瓦斯压力对瓦斯在煤中扩散影响的研究

周永晶

（六枝工矿（集团） 恒达勘察设计有限公司，贵州 六枝 553400）

现阶段，瓦斯压力究竟是怎样影响瓦斯扩散系数的并没有一个统一的结论，不同结论相互之间的分歧较大。不同结论具体包括，煤的种类影响着瓦斯在煤中的扩撒能力，还有可能是煤的孔隙结构发生不同程度的变化最终影响其扩散系数。正是以上结论的存在，所以在选择不同的煤进行该实验时，所得到的结论自然不同[1]。本文将利用全国一些比较典型的矿区中的各种煤样，以此为材料进行吸附-解吸动力学实验。

1 扩散模型

本文将使用三种广泛使用的扩散模型，即单孔扩散模型、双分散扩散模型和分散扩散模型，表达式和假设介绍如下：

1.1 单孔扩散模型

单孔扩散模型假定煤颗粒只有一种孔隙，气体在煤颗粒内外的浓度梯度下扩散。

1.2 双分散扩散模型

双分散扩散模型假定煤颗粒包括独立的大孔和微孔系统，两种系统下的气体扩散是由煤颗粒内部和外部的浓度梯度驱动的，简化的双分散扩散模型包括快速大孔扩散阶段和缓慢微孔扩散阶段[2]。

单孔扩散模型和双分散扩散模型都遵循以下假设：

1） 扩散系统是等温的；2） 颗粒煤的几何形状为标准球体；3） 煤和孔隙系统是各向同性和均匀的；4） 孔不可压缩；5） 气体遵循线性吸附规则；6） 气体在孔隙中的扩散符合菲克第二定律。

1.3 分散扩散模型

近年来，建立了扩散模型，并假定扩散特征时间的分布。扩散是分散的，代表了扩散特征时间的广泛分布。因此，理论上双分散扩散模型可以避免孔结构的简化，反映实际的物理实验过程。

2 吸附-解吸扩散实验与孔隙结构的测定

2.1 样品准备阶段

实验所用到的煤样共有四种，具体包括吉林珲春、山西河东、河南新密以及山西沁水这四个煤田，而四种煤田分别采用了不同的煤种具体是长焰煤、焦煤、瘦煤、贫煤这四种。实验煤样的相关参数在下列表1 中做出来了明确列举。当采集煤样后，首先是粉碎工作，进而将得到的0.20～0.25mm 大小的煤进行除水工作。此处除水一般采取高温真空下的干燥方式。

2.2 瓦斯动力学实验

煤粒瓦斯动力学实验，具体是指吸附-解吸。该实验的设计目的就是为了研究压力与扩散系数的具体规律。实验选用美国康塔高压气体吸附解吸仪。开始相关实验前，将仪器的最大吸附压力设置为6.0MPa，温度稳定在315k。相关准备工作后，选用质量是40g 的煤。

开始实验后，利用压力传感器记录相关数据，得到两个数据即Pm1、Pm2、，分别是煤样注入前后罐内的压力值。再以Langmuir 模型计算实验中煤样的相关参数。

2.3 孔隙结构测定

1） 低温氮吸附实验。实验采用超低温液氮分析仪，煤样使用前要先干燥，实验煤样粒径为1～3mm。根据DFT 分析结论，最终做出煤样比表面积、孔容与孔径尺寸分布图；2） 压汞实验。煤样使用前要先干燥，实验煤样粒径为1～3mm。该实验最重要的就是要用到Pore Master60 压汞仪；3）测定结果。煤体微孔孔径的具体分布情况一般会用低温氮吸附法。本次实验测定孔径分布在0～25nm 之间。而压汞法只会得到＞25nm 的煤体。除了孔径外，孔容的计算要分为两个步骤才能得到，因为不同的孔径要选择的计算方法不同。具体是低温氮吸附法用于计算0～25nm 孔径的孔容，压汞法测得＞25nm 孔径的孔容。

3 实验结果的具体探讨

3.1 模型适用性

利用吸附扩散的计算公式，就可以得出测得的结果即不同时刻下的扩散比。本实验处理相关数据时，以n=5 作为标准。因为当以此为标准时，不论是何种扩散模型，即单孔或是双孔，都可以确保结果的正确度，还可以让计算的难度保持在较低水平。当实验过程的压力是0.7～1.0MPa 时，分析相关数据，得出如图1 所示的曲线图。

分析图1 可知，当在单孔模型的情形下，进行模拟实测结果时，这四种煤样在实验达到临界前，模拟值总是＜实测值的。而当这四种煤样进行实验达到临界后，模拟值总是＞实测值的。所以，可以得出在单孔模型下，得到的模拟曲线均不能达到实验测得的结果。对比可知，在双孔模型下得到的模拟曲线是能够更好的达到实验结果的。

图1 各煤样瓦斯吸附扩散实验与理论模型曲线

根据以上不同模型下得到的结果可知，因为实验中利用到的煤样存在着复杂的孔隙结构，所以如果只是利用单孔模型无法更好的还原实验过程中原本的扩散过程。但是因为双孔模型的情形下，该模型自身就考虑到了不同孔径的结构，所以利用该模型进行模拟会与实测结果更接近。正是因此，所以本文选用了双孔模型最终探寻瓦斯吸附-解吸扩散的相关规律。

3.2 扩散系数影响因素分析

大孔进行模拟时，大孔的扩散系数Dae 一般利用二次多项式函数描述变化规律，具体表示如下：实验中，处于吸附阶段时，当瓦斯压力处于临界点之前时，Dae 与压力成反比；当瓦斯压力在临界点之后时，Dae 与压力成正比。处于解吸阶段时，当瓦斯压力在临界点之后时，Dae 会因为压力值的降低而降低；当瓦斯压力在临界点之前时，Dae 会因为压力值的降低发生增高。在四种煤样中，只有珲春长焰煤的吸附拟合曲线与解吸拟合曲线具有较高的重合度。而剩余的三种煤样，会出现当煤化越来越高的过程中，吸附拟合曲线会逐渐向解吸拟合曲线靠拢。

微孔进行模拟时，微孔的扩散系数Dae 一般利用一元线性函数描述变化规律，具体表示如下：进行吸附时，Die 与瓦斯压力成正比；进行解吸时，Die 与瓦斯压力同样成正比。在四种煤样中，只有新密瘦煤在吸附过程与解吸过程中扩散系数具有较高的重合度。而剩余的三种煤样，会出现如下情况：珲春长焰煤的吸附拟合曲线在解吸拟合曲线上方，而河东焦煤与沁水贫煤的吸附拟合曲线则在解吸拟合曲线下方。其中，珲春长焰煤因为孔比表面积最大，同样孔容最大，而且因为自身孔隙之间的高连通性，所以吸附于解吸的过程中，相较于剩余三种煤样存在较高的扩散系数重合度。河南新密瘦煤的微孔孔容曲线上升比较平缓，吸附与解吸过程中瓦斯扩散能力差别不大，因此吸附与解吸过程中扩散系数重合度较高。

4 结语

压力对煤粒瓦斯扩散有很大影响，对于双孔扩散模型，二次多项式函数能很好地描述大孔有效扩散系数Dae 与压力的关系：处于吸附阶段时，当瓦斯压力处于临界点之前时，Dae 与压力成反比；当瓦斯压力在临界点之后时，Dae 与压力成正比。处于解吸阶段时，当瓦斯压力在临界点之后时，Dae 会因为压力值的降低而降低；当瓦斯压力在临界点之前时，Dae 会因为压力值的降低发生增高。而微孔有效扩散系数Die 与压力则较好地符合一元线性关系：进行吸附时，Die与瓦斯压力成正比；进行解吸时，Die 与瓦斯压力同样成正比。且不同变质程度煤的吸附过程与解吸过程有明显差别，这可能与煤的微孔孔径分布及孔容大小有关。各实验煤样在吸附-解吸过程中的扩散特征参数基本保持不变。