21.振动场影响下瓦斯渗流与解吸特性实验研究 - 王 松.doc

振动场影响瓦斯渗流与解吸特性实验研究 王松1严家平1,3朱文伟2姜松2 刘瑞珍1朱和宝1 1. 安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001;2. 安徽煤田地质局勘查设计院安徽合肥230088; 3. 安徽理工大学国家重点地质灾害实验室安徽淮南232001 摘要通过高频振动场影响瓦斯渗流和解吸特性的原理,设计了一种用于对有限体积含瓦斯煤体进行高频振动、促进瓦斯解吸并改变煤体渗透率等渗流特性的瓦斯抽采振动系统。该振动系统以高频振动电机为核心,由激振系统、循环水流降温系统、能量传递系统、吸附解吸测试系统、加压系统、气体供给系统及数据采集系统等多个系统来完成。本文主要介绍振动增透系统的组成部分、技术参数、操作方法、实验过程及实验结果等。实验结果表明,在高频振动场作用下,瓦斯解吸量显著增加,渗透率也明显增大,能够实现对含瓦斯煤体振动增透解吸的目标。随着注气压力的增大,渗透率K是下降的,而且振动后K的这种下降趋势更明显。瓦斯自由解吸阶段,解吸量与时间曲线的斜率是逐渐降低的,并逐渐趋于一个稳定值。每个振动解析过程中,解吸速率是快速降低的,但是在解吸初始阶段存在一个明显的先升高后缓慢降低的过程。同样在振动促进瓦斯解吸的实验中也发现解吸速率存在这一规律。 关键词振动场;瓦斯解吸量;渗透率;测试系统;解吸速率 The Experimental Research of Gas Seepage and desorption Characteristics in the Influence of High-frequency Vibration WANG Song1 YAN Jiaping1, 3 ZHU Wenwei2 JIANG Song2 LIU Ruizhen1 ZHU Hebao1 1.School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001; 2. Anhui Coal Geological Survey and Design Institute, Hefei 230088; 3. The State Key Laboratory of Geological Hazards, Huainan 232001 Abstract With the theory of high-frequency vibration field influence the methane seepage and the desorption characteristic, we design a kind of extraction vibration system in order to vibrate a finite volume containing methane with high frequency. And it is used for promoting the methane seepage and changing the seepage characteristic, such as coal permeability. The vibration system takes the high-frequency motor to be the core, and the experiment is completed with the help of the excitation system, the circulating water cooling system, the energy transfer system, the adsorption-desorption test system, the pressurization system, gas supply system , data acquisition system and other systems. This paper mainly describes the component elements of the vibration system, technical parameters, s of operation, experimental analysis and results of experiments. Experimental result 作者简介王松,男,汉族,安徽省淮南市人,1983年07月09日生,2010年6月毕业于安徽理工大学,获得地质工程专业硕士学位,现就读于安徽理工大学,从事煤层气与瓦斯地质方面的研究。通讯地址安徽理工大学校本部07级研究生7班 89信箱王松收邮编232001;E- 联系电话135******** 课题来源本课题来源于国家自然科学基金项目振动条件下煤中瓦斯吸附与解吸特征研究,编号为[40972105]。同时本课题也是安徽省煤田地质局重点项目资助,编号为皖煤地发[2008] 31 号文件,项目名称为两淮煤田煤中瓦斯振动条件下的吸附与解吸特征研究。 shows that under the action of high-frequency vibration field, a significant increase in the amount of methane desorption has been seen and the permeability has also increased significantly. The goal of increasing the permeability and desorption quantity could be achieved by the vibration to the gas-containing coal . With the increase of gas injection pressure,the permeability K is dropping,and the downtrend of K is more obvious after the vibration. In the process of gas free desorption, the slope of the curve to the gas free desorption quantity and time reduces gradually, and gradually tends to be a stable value. In each vibration desorption process, the desorption speed reduces quickly, but there is an obvious process that the free desorption speed firstly increase and then reduce in the initial desorption stage. Also we could find the same phenomenon of desorption speed in the experiments of vibration promoting gas desorption. Key words vibration field; gas desorption volume; permeability; test system; desorption speed 由于含瓦斯煤体煤质、煤岩组分的差异和瓦斯赋存条件的复杂性,以及外加荷载、温度、地应力场、煤变质程度、埋藏深度等决定了煤体中瓦斯吸附、解吸过程的复杂性。通常含瓦斯煤体在气体扩散、渗流过程中往往伴随有声、光、电、热、磁、震波等物理效应的发生。同时伴随有含瓦斯煤体的力学状态、温度、气压等的变化。分析和利用这些效应产生的机理和变化规律,对研究解决高瓦斯突出矿井的瓦斯危害防治具有重要意义。郭平生[1]等研究发现,在超声波场中吸附相分子比非吸附相分子获得更多的能量,一般要大10个数量级以上。当超声波频率达到吸附相分子的固有频率时使解吸速率最大。任伟杰等[2]用20 kHz 的功率声波对同种煤样进行了测试,得出超声波使得煤岩小尺度裂隙数目增加,使抗压强度最大可降低20 40 ;超声振动方向与煤层层理一致时,可使煤岩试样测试的渗透率增大1 倍左右。聂百胜,何学秋,王恩元[3]发现超声波对煤甲烷系统产生热效应,能够改变煤体甲烷的吸附势垒,提高扩散系数,实验得出温度增加了约12℃。姜永东,鲜学福等[4]认为向煤体中辐射大功率振波时,其纵波使煤体受到交替变化的拉应力和压应力作用,使质点产生疏密相间的纵向振动。在振动作用下,孔隙半径发生时大时小的变化,有利于煤层气从过渡孔隙中扩散;煤体质点发生位移,造成煤的裂隙和孔隙增多。因此,为了达到利用高频振波促进煤体中瓦斯解吸的目的,分析振动场对煤体渗流特性、解吸量的影响是很有必要的。在此主要讨论振动场对煤体渗透率K、瓦斯解吸量及瓦斯解吸速率的影响。 1 吸附、渗流、解吸特性分析 图1 实验装置结构图 Figure 1 The construction drawing of the experimental facility 煤体是由孔隙、裂隙系统和煤骨架组成的多孔介质。当向煤体中注气时,瓦斯分子不能立即与孔隙、裂隙表面接触,形成瓦斯压力梯度和浓度梯度[5]。开始注气时瓦斯压力梯度引起的渗流占主导地位,压力梯度变化很快;随后瓦斯向煤体深部扩散,需克服孔隙阻力,即由浓度差引起的扩散占主导地位。同样在瓦斯解吸开始时,压力梯度大,裂隙系统的渗流占主导地位,压力梯度降低很快;随后煤体深部瓦斯在浓度差作用下由孔隙系统向裂隙系统的扩散占主导地位,压力梯度变化缓慢。当解吸趋于平衡时,对一定体积的煤体进行振动,增大了瓦斯分子由孔隙系统向裂隙系统渗流扩散的通道【6】并使瓦斯分子与煤体孔隙内表面分离,促使瓦斯解吸量增加。 2.高频振动场影响下瓦斯渗流、解吸实验研究 2.1实验设计依据 本实验以“煤层瓦斯动力作用模拟系统”为实验平台,以含瓦斯煤体振动装置为实验主体,研究高频振动场对含瓦斯煤体渗透率和解吸量的影响。煤层瓦斯动力作用模拟系统主要由液压系统、注气系统、温度显示系统、气压显示系统、煤岩压力显示系统和数据采集系统组成,如图1所示。样品室为圆柱形,内径276mm,煤样长度1200mm,模型外形尺寸长宽高2300mm1250mm1200mm,重量 1.5t。实验中煤体所受轴向压力0-25Mpa,达到25 Mpa时就接近煤样在地下所受到的实际煤岩压力了。煤样所受瓦斯压力0-2.5 Mpa可调,能够满足实验需要。温度传感器测量范围0-100℃,数据采集系统实时显示温度传感器、气压传感器、煤岩应力传感器、上、下游气体流量计数据,并采集存储这些数据以便具体分析。振动增透装置在图1样品室的中轴线位置。振动增透系统专为干燥煤钻孔的振动而设计。循环水流降温系统可以将振动棒偏心块与棒体摩擦产生的热量带出,防止棒体过热损坏;能量传递系统既保证了振动能量的有效传递,也给循环水流提供了流动空间;激振系统提供了高频振动场,使有效范围内煤体得到足够的振动能量。 2.2本发明系统的操作流程 1.钻孔在煤体中钻孔,要求钻孔直径略大于振动棒的外径。根据设计深度,把振动棒放入钻孔中。 图2. 振动装置示意图和填充条、填充块的形状 Figure 2 The sketch map of the vibration system and the shap of the filling Strip and filling block 图3 恒温振动装置结构简图 Figure 3 The skeleton drawing of the vibration system in a constant temperaturet 2.配套系统的链接先在电源线上接上双掷开关,接着在火线上接入一个调速器,然后接入一块万用表测量经调速器变压后输出的电压值;接着接入振动棒的变频稳压器,在变频器的输出端接入一块万用表测量输入振动棒的电流值。 3.振动棒的工作状态调节闭合双掷开关,通过调速器和万用表将输入电压控制在设计值U0附近。然后打开循环水流通道注入水流,接着通过遥控开关开启振动棒,并根据出水口处水温调节水流量。 4.数据记录通过两块万用表记录振动棒的实际工作电压Ui、电流Ii及瓦斯解吸量Qi。 5.数据处理与分析通过对所得数据的处理与分析,得出最优振动参数。 2.3 主要技术参数 填充条和填充块介于振动棒体和外壳之间,且与二者完全吻合。1.最高工作电压 220v,最低工作电压124v,振动棒外观尺寸φ76mm420mm。2.采用机械式激振装置,电动机内置于棒头,电机额定转速12000r/min,激振力3KN,振动主频103hz-192hz可调。 通过实验室模拟实验发现改进后的振动棒在使用过程中不存在棒体发热的问题,同时通过万用表测量得知改进后的振动棒在使用过程中电压、电流、振动频率都可以认为调节,而且可以实时监测其变化,使用过程中也不存在漏电的情况,均达到设计要求。 3.实验煤样与试验 3.1试验样品 试验煤样取自淮南潘三矿生产矿井采煤工作面13槽煤,为高瓦斯突出煤层,埋深-728米,密度1.357g/cm3。为准确了解煤体结构类型,不仅在井下进行观测描述,同时将采集的煤样进行筛分,以了解煤样的块度结构组合。从现场来看,煤体裂隙发育,破碎,质脆,密度小,反射率高,颜色暗黑。煤层顶板为泥岩和砂岩,巷道迎头取煤点处无水。煤样在筛分前未进行破碎碾压即进行筛分,筛分结果如表1 表1 潘三煤样筛分结果 Map 1 The sieving result of Pansan coal sample 煤块直径重量kg质量百分数筛分标准 小于2mm 15.99 14.328 用直径2mm筛子 2-6mm 20.25 18.145 用直径6mm筛子 6-20mm 37.66 33.746 用游标卡尺卡出20mm的几块标准 样,后手捡分离出来 20-60mm 20.67 18.522 用游标卡尺卡出60mm的几块标准 样,然后手捡分离出来 60-100mm 17.03 15.260 用游标卡尺卡出若干最大块煤样的 直径,然后取平均直径,约100mm 总计111.6 100.001 根据筛分实验的结果可以看出直径小 于6mm的煤块,总重36.24kg,;直径 6mm-20mm的煤块,总重37.66kg;直径介 于6mm-100mm的煤块,总重37.70kg。根据 中华人民共和国煤炭工业部制定防治煤 与瓦斯突出细则中煤的破坏类型分类标准, 本实验煤样属于Ⅲ类煤。 3.2试验方法 根据设计本实验所用煤样重量约68kg, 试验操作步骤如下 1.煤样压缩采用轴向加载、分层压实的 方法,最大油压为25MPa,达到埋深约1000m左右的煤体的应力状态,分5次压实,加压时间10-20min不等。 2.向样品室注入高压瓦斯,注气压力0.6Mpa并维持18小时,然后开始解吸,并记录不同时刻的瓦斯解吸量。 3.解吸完成后开启振动装置,通过调速器和万用表调节振动装置工作电压,然后利用矿井地震探测仪KDZ1114-3对振动信号进行采集,并利用地震波CT处理软件对波形进行频谱分析。同时记录不同时刻的瓦斯解吸量。 4.最后测量停振时和振动中煤体的渗透率。在上述整个过程中温度传感器、煤岩压力传感器、气压传感器数值都是通过数据采集系统实时显示、记录并存储的,如图4所示。 4.实验数据分析 4.1未经振动煤体瓦斯自由解吸实验 瓦斯解吸是一个受瓦斯压力、渗透率和时间等多因素影响的过程。打开装煤样缸体的排气阀,让煤体内的气体自由流到集气量筒中,瓦斯自由解吸阶段瓦斯解吸量随时间变化见下图5,其解吸速率变化见下面的图6。 图4实验步骤 Figure 4 The experimental procedure 瓦斯解吸速率是指单位时间内的解吸气量。受控于煤的组成、煤基块大小、煤化程度和煤的破碎程度。自然条件下解吸速率表现为快速下降,但初始存在一个加速过程,中间解吸速率出现跳跃性变化。如图6。煤样参数煤层潘三矿11槽煤;采样深度-728m ;解吸温度13.70 C ;解吸气量195ml ;样品质量70kg ;解吸历时18min 。集气参数排水集气法 【7】 ,集气 筒直径ф15cm ;解吸后期采用量筒集气,量筒量程0-1000ml ;集气柱长度h i ;时间t i ;解吸量Q i ;瞬时解吸速度V i ,则 Q i i h 2 2φ π1 V i i i i i t t ---1 Q Q 2 以此计算瓦斯解吸量和瞬时解吸速度。 从图5和图6可以看出,在CO 2自由解吸阶段,其解吸量Q-t 曲线斜率是逐渐降低的, 最后解吸量趋于一个稳定值。上次CO 2自然解吸3天后CO 2变为0Mpa ;3个月后,煤样仓中的CO 2压力为0.01Mpa 。此次解吸煤样重量70kg ,CO 2初始解吸压力0.01Mpa ,历时18分钟,最终解吸量为195ml 。CO 2自由解吸时解吸速率总体上表现为快速下降,但初始阶段存在一个升高过程,即图6中第3-5分钟内CO 2解吸速率比较大。此次解吸初始气压很低,说明第一次解析后,虽然关闭了煤样仓的进出气阀门,但是CO 2压力恢复不明显。从数据处理的结果来看,虽然这前后两次解吸实验的初始解吸压力相差很大,但是CO 2解吸特征相 似,解吸速率都有一个升高的阶段。这一特征的存在是由煤体结构特征决定的。刚开始解吸时,宏观裂隙中的CO 2首先运移到及其装置中,此时微观裂隙和孔隙中的CO 2尚未运移到宏观裂隙中,所以解吸速率是降低的。当空隙中的瓦斯在浓度差作用下大量扩散到宏观裂隙中时,解吸速率会出现短暂的上升阶段。随后宏观裂隙中CO 2补给量减少引起解吸速率再次平缓降低。由此可以推断,对于破碎程度比较高的碎粒煤、糜棱煤或原生割理系统发育且连通性好的煤体,这一特征就不会很明显。对于渗透性差、地应力高的煤体,这一特征是普遍存在的。 图8振动解吸过程中温度、煤体应力的变化 Figure 8 The Changes of temperature and stress in Vibration desorption process of the coal 在本次解吸实验图7中看出,在1100-1120是自由解吸阶段。高应力区煤体应力2传感器值降低的幅度比低应力区应力5传感器值降低的幅度大。从瓦斯地质学中我们知道对于裂 隙发育的构造煤,煤体瓦斯解吸过程中高应力区出现的卸载作用或应力释放效应明显强于低 应力区。煤基质中瓦斯气体在浓度差的作用下向裂隙系统扩散,引起煤基质解吸收缩;又因为容器内高应力带的煤体压缩程度高、密度大,单位体积内的收缩变形量就大,收缩应力降低的幅度就大。 4.2振动期间和振动之后的瓦斯解吸曲线 图8中煤样与图7煤样是同一煤样,数据出自同一组实验,只是显示的重点不同。图8中,11301215是CO 2自由解吸完成后首次振动增加解吸量;12501311是第二次振动增加解吸量。从图8也可以看出,在两次振动解吸阶段,煤体内部温度是逐渐线性上升的,而且煤体应力都有不同程度的降低,停振后煤体应力都有所恢复;但是第一次振动后低煤体应力延续了约10min ,第二次振动后低煤体应力延续了约9min 。这说明振动场撤销后,煤体应力的恢复需要一段时间,而且要低于原始煤体应力。 自由解吸完成后,第一次持续振动约15min ,振动停止后15分钟,发现流速从0突然猛增,然后越来越慢,最后停止时气体解吸量增加了210mL ,历时55min 。第二次持续振动约21min ,振动停止后30分钟发现流速从0突然猛增,然后越来越慢,最后停止时气体解吸量增加了278mL ,历时163min 。振动信号及其频谱如图9下 在实验中我们发现自由解吸后的含瓦斯煤体,在被施加15min 的持续振动场后瓦斯量并没有增加,而是在停止振动后再经历一段时间瓦斯量才增加,而且瓦斯解吸速率也是逐渐递减的,而且也存在一个升高过程,与瓦斯自由解吸时相似,如图12、13所示。图10可以看出,瓦斯解吸量曲线在自由解析阶段是斜率逐渐递减的,但在振动场作用后,解吸量曲线斜率先增大后减小,总体曲线呈现波浪式递增,只是增幅越来越小,如图11所示。从图12、13的振动解吸曲线来看,解吸速率随时间变化的过程比较复杂,用函数进行拟合后,相关系数很低,认为振动解吸速率已不适合用某一个函数来表示。但是对于一次振动 图9 振动信号及其频谱 Figure 9 The vibration signals and spectrum 增透解吸过程来看,瓦斯解吸速率曲线规律性比较强,用函数进行曲线拟合效果比较好。 4.3测量振动后煤体的渗透率 经过50分钟的振动后,测量煤体的渗透率K 。收集瓦斯的集气瓶直径15cm ;实验温度24.5℃;煤腔内径27.6cm 。渗透率 [8] 22 221n p p A LZ p Q K a - μ 3 其中a P 是流量测量点处的大气压力;μ为甲烷的粘滞系数,μ0.0001087;Z 为2P 、a P 作用下的压缩系数之比,此处z1;Q n 为渗流量;A 为装样容器的横截面积,A598.2849cm 2 ;L 为煤样压缩后轴向长度,L64cm 。 表2振动前后煤体的渗透率K Table 2 The permeability of the coal after and before vibration 振动后测K ,10-4 mD 时间s 排气体积V Qn 渗透率K P1 330 5354.4519 16.22561 0.00129185 0.23 180 5760.8954 32.00497 0.001269646 0.31 215 9330.53 43.39781 0.001239382 0.36 170 9206.8298 54.15782 0.001233214 0.4 145 9913.6881 68.37026 0.001213123 0.45 135 11398.091 84.4303 0.001201588 0.5 110 11292.062 102.6551 0.001198735 0.55 90 10991.647 122.1294 0.001191847 0.6 振动前测K, 10-4mD 310 8977.1009 28.95839 0.001236382 0.3 76 4241.15 55.80461 0.001205609 0.41 61 5089.38 83.43246 0.001187387 0.5 50 6167.339 123.3468 0.001163503 0.61 从上表中可以看出,在相同的注气压力P1下测量煤体的渗透率,振动后煤体渗透率有较大的提高。在振动场作用下,煤体受到振源交替变化的拉应力和压应力作用,使煤体产生相应交替变化的伸长和压缩弹性形变,使高应力区内的裂隙尖端由于应力集中而达到裂纹扩展的临界状态。同时在振动作用下,孔隙半径发生时大时小的变化,有利于煤层气从过渡孔隙中扩散;振动也使煤体质点发生位移,造成煤的裂隙和孔隙增多。因此,振动后煤体渗透率有一定程度的提高。另外从表中还可以看出随着注气压力的增大,渗透率K是下降的,而且振动后K的这种下降趋势更明显。这是因为在注气压力较小时,随着注气压力的增加,瓦斯压力增加导致的孔隙扩张量要小于吸附态瓦斯量增加导致的渗透孔隙的减小量,表现为渗透率K减小[9]。 5 实验结论 1.振动能量传递到煤体中增加了煤体内能,使煤颗粒间产生相对位移、颗粒间接触更加紧密,降低煤岩应力。振动后煤体渗透率有较大的提高,振动波场能够破坏突出煤体内部颗粒之间的粘结状态,增加煤体裂隙宽度,使裂隙延长和贯通,提高煤体的渗透能力。 2.随着注气压力的增大,渗透率K是下降的,而且振动后K的这种下降趋势更明显。在注气压力较小时,随着注气压力的增加,瓦斯压力增加导致的孔隙扩张量要小于吸附态瓦斯量增加导致的渗透孔隙的减小量,表现为随瓦斯压力P1增大渗透率K减小。 3.当温度升高时,煤体膨胀应力增加,裂隙被压缩,煤体渗透能力降低;温度降低时,煤体收缩,裂隙扩张,煤体渗透能力增强。 4. 瓦斯自由解吸阶段,解吸量与时间曲线的斜率是逐渐降低的,并逐渐趋于一个稳定值。解吸速率是快速降低的,但是在解吸初始阶段存在一个明显的先升高后缓慢降低的过程。同样在振动促进瓦斯解吸的实验中也发现解吸速率存在这一规律。 5. 在后续振动增透实验中,振动时瓦斯解吸量并不明显增加,而是在振后一段时间内才出现瓦斯解吸速率和解吸量的明显增大,而且解吸速率仍存在一个先增后减的过程。 6.在每次振动解吸过程中,解吸速率是逐渐降低的,解吸量出现波浪式缓慢增长。在多次振动解吸实验的整个过程中解吸速率随时间变化的曲线比较复杂,相关系数很低,不适合用某一个函数来表示。但是对于一次振动增透解吸过程来看,瓦斯解吸速率曲线规律性比较强,用函数进行曲线拟合效果比较好。 参考文献 [1] 郭平生,韩光泽等.超声波场影响Langgmuir吸附相平衡的机理分析[J].华南理工大学学报自然科学 版.2006,341025-29. 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