粒径-温度耦合作用下煤中瓦斯解吸规律试验研究_袁梅.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 瓦斯灾害一直是制约我国煤矿安全生产的重要 因素，而人类的采掘活动打破了瓦斯原有的吸附- 解吸动态平衡，导致瓦斯从煤体中解吸而引发各类 瓦斯事故，因此研究煤中瓦斯解吸规律具有较大的 科研价值和工程意义。 影响瓦斯解吸的因素很多， 目前许多学者就瓦斯解吸规律进行了大量的研究， DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.008 粒径 - 温度耦合作用下煤中瓦斯解吸规律 试验研究 袁梅 1， 2， 3， 4， 王玉丽5， 李 闯 1， 许石青1， 2， 3， 4， 张 平 1 （1．贵州大学 矿业学院， 贵州 贵阳 550025； 2．贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室， 贵州 贵阳 550025； 3．贵州省优势矿产资源高效利用工程实验室， 贵州 贵阳 550025； 4．复杂地质矿山开采安全技术工程中心， 贵州 贵阳 550025； 5．兴义民族师范学院， 贵州 兴义 562400） 摘要 为探究粒径和温度耦合作用对煤中瓦斯解吸演化规律， 以贵州六盘水矿区 17 号煤层为 研究对象，借助 HCA 高压容量法瓦斯吸附装置，开展了不同粒径和温度条件下的瓦斯解吸试 验。结果表明 温度不变时， 煤中瓦斯解吸量和初始瓦斯解吸量与粒径成反相关关系， 粒径抑制 瓦斯解吸过程； 粒径恒定时， 煤中瓦斯解吸量随温度升高而增加， 温度促进瓦斯解吸过程； 利用 改进巴雷尔式和解吸试验前 30 min 实测数据， 推导得出煤中瓦斯解吸量随粒径和温度耦合作用 的函数关系式； 当粒径从 0.1～0.3 mm 增至 0.75～1 mm 范围， 粒径和温度耦合作用均抑制煤中瓦 斯解吸过程， 瓦斯解吸量总体呈下降趋势， 但其随粒径增大呈快速降低-缓慢降低的渐变趋势， 而随温度变化规律各异。 关键词 粒径； 温度； 耦合作用； 瓦斯解吸； 瓦斯灾害 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0032-04 Experimental Study on Coupling Effect of Particle size and Temperature on Gas Desorption in Coal YUAN Mei1,2,3,4, WANG Yuli5, LI Chuang1, XU Shiqing1,2,3,4, ZHANG Ping1 （1.Mining College of Guizhou University, Guiyang 550025, China；2.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non- metallic Mineral Resources, Guiyang 550025, China；3.Guizhou Engineering Lab of Advantage Mineral Resources Efficient Utilization, Guiyang 550025, China；4.Engineering Center for Safe Mining Technology Under Complex Geologic Conditions, Guiyang 550025, China；5.Xingyi Normal University for Nationalities, Xingyi 562400, China） Abstract In order to investigate the evolution law of the coupling effect of particle size and temperature on gas desorption in coal, the gas desorption test was carried out under different conditions of particle size and temperature by virtue of the HCA gas desorption device in No.17 coal seam of Liupanshui Mining Area in Guizhou Province. The results show that when the temperature is constant, the gas desorption amount and initial gas desorption amount are inversely correlated with the particle size, and the particle size inhibits the gas desorption process. When the particle size is constant, the gas desorption amount in the coal increases with the increase of temperature, and the temperature promotes the gas desorption process. Based on the improved Barrel ula and the data measured from the first 30 minutes of the desorption test, the function relation of gas desorption in coal with the coupling action of particle size and temperature is deduced. When the particle size increases from 0.1 - 0.3 mm to 0.75 - 1 mm, the coupling effect of particle size and temperature inhibits the process of gas desorption in coal, and the gas desorption capacity shows a downward trend as a whole. But it has a trend of gradual change from rapid decrease to slow decrease as the particle size increases and the law varies with temperature. Key words particle size； temperature； coupling； gas desorption； gas disaster 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51864009） ； 贵州大学引进 人才资助项目 （贵大人基合字 （2015） 30 号、（2016） 58 号） 32 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 1不同粒径条件瓦斯解吸试验结果 取得了一定的成果[1-7]。在影响瓦斯解吸因素的现有 研究成果中，多数学者着重采用试验、理论分析等 研究手段探究单因素对煤中瓦斯解吸机制的影响， 就多因素耦合作用对瓦斯解吸的影响研究很少， 尤 其多因素耦合作用与煤中瓦斯解吸量的函数关系及 作用机制的相关研究鲜见报道。以具有突出危险性 的贵州六盘水矿区 17 号煤层为研究对象， 通过不同 粒径和温度条件下的瓦斯解吸试验，探究粒径和温 度耦合作用下煤中瓦斯解吸量变化规律，为煤矿瓦 斯灾害防治及煤层气开发利用提供理论依据。 1煤样选取及试验制备 试验煤样取自贵州六盘水矿区某矿具有突出危 险性的 17 号煤层，取煤地点为 11172 采煤工作面， 埋深约 350 m。 该煤层为焦煤， 煤层倾角 27， 平均厚 度 8 m， 原始瓦斯含量 8.713.86 m3/t， 相对瓦斯压 力 2.5 MPa， 煤层透气性系数 0.440 6 m2/ （MPa2 d） 。 从现场取来的煤经破碎、筛分后选取 3 组粒径尺寸 煤样适量， 在 50 ℃下烘干 2 h， 冷却至室温， 储存于 磨口瓶中备用。 瓦斯解吸试验采用 HCA 高压容量法瓦斯吸附 装置进行， 该设备主要由充气、 温控、 压力监测及数 据采集等部分组成。其中温控部分通过恒温水浴来 实现， 数据采集借助秒表计时读数完成。 2试验方案及步骤 1） 试验方案。不同粒径条件下的瓦斯解吸试验 试验煤样分别选取 0.20～0.30 mm、 0.30～0.45 mm 及 0.85～0.90 mm 3 组粒径。不同温度条件下的瓦斯解 吸试验试验温度依次是 30、 40、 50 ℃。 试验中瓦斯平 衡压力为 1.0 MPa。 2 ） 试验步骤[8]。①称量、 烘干煤样并装罐； ②检 查煤样罐与各连接处气密性；③连接煤样罐与压力 监测仪，将煤样罐放置在 30 ℃恒温水浴中吸附 12 h 左右，确保吸附平衡后的瓦斯压力为 1.0 MPa； ④ 将恒温水浴设置为试验温度后进行瓦斯解吸试验； ⑤待气体压力降为大气压后开始计时、读数并记 录，第 1 min 内每 10 s 读取 1 次数据， 2～30 min 每 分钟读取 1 次， 之后每 5 min 读取 1 次， 解吸时间共 2 h； ⑥处理试验数据， 将试验数据标准化。 3不同粒径和温度条件下煤中瓦斯解吸试验 1） 不同粒径条件下的瓦斯解吸试验。不同粒径 条件下的瓦斯解吸试验结果如图 1。 由图 1 可知， 当 温度恒定时， 各试验煤样的瓦斯解吸量、 初始瓦斯解 吸量与粒径成反相关关系，煤中瓦斯解吸量均随时 间延长而增加，其增加趋势呈先急剧进而缓慢最后 趋于平缓。经比较 3 组粒径试验煤样分别在 30、 60、 90、 120 min 内的累积瓦斯解吸量， 发现煤样在各时 间段内的累积解吸量与粒径成反相关关系，可见粒 径对煤中瓦斯解吸起抑制作用。 2） 不同温度条件下的瓦斯解吸试验。不同温度 条件下的瓦斯解吸试验结果如图 2。由图 2 分析发 现，各种粒径试验煤样在不同温度条件下的瓦斯解 吸量与解吸时间之间变化规律一致，瓦斯解吸量均 随解吸时间延长而增加，但瓦斯解吸量增加的速率 在不同解吸阶段各异，呈先快后慢并逐渐趋于平缓 的变化趋势； 若保持粒径不变， 当解吸温度升高时， 煤中瓦斯解吸量随之逐渐增加， 且温度越高， 瓦斯初 始解吸量越大， 表明温度促进煤中瓦斯解吸过程。 4粒径-温度耦合作用下煤中瓦斯解吸规律 根据上述解吸试验数据统计，发现 3 组粒径煤 33 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 3k、 Q0与 T、 d1间拟合函数关系式 表 2不同粒径条件瓦斯解吸数据拟合结果 （30 ℃） 表 1不同温度条件瓦斯解吸数据拟合结果 （0.20.3 mm） 温度 T/℃解吸拟合式相关系数 R2 30 40 50 q0.342 5t■0.608 0 q0.383 3t■0.625 5 q0.470 3t■0.772 3 0.962 3 0.966 5 0.966 1 粒径 d/mm解吸拟合式相关系数 R2 0.200.30 0.300.45 0.850.90 q0.342 5t■0.608 q0.241t■0.600 5 q0.217 8t■0.416 8 0.962 3 0.929 8 0.957 0 图 2不同温度条件下瓦斯解吸试验结果 样在 30、 40、 50 ℃温度条件下前 30 min 的瓦斯解吸 率在 69.6575.11之间， 而后每增加 30120 min 各时段瓦斯解吸率依次减少，表明煤中瓦斯解吸主 要集中在前 30 min 内。 目前描述瓦斯解吸的理论模型较多，主要的有 巴雷尔式、 文特式、 乌斯基诺夫式、 王佑安式、 孙重 旭式、指数式、艾黎式及秦跃平式等。其中巴雷尔 式、 乌斯季诺夫式、 孙重旭式及指数式对于瓦斯解吸 初期的拟合效果较好[9]。从前述解吸试验数据分析， 煤中瓦斯解吸主要集中于前 30 min 内， 通过对比适 合描述瓦斯解吸初期的模型，选择拟合精度较高的 改进巴雷尔式[10] qkt■Q0（1） 式中 q 为解吸量， mL/g； k 为煤暴露 1 min 后的 瓦斯解吸量， mL/ （g min1/2） ； Q0为 t 时间内的解吸损 失量， mL/g； t 为解吸时间， min。 结合解吸试验前 30 min 的实测数据，推导粒 径-温度耦合作用下煤中瓦斯解吸量的函数关系。 4.1瓦斯解吸试验数据拟合 以 3 组粒径煤样 30 ℃条件下瓦斯解吸试验数 据和粒径为 0.20.3 mm 煤样在 30、 40、 50 ℃条件下 瓦斯解吸试验数据为基础， 其中前 30 min 内实测的 试验数据， 不同温度、 不同粒径条件瓦斯解吸数据拟 合结果分别见表 1、 表 2。 4.2基于粒径-温度耦合作用的瓦斯解吸量函数 将表 1、 表 2 中系数 k、 Q0分别与温度 T、 平均粒 径 d1拟合， k-T、 Q0-T、 k-d1及 Q0- d1间拟合函数关 系式如图 3。 把 k-T、 Q0-T、 k-d1及 Q0-d1间拟合函数关系式 34 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 4瓦斯解吸量随粒径-温度耦合作用变化曲面图 代入式 （1） 可分别得到瓦斯解吸量随温度、 平均粒 径变化的函数关系式 q0.042 2T0.609 9t■0.127 2T0.450 8（2） q0.349 3e -0.575d1 t■0.725 3e -64d1 （3） 若温度为 30 ℃时， 式 （2 ） 和式 （3） 相等， 可得出解 吸时间与平均粒径间函数关系式 t■ -0.735 3e -0.64d1 0.589 4 0.349 3e -0.575d1 0.335 9 （4） 将式 （4）代入式 （2 ）可得到瓦斯解吸量随粒径 和温度变化的函数关系式 q0.042 2T0.609 9-0.735 3e -64d1 0.589 4 0.349 3e -0.575d1 -0.335 9 0.127 2T 0.450 8 （5） 利用式 （5） 绘制的煤中瓦斯解吸量随粒径-温 度耦合作用的变化曲面图如图 4。 由图 4 可以看出，煤中瓦斯解吸量随粒径增大 呈快速降低-缓慢降低的渐变趋势，而其随温度变 化规律则不统一。当粒径为 0.10.3 mm 时， 粒径增 大对煤中瓦斯解吸的抑制能力最强，且温度升高对 煤中瓦斯解吸的促进作用较强烈，此时 2 个因素耦 合作用导致煤中瓦斯解吸量总体呈降低趋势，可见 与温度相比，粒径对煤中瓦斯解吸的抑制效应占主 导地位； 当粒径为 0.30.75 mm 时， 粒径抑制煤中瓦 斯解吸的能力降低，同时温度对瓦斯解吸的促进作 用也减弱，该促进作用随粒径增大逐渐削弱，该范 围内温度和粒径耦合作用对煤中瓦斯解吸影响主要 表现为抑制效应； 粒径在 0.751 mm 间时， 粒径和 温度增大， 瓦斯解吸量均减少， 2 个因素耦合作用表 现为抑制煤中瓦斯解吸。 粒径和温度耦合在上述 3 种情况下均表现出抑 制煤中瓦斯解吸， 但各范围内的抑制程度各异， 粒径 对瓦斯解吸抑制作用随粒径增大而减弱，温度对其 促进作用则越来越强， 两因素相比， 粒径对煤中瓦斯 解吸的抑制作用总强于温度对其促进作用，因而煤 中瓦斯解吸总体受粒径因素的影响，且抑制瓦斯解 吸作用逐渐减弱。 5结论 1） 温度保持不变时， 煤中瓦斯解吸量、 初始瓦斯 解吸量与粒径成反相关关系，粒径抑制瓦斯解吸作 用。若粒径恒定，煤中瓦斯解吸量随温度升高而逐 渐增加， 且温度越高， 瓦斯初始解吸量越大， 表明温 度促进煤中瓦斯解吸作用。 2） 借助改进的巴雷尔式， 利用上述解吸试验前 30 min 实测数据， 推导了煤中瓦斯解吸量随粒径和 温度耦合作用的函数关系式，发现煤中瓦斯解吸量 随粒径增大呈快速降低-缓慢降低的渐变趋势， 但 其随温度变化规律不统一。 3） 粒径在 0.10.3 mm 范围时， 粒径增大对瓦斯 解吸的抑制作用最强，温度升高对瓦斯解吸促进作 用较强烈， 煤中瓦斯解吸量总体下降趋势最显著。 4） 粒径在 0.30.75 mm 范围时， 粒径增大对瓦 斯解吸抑制作用减弱，而温度对瓦斯解吸的促进作 用随粒径增大逐渐削弱， 2 个因素耦合作用抑制煤 中瓦斯解吸， 瓦斯解吸量总体表现为下降趋势。 5） 粒径增至 0.751 mm 范围时， 粒径和温度均 对瓦斯解吸起着抑制作用，煤中瓦斯解吸量在上述 2 个因素共同作用而下降。 参考文献 ［1］ 马东民， 张遂安， 王鹏刚， 等．煤层气解吸的温度效应 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2011， 39 （1） 20－23． ［2］ 王兆丰， 岳高伟， 康博， 等．低温环境对煤的瓦斯解吸 抑制效应试验 ［J］ ．重庆大学学报， 2014， 37 （9） 106. ［3］ Chen X J, Wang Z F, Yang H M, et al．Research on the gas desorption law of the consumingly destruct coal ［J］ ． Journal of Coal Science, 2008, 14 （2） 263－266． ［4］ Liu J K, Wang C X, He X Q, et al． Infrared measure－ ment of temperature field in coal gas desorption ［J］ ． In－ ternational Journal of Mining Science and Technology, 2014, 24 （1） 57－61． ［5］ 刘彦伟， 魏建平， 何志刚， 等．温度对煤粒瓦斯扩散动 态过程的影响规律与机理 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （S1） 100－105． （下转第 40 页） 35 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 3） 围压对于渗透率的影响较为明显， 随着围压 的增加，渗透率呈现出减小的趋势。在相对低压阶 段， 渗透率的降低幅度较大； 随着压力的增大， 渗透 率的下降幅度逐渐变小， 甚至有趋于稳定的趋势。 4） 不同煤样在温度增加的前期阶段， 随着温度 的升高，渗透率呈现出加速增大的态势；在酸化的 中间阶段，渗透率逐渐下降；在温度增加的后期阶 段，渗透率随温度的升高虽还有所降低，但变化趋 势不再特别明显， 逐渐进入平稳阶段。 参考文献 ［1］ 刘炎杰．低渗透煤储层酸化改造实验研究 ［D］ ．焦作 河南理工大学， 2016． ［2］ 彭春洋， 陈健， 原晓珠， 等．煤层气储层渗透性影响因 素分析 ［J］ ．煤， 2011， 20 （5） 38－41． ［3］ 张迎新， 杨杰， 王鹏飞， 等．酸化工艺的煤层增透新技 术 ［J］ ．黑龙江科技大学学报， 2014， 24 （2） 177－181． ［4］ 贺玉龙， 杨立中．温度和有效应力对砂岩渗透率的影 响机理研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2005， 24 （12） 2420－2427． ［5］ 郝振良．热应力作用下的有效应力对多孔介质渗透系 数的影响 ［J］ ．水动力学研究与进展， 2003， 18 （6） 792－796． ［6］ 彭博， 李雄， 饶孜， 胡勇．新维矿区围岩瓦斯渗透率演 化规律研究 ［J］ ．中国煤炭， 2019 （5） 59－63． ［7］ 李志强， 鲜学福， 隆晴明．不同温度应力条件下煤体渗 透率实验研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2009， 38 （4） 523－527． ［8］ 曹树刚， 郭平， 李勇， 等．瓦斯压力对原煤渗透特性的 影响 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （4） 595－599． ［9］ 李明敏． 褐煤热解渗透及其微观结构变化的研究 ［D］ ．太原 太原理工大学， 2012． 作者简介 李紫竹 （1988） ， 女， 辽宁沈阳人， 助理工程 师， 本科， 2014 年毕业于辽宁工程技术大学， 现从事科研与 技术管理工作。 （收稿日期 2019-08-19； 责任编辑 王福厚） ［6］ 聂百胜， 杨涛， 李祥春， 等．煤粒瓦斯解吸扩散规律实 验 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2013， 42 （6） 975－980． ［7］ 史广山， 魏风清， 高志扬．煤粒瓦斯解吸温度变化影响 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