压力和温度对瓦斯扩散规律的影响研究.pdf

第 4 1 卷 第 2 期 2 0 1 5年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 1 NO ． 2 Fe b ． 2 Ol 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 2 0 0 6 5 0 3 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 8 苏恒 ， 杨勇 ， 陈莲芳 ， 等． 压力和温度对瓦斯扩散规律 的影响研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 2 6 5 6 7 ． 压力和温度对瓦斯扩散规律的影响研究 苏恒 ， 杨 勇 ， 陈莲芳 ， 赵 军 1 ． 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作4 5 4 0 0 3 ； 2 ． 河 南能 源化 工集 团 鹤煤 五矿 ，河南 鹤 壁4 5 8 0 0 0 摘 要 针 对 瓦斯吸 附 解吸 法测 定 瓦斯 扩散 系数 时局 限于颗 粒煤 、 无 法施加 围压且 气体 压 力不 能任 意设定 问题 ， 采 用规 则块 煤 结合 气相 色谱 分析 法 测定 瓦斯在 块 煤 中的扩 散 系数 ， 分析 了不 同 气体 压 力 、 温度 下块 瓦 斯扩散 规律 。 实验 结 果表 明 ， 随着 气体 压 力的增 大 ， 煤 基 质 吸 附 气体 增加 且 发 生 膨胀 变形 ， 从 而 孔 隙减 ，扩散 阻力增大， 扩散 系数减小； 随着温度的升高， 气体分子运动速度增大， 扩散动力增强， 扩散 系数变大。 关键词 压 力 ；温度 ；瓦斯扩散 规 律 ；气相 色谱 ；扩散 系数 中 图分 类 号 TD7 1 2 ． 6 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 - 0 2 0 3 1 5 2 2 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 2 0 3 ． 1 5 2 2 ． 0 1 8 ． h t m1 Re s e a r c h o f i nf l u e nc e o f p r e s s u r e a nd t e mpe r a t u r e o n ga s d i f f u s i o n l a w S U He n g ， YANG Yo n g ， CHEN L i a n f a n g ， ZHAO J u n 1 ． Co l l e g e o f S a f e t y S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g ，He n a n Po l y t e c h n i c Un i v e r s i t y ，J i a o z u o 4 5 4 0 0 3 ，Ch i n a 2． H e bi No． 5 M i ne，H e na n Ene r gy a n d Che m i c a l I ndu s t r y Gr ou p Co．，Lt d． ，H e bi 45 8 0 0 0，Chi n a Ab s t r a c t Fo r p r ob l e m s t ha t g a s a d s o r pt i o n d e s or p t i o n m e t ho d f or de t e r mi ni n g g a s d i f f us i o n c oe f f i c i e nt i s l i m i t e d t o c oa l p a r t i c l e a n d c a nno t a p pl y c on f i n i ng p r e s s ur e a n d s e t p r e s s ur e a r b i t r a r i l y，r e gu l a r l u mp c o a l c ombi n e d wi t h g a s c hr oma t o g r a phy a na l y s i s m e t ho d wa s u s e d t o d e t e r m i ne ga s d i f f us i o n c o e f f i c i e n t i n l ump c o a l ， a n d ga s di f f us i o n l a w un de r di f f e r e nt g as pr e s s u r e a nd t e mpe r a t u r e wa s a na l y z e d． Th e e x pe r i m e n t a l r e s ul t s s ho w t ha t wi t h i nc r e a s e o f g a s p r e s s ur e，g a s a ds o r be d by c oa l ma t r i x i nc r e a s e s a nd t h e c oa l m a t r i x e xp a nd，t hus po r e d e c r e a s e s ，d i f f us i on r e s i s t a nc e i nc r e a s e s a n d di f f us i o n c o e f f i c i e nt de c r e a s e s ； wi t h i n c r e a s e o f t e mp e r a t u r e ，mo v e me n t s p e e d o f g a s mo l e c u l e i n c r e a s e s ，d i f f u s i o n p o we r e n h a n c e s a n d d i f f u s i on c oe f f i c i e n t i ne r e a s e s． Ke y wo r d s pr e s s ur e；t e mpe r a t ur e；g a s d i f f us i on l a w ；ga s c hr o m a t o gr a p hy；di f f u s i on c oe f f i c i e n t 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 6 2 1 ； 修 回日期 2 0 1 4 1 2 1 2 ； 责任编辑 盛男 。 作者简介 苏恒 1 9 8 8 一 ， 男 ， 河南驻马店人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为瓦斯地质与煤层气开采 ， E ma i l 1 8 0 3 7 0 2 2 0 5 7 1 6 3 ． c o rn。 [5] [6] [ 7] [ 8] [ 9] 王新 民 ， 康虔 ， 秦 建春 ， 等． 层 次分 析法 一可 拓学 模 型 在岩质边坡稳定性 安全 评价 中 的应用 E J ] ． 中南 大学 学 报 ， 2 0 1 3 ， 4 4 6 2 4 5 5 2 4 6 2 ． 张瑞钢 ， 钱 家忠 ， 马雷 ， 等． 可拓 识别方 法在 矿井 突水 水 源 判 别 中 的 应 用 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 0 9 ， 3 4 1 3 3 3 8． 孙秀玲 ， 褚 君达 ， 马惠 群 ， 等 ． 物 元可 拓评价 法 的改进 及其应用[ J ] ． 水文 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 4 - 7 ． 杨春燕 ， 李 小妹 ， 陈文 伟 ， 等． 可拓数 据挖 掘方 法及其 计算 机实现[ M] ． 广州 广东高等 教育出版社 ， 2 O l O ． 刘少军 ， 张京红 ， 何政 伟 ， 等 ． 改 进 的物元 可拓模 型在 E l o ] [ ] [ 1 2 2 台风灾 害预评估 中的应用 [ J ] ． 自然 灾害 学报 ， 2 0 1 2 ， 2 1 2 1 3 5 - 1 4 1 ． HE Y， DAI A， Z HU J ， e ￡ a 1 ． Ri s k a s s e s s me n t o f u r b a n ne t wo r k pl a nni ng i n c hi n a b a s e d o n t he ma t t e r e l e me n t mo d e l a n d e x t e n s i o n a n a l y s i s [J] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f E l e c t r i c a l Po we r En e r g y Sy s t e ms ， 2 0 1 1 ， 3 3 3 7 7 5 7 8 2 ． 林 杰斌 ， 林川雄 ， 刘明德 ， 等． S P S S 1 2统 计建模与应 用 实务[ M] ． 北京 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 6 ． 杨梅． 基于 GI S的淮南老矿 区地 下水环境特征及 突水 水 源判 别模 型[ D] ． 合 肥 合肥工业大学 ， 2 0 0 8 ． 等煤小 6 6 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 0 弓 l 言 瓦 斯 扩散 规 律 是煤 层 瓦 斯 含量 测 定 、 煤 与 瓦斯 突出预测预报、 采落煤瓦斯 涌出和煤层气开发等方 面 的关 键 问题 之一 ] ， 研究 不 同主 控 因素 下 的 瓦斯 扩 散规 律具 有重 要意 义 。扩散 系数 是研究 煤层 瓦斯 扩散规 律 的重要 参 数 ， 其 反 映 了 瓦斯 在 煤 的微 小孔 隙 中运 移 快慢 的 能 力 。参 考 文 献 [ 2 3 ] 采 用 瓦斯 吸 附解 吸法 测定扩 散 系 数 ， 然 而 该 方法 局 限于 对 颗 粒 煤 的瓦斯 扩散规 律 进行研 究 ， 属于 开放性 实 验 ， 仅研 究 不 同含水 率 、 温度 条件 下 的瓦斯 扩散 规律 ， 无法 对 实验煤 样 施加 同压 且气体 压 力为恒 定 大气压 而不 能 任意设定 。本文采用规则块煤结合气相色谱分析法 测定 瓦斯 在煤 体 中的扩 散 系数 ， 研 究不 同压 力 、 温度 下瓦 斯扩 散规 律 。 1实验 装置 压 力 、 温 度条 件 下 扩 散 系数 测定 实 验 装 置 主要 由围压 控制 单元 、 温度 控制 单元 、 气体 压力 控制 单元 和 瓦斯 扩散 测定 单 元 组 成 ， 其 结 构 如 图 1所 示 。该 装 置 的工作 原理 将 制 备 的块 煤装 入 煤 样 罐 岩 心夹 持 器 中 ， 将 C H 引入气 室 1 ， 将 N 引入气 室 2 ， 调节 2个 气室 压 力 使 之 平 衡 ， 然 后 利 用 气 相 色谱 测 定 2 个 气室 CH 和 N 的浓 度作 为 初 始 浓 度 ， 经 过 一 定 扩 散 时间后 再 次 利 用 气 相 色 谱 测 定 2个 气 室 C H 和 N 浓 度 ， 得 到气体 组分 浓度 与扩 散时 间 的关 系 。 放 压力表； 函 阀门开关； 压差计 图 1 扩 散 系 数 测 定 实 验 装 置 结 构 1 围压控 制单 元 主要 由围压 泵 、 岩心 夹 持器 、 中间容器及压力表等组成 。围压泵采用液压原理设 计 而成 。岩 心夹 持 器 内分 为岩 心 室 与 环 压 室 ， 由密 封 套 隔绝 。被 测 煤 样 将 岩 心 室 分 隔成 2个 扩 散 气 室 ， 用 于充 装 不 同 气 体 以满 足 扩 散 系 数 测 定 需 求 。 岩心 夹持 器设 计最 大压 力为 7 0 MP a ， 最 小分 辨率 为 0 ． 1 MP a ， 岩心室 密封岩心所用 的密封套采用硅橡 胶 压制 ， 最 高耐 温 为 2 7 O℃ 。 2 温度控制单元采用外加热套方式控制岩心 夹持 器温 度 ， 温 度控 制精 度可 达 0 ． 3℃ ， 设计 最高 温 度为 1 6 0℃ 。该 方式 克 服 了采 用 干燥恒 温箱 外加 热 方式 升温 慢及 无法 实 现 内部 岩 心温 度 检 测 的弊 端 ， 同 时避免 了采 用 内加 热 方 式 的 岩 心夹 持 器 体 积 大 、 样 品装卸 不方 便 的缺点 。 3 气 体压 力 控 制 单 元 主 要 包 括 气 体 增 压 泵 、 阀门开关 、 压力 表 与压 差 计 等 部件 。气 体 增压 泵 在 测试 气 源压力 较低 的情 况下 提供 气源 压力 。非 稳态 扩散 系 数 的测 定要 求不 同扩散气 室气 体具 有相 同的 初 始压 力 ， 通 过 调节 阀 门开 关使 流 向扩 散 气 室 的气 体 产生 稳定 流速 ， 最终 稳 定 在 所 需 测试 压 力 上 。该 测 试压 力控 制精 度为 0 ． 1 k P a 。 4 瓦斯 扩散测 定 单元 主要 由不 同气 体 的扩 散 气室、 气体 自动进样器、 气相色谱等装置组成 。在不 同扩散 气 室 的气 体 压 力 平衡 后 采 集 气 样 ， 利 用 气 相 色谱分 析气 体浓 度 ， 根 据 气 体 组 分浓 度 与 扩 散 时 间 的关 系计算 扩散 系 数 。 另外 ， 对测 试 气路 管 线 、 扩散 气 室 抽 真 空 ， 提 高 扩散 气体 的浓 度 ， 防止空 气 的干扰 。 2煤样 制备 及扩 散 系数计 算 2 ． 1 煤 样制 备 以鹤 壁矿 区煤 样 为实 验 对 象 ， 考察 不 同气体 压 力 、 温度 条件 下块 煤 瓦斯 扩 散 规 律 。采 用 统 一 直径 为 2 ． 5 c m、 厚 度 为 1 ． 2 C 1 T I 的圆盘 煤 样 ， 通过 烘 干 和 抽 真空 ， 排 除其 内孔 隙水 和残 留气体 ， 以免影 响实 验 精 度 。 2 ． 2扩散 系数 计 算 若 煤样 两端 气 室的 C H 浓度 差 为 C， 小 孔 平 均 长度 为 h， 则 浓 度 梯 度 为 C ／ h 。采 用 煤 样 两 端 扩 散 气室 中游 离 C H 浓 度为 扩散 浓度 l 4 ] ， 则 由菲 克定 律 可得 扩散 系数 为 D 一 h T dn dt 1 L／ 式 中 A 为孔 片 的面 积 ； 为 C H 扩 散 量 ； t 为 扩 散 时 间 。 假定 煤样 厚度 为 L， 面 积 为 S ， 则 求 得 的 扩 散 系 数 为有效 扩散 系数 ， 将 式 1 经过 积分 整理 得 D 一 [ 2 ￡ 式 中 C 。 ， C 。 分 别 为第 1次测 定 时气 室 1和气 室 2 的 CH 浓度 ； C C 分别 为 t 时 刻 测定 时 气 室 1和 气 室 2 的 c H 浓 度 ； B 一 击 ，V ，V 分 别 为气室 1和气室 2的体积 。 2 0 l 5年 第 2期 苏恒等 压 力和 温度 对 瓦斯扩散 规律 的影 响研 究 6 7 3不 同压 力 、 温 度 下 的瓦斯 扩散 规律 3 ． 1 实验 数 据 分 2组进行 实验 ， 所用气 体纯度 ≥ 9 9 ． 9 9 5 。 第 1组 温度 和 围压分 别设 定 为 2 5℃ ， 2 0 MP a ， 在 不 同气体 压 力 6 ． 5 ， 8 ． 5 ， 1 O ． 5 ， 1 2 ． 5 MP a 条 件下 进 行 扩 散 系数 测定 ； 第 2组气 体 压 力 和 围压 分 别 设 定 为 5 ， 1 5 MP a ， 在 不 同温 度 2 0 ， 3 0 ， 4 0 ， 5 0℃ 条 件 下 进 行 扩散 系 数测 定 。不 同 实 验 条 件 下 CH 扩 散 系 数 测 定结 果 见表 1 。 表 1 不同实验条件下 CH 扩散 系数测 定结果 3 ． 2 买 验 结 果 3 ． 2 ． 1 压力对块煤瓦斯扩散规律 的影响 保持 温 度为 2 5℃ 、 围压 为 2 0 MP a不变 的条 件 下 ， 气体 压 力 与扩 散 系 数 关 系 如 图 2所示 。随 着 压 力 由 6 ． 5 MP a升 至 1 2 ． 5 MP a ， 扩 散 系数 由 2 ． 1 l 1 0 c m。 ／ s 减少至 1 ． 1 4 1 0 c m ／ s ， 即随着气体 压力的增大 ， 瓦斯扩散系数减小。压力对瓦斯扩散 的影响主要体现在其 对扩散介质 和扩散物质 的影 响 ① 压力对扩散介质的影响。随着气体压力 的增 加 ， 煤 对 CH 的吸 附性 增 强 ， 煤 基 质 吸 附气 体 时 发 生 内向膨 胀变 形 ， 从 而 孔 隙 减 小 ， 扩 散 阻力 增 大 ， 扩 散 系 数降 低 ， 与实 验结 果相 对 应 。② 压 力 对 扩散 物 质 的影响。气体分子在多孔介质中的扩散与分子的 平 均 自由程 有 关 。 由热 力 学 可 知[ 5 ] ， 当温 度 不 变 、 气体压力增加 时， 分子 的平均 自由程减小 ， 而减小 C H 分子 的平 均 自由程 可 增 加 CH 气 体 的 扩散 能 力 _ 6 ] ， 则扩 散 系数增 大 ， 与 实验 现象 矛盾 。但 最 终气 体压力与扩散系数的关系受主控 因素制约 。实验结 果表明， 压力对扩散 系数影 响的主控 因素为煤基质 的 收缩 、 膨胀 变 形 。 3 ． 2 ． 2 温度 对 块煤 瓦斯 扩散 规 律 的影响 保 持 气 体 压 力 为 5 MP a 、 围 压 为 1 5 MP a不 变 ● 童 杂 6 ． 5 8 ．5 1 O ． 5 l 2 ． 5 气体压力／ MP a 图 2恒 定 温 度 、 围压 F 气 体 压 力 与 扩 散 系 数 关 系 的条件 下 ， 温度 与 扩 散 系数 关 系如 图 3所 示 。随 着 温 度 由 2 O℃逐 渐增 大 至 5 O℃ ， 扩散 系数 相应 地 由 1 ． 2 1 1 0 c m ／ s 增 至 2 ． 2 3 1 0 c m ／ s ， 即随 着 温 度 的增加 ， 扩 散 系 数 增 大 。扩 散 的 实 质是 分 子 在 浓 度梯 度下 的运 动 ， 分 子 运 动 论 阐明 了气 体 的温 度 为分子 平均 动 能大 小 的标 志 ] ， 随 着温 度升 高 ， 分 子 运动 速度 增 大 ， 扩散 速 度增 加 ， 扩散 系数 变大 。 图 3 恒定气体 压力 、 围压下温度 与扩散 系数关 系 4 结 论 1 随着气 体 压 力 的增 大 ， 煤 基 质 吸 附 气 体 增 加 ， 煤基质发生 内向膨胀 变形 ， 扩散介质通道变 狭 窄 ， 使扩 散 阻力增 大 ， 扩散 系数 呈下 降趋 势 。 2 随着 温度 的升 高 ， 扩散 物 质本 身 获得 能 量 ， 扩 散 动力增 强 ， 扩散 系数 变大 。 参 考 文 献 E l ； 唐旭． 温度 、 水分对颗粒煤 瓦斯扩散 动力 特性 影响 的实 验研究E D] ． 焦作 河南理工大学 ， 2 o 1 3 ． [ 2 ] 何学秋 ， 张力． 外加 电磁场 对瓦斯 吸附解吸的影响 规律 及作 用 机 理 的 研 究 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 5 6 6l 4 61 8． F 3 3 李 志强 ， 段振伟 ， 景 国勋． 不 同温 度下煤 粒瓦 斯扩散 特 性试验研究 与数 值模 拟E J ] ． 中国安 全科学学 报 ， 2 o 1 2 ， 2 2 4 3 8 4 2 ． [ 4 ] 郝石生 ， 黄志龙 ， 杨 家琦． 天然气 运聚 动平衡 及其应 用 E M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 4 3 - 5 5 ． [ 5 ] 孙 维吉． 不 同孑 L 径下 瓦斯流动 机理及 模型研 究[ D ] ． 阜 新 辽 宁工程技术 大学 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 何 学秋 ， 聂百胜 ． 孔隙气体在煤层 中扩散的机理 [ J ] ． 中 国矿业 大学学报 ， 2 0 0 1 ， 3 0 1 1 - 4 ． [ 7 ] 吴世跃． 煤 层 中的耦合运 动理论 及其 应用具 有吸 附作用的气 固耦 合运 动理 论 [ M] ． 北 京 科学 出版 社 ， 2 OO 9．