基于压力与温度对损失瓦斯量影响试验研究*

刘帅强，王兆丰,2,3，马树俊，代菊花，刘 勉

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南 焦作 454000；3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454003)

0 引言

煤层瓦斯含量是煤层瓦斯突出危险性区域预测、区域防突措施效果检验的主要指标[1-3]。目前，矿井煤层瓦斯含量的测定方法主要有直接法和间接法[4]。间接法由于煤层原始瓦斯压力测定工艺复杂且周期长、成功率低、成本高等原因，煤矿现场较少采用，普遍采用井下直接法测定煤层瓦斯含量[5-6]。直接法测定瓦斯含量的取样方式主要有风排渣取样[7]和取芯管取样[8]。取芯管取芯是井下直接法测定煤层瓦斯含量的常用技术手段[9]。

煤层瓦斯含量直接测定法主要流程：井下煤样瓦斯解吸量测定、取样过程瓦斯损失量推算和实验室残存瓦斯量测定3部分[10]，其中自然解吸瓦斯量和实验室残余瓦斯量测定遵照相关要求，相对比较准确，而损失瓦斯量推算结果受多种因素影响(温度、压力、水分等)[11]。近年来，国内外学者对瓦斯放散规律模型进行了研究，但存在一定的局限性。秦跃平等[12-13],Liu等[14]提出累计解吸量倒数与时间开方倒数呈现较好的线性关系;Li 等[15]假设拟合损失量与实际损失量的差值服从正态分布，提出基于幂函数特性的贝叶斯概率法进行损失量推算。要提高损失瓦斯量的准确性，首先要找出其误差来源及影响因素，对其进行分析验证，尽可能找出相应的措施减少误差;贾晓亮等[16]认为在瓦斯含量的测定中，损失瓦斯量推算过程中的主要误差来自推算公式的选择。

1 取芯过程模拟试验

1.1 煤样制备及试验装置

1.1.1 煤样制备

试验煤样为河南焦煤集团九里山矿二1煤层无烟煤，选取型煤为研究对象,型煤压制力60 kN，尺寸为50 mm×100 mm。

1.1.2 取芯管取芯过程模拟测试装置

为实现取芯管取样过程中煤芯损失瓦斯量(型煤解吸量)的定量测试，自主设计取样过程模拟测试装置，如图1所示。该装置主要由真空脱气系统、注气吸附系统、模拟系统、数据采集系统及加热控制系统组成。其中模拟系统是整个装置的核心部分，主要由加热带、煤样罐、温度传感器以及相关连接管路组成。

图1 取芯管取芯过程模拟装置Fig.1 Coring tube sampling simulation device

1.2 试验方法

1.2.1 试验样品真空脱气

将采集煤样压制成型煤后，对其进行干燥、称重、装罐，启动真空泵，对煤样罐真空脱气，至复合真空计示数低于10 Pa时,停止真空脱气。

1.2.2 等温吸附平衡

通过高压充气系统向煤样罐内充入瓦斯，同时关闭充气罐阀门，保持煤样在30 ℃温度下吸附瓦斯，当煤样罐内压力达到1.0 MPa且保持3 h不变时，即认为吸附达到平衡。

1.2.3 取芯管取样过程相似模拟

开启加热带电源，调节加热功率模拟取芯过程摩擦热，并将煤样罐放入加热带。煤样罐模拟取芯管，加热带模拟取样过程产生的摩擦热。

1.2.4 瓦斯气体解吸

释放游离气体，当压力降至大气压时，开始记录解吸气体；待加热预设时长后(试验以取芯深度20 m为例，取芯过程为3 min，退钻过程为13 min)，取出煤样罐并放置室温下降温，继续记录解吸量直至试验结束。在研究不同加热功率对损失瓦斯量的影响时，为保证模拟试验产生热量尽可能与现场保持一致，同时考虑到试验条件与安全因素，选取加热功率分别为200，400，600，800 J/s。按照以上步骤，依次开展加热功率400 J/s、不同吸附平衡压(0.5，1.0，1.5，2.0 MPa)与吸附平衡压力1.0 MPa、不同加热功率下(室温30 ℃，200，400，600，800 J/s)取芯过程模拟试验，共开展试验9个。

1.2.5 数据监测

每次试验自开启加热带后，煤样罐中煤芯均会经历加热带加热升温和自然冷却降温2个变温过程，当煤芯温度重新回归至室温结束试验。

1.3 数据处理

为使不同试验环境下的解吸数据在同一标准下进行横向比较，将测得的解吸数据换算成标况下体积，如式(1)所示：

(1)

式中：Qt为tmin内标准状态下瓦斯解吸量，mL/g；Qt′为tmin内实测的瓦斯解吸量，mL/g；tw为试验环境下流量计量筒内水温，℃；Pc为实验室大气压力，Pa；hw为实测定时量筒内水柱高度，mm；Ps为饱和水蒸气压力，Pa。

为了反映不同加热功率对瓦斯解吸的影响作用，定义解吸率如式(2)所示：

(2)

式中：Q为甲烷吸附量，mL/g；Qt为t时刻的解吸量，mL/g。

2 试验结果及分析

2.1 温度效应对损失瓦斯量影响

为研究取芯管取芯过程环境温度对损失瓦斯量的影响特性，在煤芯瓦斯压力同为1.0 MPa，不同管壁升温速率(200，400，600，800 J/s)下进行取芯过程煤芯瓦斯解吸模拟试验，同时选取室温环境(30 ℃)煤芯瓦斯解吸试验作为对比测试，试验结果如图2。

图2 不同加热功率与室温瓦斯解吸量对比Fig.2 The comparison of gas desorption at different heating power with contrast experiment

由图2可知，同压1.0 MPa取芯环境下，瓦斯解吸量随时间延长逐渐递增，30 ℃对比测试的解吸量低于各组模拟测试；随着加热功率的增加，煤芯瓦斯解吸量愈大，煤芯损失瓦斯量亦愈大。

不同环境温度下，煤芯瓦斯解吸趋势线符合关系见式(3)，对前30 min解吸曲线进行拟合，相关参数见表1。

(3)

表1 不同温度环境瓦斯解吸曲线拟合参数Table 1 Fitting parameters of gas desorption curve in different temperature environment

式中：a,b为拟合参数；c为曲线增长因子；t为时间，min；t0为解吸量中值所对应时间，min。

由表1可知，拟合参数a，b的绝对值随着加热功率的增大而增大，曲线增长因子c在1左右，解吸趋势线拟合度较高，在0.97以上。

采用取芯管取样测定煤层瓦斯含量时，煤芯损失瓦斯量主要在取芯过程和退钻过程中产生。本文以取芯深度20 m为例，依据现场数据可知，理想状态下，采集煤芯所需时长为3 min，退钻时长为13 min。选择0～3，3～16 min时间段内煤芯瓦斯解吸率进行分析，同时计算室温下(30 ℃)同时间段内煤芯瓦斯解吸率作为对比，结果见表2。

表2 瓦斯解吸率对比Table 2 The comparison of gas desorption rate

由表2可知，在2个时间段中，取芯过程模拟测试的煤芯瓦斯解吸率均大于室温下的对比测试；随着加热功率的增加，模拟测试的煤芯瓦斯解吸率增大，模拟测试与对比测试的煤芯瓦斯解吸率差值亦愈大。

同一加热功率下，3～16 min模拟测试与对比测试的煤芯瓦斯解吸率差值(9.63%,10.40%,13.03%,17.43%)大于0～3 min(2.80%,8.30%,10.80%,12.58%)，说明在3～16 min温度对损失量的影响大于0～3 min，即退钻过程温度对损失量的影响大于取芯过程。本文认为，在模拟测试中，0～3 min处于采集煤芯阶段，取芯管刚接触到煤芯，取芯钻头的切削热与取芯管壁的摩擦热少量传递到煤芯；在3～16 min的退钻阶段，取芯钻头的切削热与取芯管壁的摩擦热大量传递到煤芯，煤芯温度升高，使得3～16 min模拟测试与对比测试的煤芯瓦斯解吸率差值大于0～3 min。

表3 不同管壁升温速率下损失瓦斯量计算结果Table 3 The calculation results of gas loss at different core tube wall heating rate

表4 不同管壁升温速率下损失瓦斯量误差分析结果Table 4 The error analysis results of gas loss at different core tube wall heating rate

为研究煤芯损失瓦斯量与加热功率之间的变化规律，将不同加热功率下损失瓦斯量模拟值绘制于同一图中进行比较，如图3所示。

图3 损失瓦斯量与加热功率之间关系Fig.3 Relationship between gas loss and heating power

由图3可知，吸附平衡压力同为1.0 MPa条件下，当管壁升温速率为200～800 J/s，损失瓦斯量分别为10.139 0，11.543 2，12.689 0，14.189 0 mL/g。在一定范围内，损失瓦斯量随着加热功率的增加大致呈现线性增加的趋势。

2.2 吸附压力对损失瓦斯量影响

为研究取芯管取芯过程吸附压力对损失瓦斯量的影响特性，将煤芯管壁升温速率同为400 J/s，不同吸附平衡压力(0.5，1.0，1.5，2.0 MPa)下取芯过程累计瓦斯解吸量数据绘制于同一图中进行对比，如图4所示。

图4 不同吸附压力下取芯过程累计瓦斯解吸量Fig.4 Comparison of cumulative gas desorption during coring under different adsorption pressures

由图4可知，加热功率同为400 J/s，取芯过程模拟测试的瓦斯解吸量曲线随时间呈单调递增的趋势；随着吸附压力的增加，煤芯瓦斯解吸量愈大，煤芯损失瓦斯量亦愈大。

不同吸附平衡压力下，煤芯瓦斯解吸趋势线符合关系式(3)，对前30 min解吸曲线进行拟合，相关参数见表5。

表5 不同吸附压力瓦斯解吸曲线拟合参数Table 5 Fitting parameters of gas desorption curve under different adsorption pressure

由表5可知，拟合参数a，b的绝对值随着加热功率的增大而增大，曲线增长因子c在0.933～1.022，解吸趋势线拟合度较高，在0.99以上。

表6 不同煤芯瓦斯压力下损失瓦斯量推算结果Table 6 The calculation results of gas loss quantity at different gas pressure

表7 不同煤芯瓦斯压力下损失瓦斯量误差分析结果Table 7 The error analysis results of gas loss quantity at different gas pressure

为研究煤芯损失瓦斯量与吸附平衡压力之间的变化规律，将不同吸附压力下损失瓦斯量模拟值绘制于同一图中进行比较，如图5所示。

图5 损失瓦斯量与吸附平衡压力之间关系Fig.5 Relationship between gas loss and adsorption equilibrium pressure

由图5可知，管壁升温速率同为400 J/s条件下，当吸附平衡压力为0.5～2.0 MPa，损失瓦斯量分别为8.334 3，11.543 2，12.566 4，13.815 3 mL/g。在一定范围内，损失瓦斯量随着吸附平衡压力的增加，呈现出先快速增加，后缓慢增加的趋势。

3 结论

1) 在不同温度环境和吸附压力下，前30 min煤芯瓦斯解吸曲线符合Qt=a+b/[1+(t/t0)c]。