸为Φ25×50 mm的型煤试件。制备好的煤样在室温下放置3～5 d形成空气干燥基待用。

1.2 试验方法

试验利用华北科技学院的WCC-DCS-Ⅰ型煤体瓦斯吸附解吸实验系统，可以较好地模拟恒定高温条件下煤层瓦斯吸附解吸的过程，能够测试吸附解吸过程中瓦斯罐内的温度、压力、解吸量等值，满足高温条件下瓦斯吸附解吸规律的研究。WCC-DCS-Ⅰ型煤体瓦斯吸附解吸实验装置如图1所示，实物图如图2所示。

1-高压甲烷气瓶;2-氮气瓶;3-真空泵;4-参考罐;5-煤样罐;6-温度传感器;7-压力传感器;8-水浴加热器;9-温度控制器;10-数字压力温度表;11-量筒;12-水浴恒温箱;13-数据传输线;14-参数显示屏。

图1WCC-DCS-Ⅰ瓦斯吸附解吸实验结构图
Fig.1StructurediagramofWCC-DCS-Igasadsorptiondesorptionexperiment

图2 WCC-DCS-Ⅰ瓦斯吸附解吸实验实物图Fig.2 WCC-DCS-I gas adsorption desorption experiment physical map

将一定的氦气充入参考罐和煤样罐，并达到一定压力进行试验装置密封性测试，把储备好的煤样放入罐内，恒温水浴进行加热处理，试验所用甲烷浓度为99.9%，依据高压容积法原理，首先对试验装置进行抽真空处理，确保煤样中的水分和其他气体被全部抽出，利用99.999%的氦气标定样品罐自由空间体积，然后逐渐升高瓦斯压力，当在最高压力下达到吸附平衡后，逐渐降低瓦斯压力，测试煤样在各级瓦斯压力下的瓦斯量。

2 试验结果分析

2.1 高温吸附试验结果

高压瓦斯罐的工作压力为30 MPa，甲烷纯度为99.9%，充装压力12.5±0.5 MPa(20 ℃)；氦气纯度为99.999%，充装压力15±0.5 MPa(20 ℃)；试验进行了系列温度点(40 ℃、50 ℃、60 ℃)及系列压力点(1 MPa、1.5 MPa、2 MPa)下瓦斯吸附解吸实验，每组瓦斯吸附解吸试验开始后，立即对数字压力温度表10进行设置，设置数据记录储存时间为30 min，数字压力温度表10会自动记录吸附解吸过程中瓦斯压力变化情况。吸附过程中瓦斯量统计及计算结果如图3所示：

图3 松河矿吸附量与温度的关系Fig.3 Relationship between adsorption capacity and temperature of Songhe Mine

从图3可以看出：恒定高温试验条件下，充气瓦斯压力一定时，煤样瓦斯吸附量随着温度的增加而逐渐降低，但煤体温度50 ℃以上时，瓦斯吸附量下降缓慢；同一煤层煤样吸附温度相同时，瓦斯吸附量随着瓦斯压力的升高而增大；瓦斯充气压力为1.5 MPa及2.0 MPa时，瓦斯吸附量随温度的变化关系表现出很好的一致性。

2.2 高温解吸试验结果

温度对于瓦斯解吸作用效果比较明显，大量学者的研究结果已经证实[10-12]。然而不同的试验条件和试验过程，瓦斯解吸特征明显不同。为了研究高温条件下煤样瓦斯解吸量随时间的变化关系，分析一定充气压力下的瓦斯解吸特性，对瓦斯解吸量进行统计，发现2 h后瓦斯解吸量基本不再增加。

图4 1 MPa时瓦斯解吸量与时间关系Fig.4 Relationship between gas desorption and time at 1 MPa

图5 1.5 MPa时瓦斯解吸量与时间关系Fig.5 Relationship between gas desorption and time at 1.5 MPa

图6 2 MPa时瓦斯解吸量与时间关系Fig.6 Relationship between gas desorption and time at 2 MPa

通过对比分析同一充气压力、不同解吸温度条件下煤样瓦斯解吸量随时间的变化关系，由图4～6可以看出：煤样瓦斯解吸累积量随着时间的延长而增大，单位时间内瓦斯解吸量逐渐减小；温度越高，相同解吸时间时瓦斯解吸量越大，瓦斯初始解吸量也越大。

2.3 瓦斯解吸量随温度变化分析

为了分析不同吸附平衡压力瓦斯解吸量随温度的变化关系，对同一煤样、同一温度，不同充气量下的吸附平衡压力与解吸量进行线性关系拟合，利用线性插值法，得到0.75 MPa、1 MPa、1.25 MPa、1.5 MPa下的瓦斯解吸量随着温度的变化趋势线，如图7所示。

图7 松河矿瓦斯解吸量随温度变化关系Fig.7 Relationship between gas desorption of Songhe Mine and temperature

由图7可以看出，吸附平衡压力一定时，煤样瓦斯解吸量随着温度的升高而增大，但增长较缓慢，基本呈线性关系增长，相关系数均达到90%以上。温度一定时，吸附平衡压力越大，瓦斯解吸量越大。

2.4 瓦斯解吸速度及解吸加速度分析

为了解瓦斯解吸速度及解吸加速度在恒定温度下随时间的变化关系，对不同温度、不同充气压力下的瓦斯解吸数据进行拟合，能更加清晰的观察瓦斯解吸加速度随着时间的变化关系，对瓦斯解吸加速度扩大20倍后与瓦斯解吸速度绘制于同一张图中。图8-10为不同温度时的瓦斯解吸速度及解吸加速度随时间变化曲线。

图8 1 MPa时解吸速度和加速度随时间变化关系Fig.8 Relationship between desorption rate and acceleration with time at 1 MPa

图9 1.5 MPa时解吸速度和加速度随时间变化关系Fig.9 Relationship between desorption rate and acceleration with time at 1.5 MPa

图10 2 MPa时解吸速度和加速度随时间变化关系Fig.10 Relationship between desorption rate and acceleration with time at 2 MPa

由图8-10中的实验结果表明：在瓦斯解吸初始阶段，瓦斯解吸速度和瓦斯解吸加速度下降较快，随着解吸时间的延长，瓦斯解吸速度及解吸加速度趋于缓慢，最后趋于零。从图中可以看出，煤样从开始解吸到1 h时间里，解吸速度变化非常明显。温度越高，瓦斯解吸速度和瓦斯解吸加速度越大，证明升高温度极易促进瓦斯的解吸。

3 温度及压力对解吸速度的影响

3.1 压力与瓦斯解吸速度

吸附平衡压力为0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa，解吸温度为40 ℃、50 ℃及60 ℃下的瓦斯解吸速度进行整理，利用一次函数的性质，定义自变量x的系数为温度影响系数及压力影响系数，吸附平衡压力一定时，温度影响系数随吸附平衡压力的变化关系如图11、12所示。

通过图11可以看出，不同解吸温度下的瓦斯解吸速度随吸附平衡压力的升高而增大。从图12可以看出，压力影响系数随着温度的升高而降低，说明温度升高时，压力对瓦斯解吸速度的影响减小。

图11 瓦斯解吸速度与吸附平衡压力关系Fig.11 The relationship between gas desorption rate and adsorption equilibrium pressure

图12 压力影响系数随温度变化关系Fig.12 Pressure influence coefficient with change of temperature

3.2 温度与瓦斯解吸速度

通过图13可知，不同吸附平衡压力下的煤样瓦斯解吸速度随解吸温度升高而增大。从图14可以看出，温度影响系数随着压力的升高而降低，说明压力升高时，温度对瓦斯解吸速度的影响减小。

图13 瓦斯解吸速度随解吸温度变化关系Fig.13 Relationship between gas desorption rate and desorption temperature

图14 温度影响系数随压力变化关系Fig.14 Temperature influence coefficient as a function of pressure

3.3 不同温度下对a、b值的影响

将煤层瓦斯看成理想气体，根据朗缪尔方程和气体状态方程[13-14]，可得以下公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Qx为吸附瓦斯含量，m3/t；Qy为游离瓦斯含量，m3/t；a、b为吸附常数；C为煤质矫正参数；p为吸附平衡时的瓦斯压力，MPa；e-α(t-t0)为煤样的饱和吸附量与温度的拟合形式；A、W分别为水分和灰分；n为煤层孔隙率；ρ为瓦斯气体密度，kg/m3；M为瓦斯气体分子量；R为气体状态常数，取值为8.3143 J/(mol·K)；T为煤层温度，℃。

通过实验将不同温度下煤体对瓦斯的吸附量进行测定，结合朗缪尔等温吸附方程可得到吸附常数a、b值随温度变化的曲线，如图15所示。

图15 a、b值随温度变化图Fig.15 a, b value with temperature changes

从图15可以看出，随着温度从40 ℃向60 ℃的增长过程中，朗缪尔方程中的吸附常数a值呈现增长趋势。吸附常数b值是随着温度的变化逐渐减小，基于b值在朗缪尔吸附方程中主要是煤吸附甲烷快慢的指标，因此，随着煤层温度升高，煤对甲烷的吸附速度也相应的降低。

4 讨论

结合试验结果分析，煤基质表面分子的力场是不饱和的，其具有吸附瓦斯的潜能。煤分子和甲烷气体分子之间的作用力是范德华力，由此而形成吸引势，即吸附势阱深度Ea，煤分子和甲烷气体分子之间的引力越大，吸附量就越大。甲烷分子在吸附势的作用下，由自由状态分子转变为吸附态分子，逐渐在煤基质表面沉积下来(图16)。自由气体分子必须损失部分所具有的能量才能停留在煤的孔隙表面，因此吸附是放热的；处于吸附状态的甲烷气体分子只有获得能量Ea才能越出吸附势阱而成为自由气体分子，因此解吸是吸热的。

图16 瓦斯吸附示意图Fig.16 Schematic diagram of gas adsorption

温度升高，煤分子和甲烷分子获取大量热能，一方面甲烷分子获取较多内能，分子热运动加剧，气体粘度系数降低，同时煤分子内能增加，表面势能降低，吸附甲烷的能力降低，吸附态瓦斯获取足够的能量和机会挣脱与煤分子的分子间作用力，转化为游离态瓦斯。游离态瓦斯内能增加，虽然增加了和煤分子的碰撞几率，但由于煤分子表面势能降低，吸附瓦斯能力降低，整体表现为温度升高，吸附瓦斯含量减少，游离态瓦斯含量增加。

此外，从化学热平衡角度出发，煤对瓦斯的吸附是放热过程，瓦斯从煤表面解吸是吸热过程，当温度升高时，促进了吸热过程的分子运动，抑制了放热过程的分子运动，表现为促进了瓦斯的解吸作用，抑制了煤对瓦斯的吸附作用。

5 结论

(1)进行了瓦斯高温吸附解吸试验，通过比较瓦斯解吸量、解吸速度和解吸加速度，得出升高温度极易促进瓦斯解吸，随着时间的推移解吸速率逐渐减小。

(2)从煤分子和瓦斯分子间作用力的原理，阐述了升温促进瓦斯解吸的机理。

(3)验证了煤对瓦斯的吸附是放热过程，瓦斯解吸是吸热过程，温度升高促进了瓦斯的解吸作用，抑制了煤对瓦斯的吸附作用。