温度场变化对高压注水煤体瓦斯解吸量影响规律研究＊

时间：2024-07-28

谢建林李川田孙晓元付玉平

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.太原科技大学环境与安全学院，山西省太原市，030024）

预先对煤层瓦斯进行抽采并将其作为一种清洁能源加以利用是解决煤矿瓦斯灾害和实现能源可持续发展的重要途径。我国普遍为低渗透煤层，煤层瓦斯难以解吸是我国瓦斯抽采率低的主要原因。多年来国内外学者针对影响煤层瓦斯解吸和渗流的因素进行了研究，取得了大量成果。前人在理论上论证了地应力和温度对煤体渗透性的影响。研究中发现高压注水使得煤层透气性增大，水与煤体接触会润湿煤，有一部分水会进入煤微孔隙内，水分子和瓦斯气体分子与煤之间都是以较弱的范德华力吸附，水的存在对瓦斯与煤的吸附形成影响。在煤层含水量未达到饱和吸附量时，煤样中水的增加使瓦斯的饱和吸附量降低；当超过饱和水量时，超过的水量只参与渗流，不影响瓦斯吸附过程，甲烷的饱和吸附量不再变化。本文进一步提出：通过高压注水和升高煤层瓦斯赋存体系温度的措施增大煤层透气性和瓦斯解吸量，从而起到诱导作用，使煤层瓦斯快速通过孔隙解吸、裂隙渗流，是提高瓦斯抽采率的关键。

本文利用煤样高压注水模拟水力割缝对煤层孔隙裂隙造成的影响，用外加温度控制单元模拟和控制煤样温度场变化，研究煤体高压注水瓦斯解吸量随温度变化规律。

1 实验

图1为实验室所用煤样瓦斯吸附解吸实验装置简图。实验煤样采集自山西长治屯留煤矿。现场采集并对煤样进行初始筛选，密闭封存带回实验室，通过取样机加工成直径ø50mm、高度150mm 规格的标准煤试样，称重后置于吸附罐中。实验过程为保证安全，实验室配备机械通风设备。

图1 具有压力与温度控制单元的瓦斯吸附解吸实验装置图

煤样瓦斯吸附解吸实验系统由压力控制系统、温度控制系统、实验气体系统、高压注水系统及气体测量系统组成。实验煤样轴压通过稳压器保持压力恒定，温度通过紧固在吸附罐体上的电加热套来控制，并用热电偶随时监测吸附罐腔内温度；解吸出的气体通过排水取气法收集，通过量桶刻度变化监测不同温度的解吸气体量。

1.1 未注水煤体瓦斯吸附、解吸特性随温度变化规律研究

利用煤样瓦斯吸附解吸实验装置，研究在不同温度及压力下标准试件（50 mm×150 mm）煤样的瓦斯解吸量，实验为定容实验。在实验过程中，首先将煤样封存于罐体中并严格检查气密性，随后记录高压吸附罐6 的压力即表4 的初始表压P1，打开气路阀门5使煤样在室温下充分与瓦斯气体吸附直至压力表2读数不再变化，记录下表2的表压P2，通过此压力变化计算出罐体内注入的瓦斯气体的量，关闭气路阀门5使高压瓦斯罐与实验吸附罐体断开，打开温控单元9开关对实验吸附罐体进行加热，实验温度由室温25℃逐渐升高至260℃，监测并记录温度控制单元9的温度t及压力表3的读数P，根据压力P 和吸附罐体积计算出定容条件下不同温度煤样瓦斯解吸量，得到解吸量随时间变化规律曲线。

1.2 注水煤体瓦斯吸附、解吸量随温度变化规律研究

注水煤体瓦斯吸附、解吸规律实验同样在定容条件下进行，与1.1节不同之处在于实验前煤样要先经过高压注水过程，将气路阀门5与高压水泵相连，注水直至压力表3读数不再变化，注水结束。通过瓦斯吸附罐的质量变化来计算注水量，然后开始重复1.1节的实验步骤，计算定容条件下注水煤体瓦斯吸附、解吸量。

1.3 瓦斯吸附速率规律研究

根据朗格缪尔吸附方程：

式中：C——煤样吸附瓦斯的质量，m3／t；

a——单位质量煤的极限吸附量，对于煤体吸附瓦斯一般取15～55m3／t；

b——吸附常数，一般为0.5～5 MPa；

p——吸附平衡时的瓦斯压力，MPa。

吸附速率可表示为：

由实验绘制出压力随时间变化曲线，利用任意t时刻压力曲线斜率dp／dt及压力p 值可求出吸附速率。

实验时，煤样放入吸附罐中封闭并检查气密性后与高压瓦斯罐连接，通入瓦斯气体直至表3和表4读数不再变化，关闭气路阀门5，以此为0时刻开始记录时间和对应的压力值，以时间值为横轴，压力值为纵轴绘制吸附速率曲线；当煤样经过注水后，同样重复以上步骤测定高压注水煤样瓦斯吸附速率曲线。

2 实验结果及分析

2.1 未注水煤样瓦斯吸附解吸特性研究

按照煤样吸附与解吸实验步骤在煤样未注水情况下进行了两次实验。图2和图3是含瓦斯煤样的瓦斯解吸量随温度变化规律曲线图。

从图2和图3曲线的变化规律可看出，两次实验煤样随着温度的升高，瓦斯解吸量均增大，前150℃内随温度的升高解吸曲线梯度大，解吸速度快，这是由于开始阶段煤与瓦斯吸附解吸平衡体系对温度变化响应迅速，即温度升高改变了平衡体系的平衡条件，解吸速度大于吸附速度，使得平衡迅速向解吸方向偏移。解吸曲线后半段温度不断升高，解吸曲线变得平缓，是因为随着解吸量的不断增大使得游离瓦斯浓度逐渐增大，较高的瓦斯浓度对于吸附平衡体系向解吸方向发展是一个逆止因素，另外煤与瓦斯是多层吸附，内层瓦斯气体分子解吸需要克服的吸附能大于外层瓦斯分子，所以其解吸量和速度都会减小。从煤样受热膨胀的角度考虑，随着温度升高，温度场变化影响逐渐作用至煤样内部，煤样中裂隙逐渐挤压变形堵塞气体运移通道，使得解吸的气体不易从渗流通道排走并迅速降低解吸气体的浓度，这进一步阻止了吸附解吸平衡体系朝着解吸方向发展的趋势，解吸曲线逐渐平缓直至达到新的平衡。

对于同一煤样第二次吸附瓦斯至饱和并解吸，对比图2和图3中的解吸曲线可以得出第二次吸附量比第一次吸附量稍大，并且第二次解吸曲线的斜率比第一次大。这是由于煤样经历第一次实验后，经历了高至240℃的温度作用及冷却至常温的变化，相当于加载和卸载，这一过程必将在煤样中产生新的裂隙孔隙系统，另考虑高温阶段煤样烃类物质有少许气化，这也给煤样吸附瓦斯留下了吸附空间，所以以上综合因素使得煤样吸附瓦斯的能力加强，不同温度阶段吸附量和解吸量都比第一次大。

2.2 高压注水煤样对瓦斯吸附解吸特性影响的实验研究

煤样试件首先经过高压注水，直至与水作用吸附至饱和，然后在室温下与瓦斯吸附至饱和，开始实验，实验结果如图4和图5所示。

从图4中得出第一次实验时煤样各温度段瓦斯解吸量基本没变化，但解吸曲线经过150℃后迅速平缓下来。这是由于水的存在对瓦斯与煤的解吸及渗流造成影响，在煤层含水量未达到临界水分含量时（即饱和吸附量时），水的增加使甲烷的吸附量降低；当超过临界水分含量时，超过的部分只参与渗流，不影响吸附过程，瓦斯的吸附量不再减少。所以第一次实验瓦斯解吸总量没有变化，但煤中吸附的水分影响了瓦斯的渗流，缩短了各温度段解吸达到新的平衡时间，实验过程中相邻平衡点间的时限拉长。

从图5中得出第二次实验的变化规律，由于高压水力作用，使得煤样中增加了新的空隙和裂隙，所以煤的解吸总量即吸附总量增大，加之煤样经历高温作用后部分烃类物质的气化也使得煤样与第一次相比吸附空位更多，从而增加了吸附量。

2.3 煤样吸附速率曲线

在室温下将实验煤样装入吸附罐体与1.25 MPa的高压瓦斯罐连接，待压力稳定后切断连接气路。监测并记录吸附罐内瓦斯压力随时间变化规律曲线如图6所示。

图6 煤样吸水与未吸水吸附速率对比曲线

按照公式（2）计算出不同时间瓦斯吸附的速率如表1所示。

表1 瓦斯吸附速率变化表

从图6及表1中可得出，标准煤样充入高压瓦斯后瓦斯压力迅速降低，吸附速率也降低，这是由于高压下游离瓦斯形成吸附，导致吸附罐压力降低，但随着吸附的进行，游离瓦斯浓度下降，吸附速率逐渐减慢，直至达到吸附平衡。而高压注水煤样在充入高压瓦斯后不再发生吸附，这是由于赋存在煤样裂隙中的水封闭了瓦斯渗流的通道，使得游离瓦斯难以完成吸附过程，所以压力几乎不变。但随着时间的推移，压力曲线降低，说明水的存在使瓦斯吸附平衡所需的时间增大。