煤的解吸规律研究现状及发展趋势

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  摘 要:瓦斯是煤层中的主要气体,研究分析煤层解吸瓦斯的规律,能够有效地避免煤层开采时煤与瓦斯突出的危险。在以往的研究中,不难发现煤解吸瓦斯与煤的孔隙结构、破坏类型以及水分、灰分和挥发分有关,还与振动、压力、温度等因素有关。本文主要分析温度、振动以及孔隙结构对瓦斯解吸的影响程度,并且提出目前存在的不足,指出了煤炭解吸瓦斯的发展趋势和应用前景,并将其应用于需要解决的实际工程问题。
  关键词:煤解吸;瓦斯
  中图分类号:TD712      文献标识码:A       文章编号:1003-5168(2021)24-0062-03
  Research Status and Development Trend of Desorption Law of Coal
  LIU Jian
  (School of Safety Science and Engineering, Anhui University of Technology, Huainan Anhui  232001)
  Abstract: Gas is the main composition in coal seam. The research and analysis of the law of desorption gas in coal seam can effectively avoid the danger of coal and gas outburst in coal seam mining. In past researches, it is not difficult to find that desorption gas of coal is related to pore structure, failure type, water, ash and volatile matter of coal, and also related to vibration, pressure, temperature and other factors. This paper mainly analyzes the influence of temperature and pore structure on gas desorption, and puts forward the existing shortcomings. Meanwhile, it points out the development trend and application prospect of coal desorption gas, which is used to solve the engineering problems in the practical application.
  Keywords: coal desorption; gas
  1 造解吸规律研究现状
  近年来,煤矿瓦斯抽采技术日趋成熟,但仍有许多问题亟待解决。为了安全生产,保证人民生命财产的安全,深入了解煤对瓦斯解吸的影响因素以及多因素耦合,对于煤解吸的影响有着重要的作用。
  煤层的瓦斯吸附特性属于物理特性,当任意改变外界条件时,很容易发生解吸,且因为煤的解吸与吸附在理论上是一个平衡过程,因此最终的解吸量应与吸附量大体一致。在开采煤层的过程中,压力降低是实现解吸的主要途径,世界各国煤矿生产面临的严峻挑战依旧是煤与瓦斯突出灾害的防治。
  我国是世界上最大的煤炭生产国,也是煤矿灾害最严重的国家。因此,一些学者对煤储层吸附的理论和模型提出了自己的观点。赵志根等通过试验发现兰式方程表达的是暴露于空气中的单分子吸附解吸模型,对比较复杂的煤孔隙结构不太适用[1]。部分学者研究了不同煤样的吸附解吸特性,发现与兰式曲线最相似的是等温吸附曲线;马行陟等开展的三个变量的试验研究,结果表明,优化过的样本在结果准确性上优于其他样本[2]。张庆玲等通过校正试验对吸附解吸曲线进行对比分析,结果表明,不做修正的吸附曲线更符合实际[3]。国内学者利用先进仪器对煤储层原进行模拟,得到始温度下的吸附解吸特点,最终得出压力监测监控系统对煤的高压等温吸附产生的温差范围是温度在1 ℃左右造成的。
  马东民进行升温解吸实验时得到的结果表明,升温能够有效地提高煤层气的解吸速率,有利于煤层气的开采和抽取[4]。赵鹏涛研究了不同气体对煤层气的吸附和解吸特性,得到结论,认为可以用空气将煤中的甲烷气体置换出来,该方法可以广泛应用于矿井开采[5]。刘冰昌分析了深部储煤层的数据特征,认为淮南潘集深部煤储层瓦斯含量与煤层高度无关,并对解吸速率和解吸时间进行了分析[6]。在新集矿区储煤层解吸特征分析中,雷崇利以瓦斯含量约为2 m3/T的地方作为煤层瓦斯风化带的分界线[7]。
  2 温度对煤解吸瓦斯的影响
  瓦斯在煤体中的吸附和解吸被认为是可逆的物理过程,通常认为吸附是放热过程,而解吸则与之相反,是一个吸热反应。大量实验表明,随着煤体温度升高,解吸率升高升温使得解吸速度和解吸量增加,研究瓦斯溫度变化对解吸过程的影响,能够有效地对煤层气进行开发,并且对于防治煤与瓦斯突出等煤层灾害意义重大。
  牛国庆等通过试验测定了煤吸附和解吸气体作用过程中温度的变化情况,吸附时温度升高,解吸时温度降低,以此可以得出,瓦斯吸附过程是放热过程,而解吸过程则是吸热过程[8]。在吸附和解吸过程中,温度变化幅度与气体平衡压力、气体吸附特性等自身因素有关。也就是说,压力越高,气体吸附性能越高,导致吸附与解吸时温度变化越大。部分学者利用高温红外测温技术对煤体解吸过程中的温度变化规律进行了试验研究,得到结论:煤解吸瓦斯过程受瓦斯充气压力大小的直接影响,并且也与吸附解吸过程中的温度变化幅度有关系。在相同的瓦斯压力下,瓦斯吸附常数越大,瓦斯解吸量越大,使得煤温变化越大。国内学者采用试验和理论相结合的方法对瓦斯解吸过程和含瓦斯煤体破坏过程中的温度变化规律进行了研究,认为利用监测温度变化可以实现对煤和瓦斯突出危险性的预测预报,并且提出采用红外测温系统将其他气体相关参数结合起来,形成经济可靠的预测预报体系。   综上,利用煤体吸附和解吸瓦斯过程中这一温度变化现象,可以合理预测突出指标和临界值,并能更有效、准确地进行瓦斯突出危险性预测。但由于现有的研究成果不统一,一些学者建立的临界值都是基于经验值,且检验手段和预测方法也不统一,因此,进行理论和试验研究以深入了解其机理是有必要的。
  3 振动对煤解吸瓦斯的影响
  振动是煤层瓦斯开采的物理场激励措施之一,也是引发煤与瓦斯突出的重要因素。许多学者着手研究声波、电磁波以及超声波等元素对瓦斯解吸的影响。为了预防煤与瓦斯的突出,迄今为止,只有部分科学家在研究低频振动对瓦斯解吸的影响。但由于振动频率的不同,研究结果存在较大差异,因此,有必要深入对煤解吸瓦斯进行研究。
  在以往的试验中:振动使含瓦斯煤的解吸量增大,并随振动频率的增大而增大,瓦斯解吸的总量却是先减小后增大。在相同的振幅、振动频率下,瓦斯解吸总量随煤粒径的增大而减小,瓦斯解吸初始速率增大,衰减系数即阻尼系数变化不显著。
  通过对石油开采时增加低频脉冲波的研究,窦志强等[9]证明低频脉冲波主要在机械作用、聚集作用和热效应三个方面起作用。李祥春在研究振动对煤体解吸吸附的作用机理时发现,振动降低煤的吸附能力,使吸附量减少。这说明煤体应力状态发生变化,能够促进瓦斯解吸,增加游离瓦斯,进而导致平衡所需的时间增加。部分学者通过对煤体施加电磁场来研究其对煤解吸的影响。随着时间的延长,施加电磁场的煤瓦斯释放速率明显增加,使得解吸平衡所需的时间缩短,电磁场加快了煤的解吸速率,促进了煤的解吸。齐黎明等[10]通过进行外力扰动条件下的煤样瓦斯解析实验发现:外力扰动破坏了气体的吸附—解吸平衡,游离态瓦斯增大,使得突出危险性增大。
  我国学者等研究了声场对煤解吸的影响,在声场作用下,煤的解吸量增加,而且声场越大越有利于解吸的进行。李建楼等通过对煤层气的动态行为进行模拟试验,研究了声场振动下煤的解吸特性,结果表明:振动可以促进煤样对瓦斯的解吸。通过分析结果发现:煤体在振动时持续开闭,导致孔隙内形成负压,使得裂隙内的渗流和的浓度差增加,有效地促进瓦斯扩散[11]。王聪在低频激励下对煤进行解吸试验,所用振频为70~120 Hz,最终发现:合适的低频可以使瓦斯解吸速率加快,并且加深瓦斯解吸程度,且低频条件下煤解吸量是自然条件下的2倍左右。
  从宏观上讲,振动对解吸性能的影响有两个方面:一是振动对煤体和煤层结构的影响,会引起煤体裂隙微孔在煤体内得到增加,使裂隙网大幅连通,从而增大孔隙面积,减小边界层,最终使煤层透气性系数增大;二是振动的热效应,煤颗粒的振动伴随着摩擦,使系统温度升高,加剧瓦斯的热运动,最终促进煤的解吸进程。
  4 孔隙度对煤解吸瓦斯的影响
  煤的解吸特性很大程度上取决于煤的孔隙结构。煤的孔隙结构是煤的物理结构的主要组成部分,一般用孔隙体积、比表面积、孔径分布、孔隙模型来表征。
  煤的孔隙体积常用孔隙度(率)φ来表示,并通过测定煤的真、假(视)密度来计算。Franklin等许多作者曾对煤中的氧气,水银密度及其与煤组成、煤化程度的关系进行过详细的研究。煤的孔隙度随煤化程度的变化呈上开口凹型曲线,在88%含碳量时最低,仅有3%左右。煤样的初始解吸量和解吸速率随扩散孔隙容量的增大而增大,而初始解吸性能与比表面积的变化无关,这可能是由于煤体解吸初期,瓦斯主要附着于吸附孔中,孔表面能够储存的瓦斯很少,对于解吸过程的影响不大。煤中吸附的瓦斯主要储存在吸附孔中,扩散孔表面能储存的气体很少。煤的吸附过程为物理过程,解吸所需能量较小,可瞬间解吸出大量瓦斯。因此,与用于储存气体的比表面積相比,从这些孔隙解吸的瓦斯受到从气体运移通道的限制(即扩散孔的孔容),容积越大,说明用于解吸的运移通道越多。我国学者通过研究孔结构的分形维数D发现:前30 s的累积解吸量与气体初始阶段的解吸速率呈负相关,即随孔结构的分形维数D逐渐增大,前30 s的累积吸入量和初始阶段的解吸速率逐渐减小。这一关系表明,孔隙结构简单的煤体,其与瓦斯的结合能力弱,使得初始瓦斯解吸量变大。
  国外学者利用电子显微技术和X射线衍射结构对孔隙度进行分析,测出了瓦斯在煤层中的分布,指出极大一部分瓦斯分子是以渗入、置换和填隙等方式固溶于煤中形成混合物。而我国一些科学家采用现场红外光谱测量时未能在一定的温度范围内观测到以上固体的存在。1980年,学者王佑安等[12]在理论研究的基础上,进行了大量的试验研究,研究了煤与瓦斯突出危险性与煤体自身孔隙结构特征、煤体瓦斯解吸速率之间的相互关系,总结得到以下结论:变量一定的条件下,孔隙结构越发育、孔隙率越大、强度越小。
  5 研究应用前景展望
  随着我国煤炭工业近几年的不断发展,矿采目标层深度逐渐增大,压力和含水率也随之变化。本文未涉及压力变化和含水率等影响因素对解吸作用的影响。
  ①对多元素耦合条件下各煤解吸模型的拟合精度进行比较,进而选择最合适的模型进行应用。
  ②数值模拟与现场应用相结合,研究多因素耦合条件下煤解吸甲烷的特征研究。目前,国内外对煤解吸气体的温度和压力等影响因素的测定存在诸多争议,准确测定抽取瓦斯时的温度和压力等影响因素,并且解决瓦斯排放问题,能够加快煤层开采,消除突出危险,确保从业人员的安全。
  近几年,许多学者从不同角度对影响煤体解吸的因素进行了大量的研究,取得了较多的成果,但仍无法推导出解吸方程。在瓦斯解吸方程研究中,有学者根据研究需要建立了解吸方程,但方程中通常只包含一个或两个参数以达到简化模型的目的,很难充分反映所有主要影响因素。为此,未来的研究应该以验证理论推导的可靠性为目的来完善瓦斯解吸模型,这对揭示煤与瓦斯突出机理、预防和预测煤与瓦斯突出有重要意义。
  目前,在单一因素的作用下对煤解吸的研究已相对完善,但许多试验结论相悖,难以构建完整的理论体系,而且对煤解吸瓦斯的多元素耦合作用研究并不多,煤解吸理论体系的补充和完善已是迫在眉睫。
  参考文献:
  [1] 赵志根,唐修仪.对煤吸附甲烷的Langmuir方程的讨论[J].焦作工学院学报,2004(1):1-4.
  [2] 马行陟,宋岩,柳少波,等.煤储层等温吸附实验过程中参数敏感性分析[J].煤田地质与勘探,2014(6):34-39.
  [3] 张庆玲,曹利戈.煤的等温吸附测试中数据处理问题研究[J].煤炭学报,2003(2):131-135.
  [4] 马东民,张遂安,蔺亚兵.煤的等温吸附解吸实验及其精确拟合[J].煤炭学报,2011(3):477-480.
  [5] 赵鹏涛.N2、O2混合气体对煤层瓦斯吸附—解吸影响效应研究[D].焦作:河南理工大学,2012.
  [6] 刘冰昌.潘集深部煤层瓦斯解吸特征及影响因素分析[D].淮南:安徽理工大学,2014.
  [7] 雷崇利.新集矿区煤层气开发有利区块评价与优选方法探讨[D].西安:西北大学,2004.
  [8] 牛国庆,颜爱华,刘明举,煤与瓦斯突出过程中温度变化的实验研究[J].西安科技学院学报,2003(3):245-248.
  [9] 窦志强,贺胜宇,史文君.低频脉冲采油增产的研究与推广应用[J].石油机械,2001(10):92-95.
  [10] 齐黎明,郭达,关联合,等.外力扰动条件下的瓦斯解吸机理与实验研究[J].中国煤炭,2013(10): 92-95.
  [11] 李建楼.声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特性研究[D].淮南:安徽理工大学,2010.
  [12] 王佑安,杨思敬.煤和瓦斯突出危险煤层的某些特征[J].煤矿安全,1980(1):47-53.
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