受振粒煤瓦斯扩散特性实验研究
时间：2023-05-28 14:15:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈学习，金霏阳，申茂良，高泽帅，张 虎
（1.华北科技学院安全监管学院，北京 101601；
2.安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001）
由于能源结构的原因，我国主体能源依旧以煤炭为主。但全国部分地区煤层存在瓦斯含量高、煤层透气性低等特点，煤与瓦斯突出事故时有发生。这类事故造成损失大，社会影响恶劣，对煤矿企业生产有巨大负面作用[1-2]。突出事故的发生与煤体自身的理化性质及煤体中瓦斯运移过程息息相关。煤作为1 种多孔介质、其孔隙结构复杂、非均质性强，蕴含在其中的瓦斯气体流动过程复杂性高，该过程是1 个吸附-解吸-扩散的复杂流动过程。煤体中大部分瓦斯吸附在煤颗粒内表面上[3]。瓦斯在煤颗粒表面的解吸属于物理解吸，该过程可在极短时间内完成，相对于瓦斯渗流和扩散的时间，可忽略不计。因此，煤体中的瓦斯的运移速度与扩散过程的快慢有关，有关键性的影响作用[4]。影响粒煤中瓦斯扩散速度的因素有很多种，经过分析发现，最具有影响效果的是煤样粒径[5-6]。煤粒越小，甲烷在煤体中扩散越容易，扩散速度越大。同时煤样的初始有效扩散系数与煤样粒径成正相关关系，如果煤样粒度开始不足6 mm，随着粒度的增加，瓦斯涌出强度Q 与其为负相关关系，衰减系数β 也为负相关关系，衰减程度不一[4-7]。综上所述，瓦斯解吸扩散规律主要与其粒径、初始有效扩散系数有关[8-10]。而通过梳理矿山企业的安全事故，发现在有记录的突出事故中，绝大多数是由“小扰动”引起的。这些“小扰动”是巷道掘进过程中钻孔施工所产生[2]。有学者分析认为[2,6,11]，“小扰动”引起的振动可能会导致煤体孔隙结构产生变化，这将对煤的吸附-解吸-扩散过程有着重要影响。
通过梳理前人在振动条件下对瓦斯吸附-解吸-扩散过程中影响因素的研究，发现学者们从不同方面进行了一定程度的研究。Naderi 和Babadagli发现[12]声波技术可以提高气体抽采效率；
Mohammadian E 等[13]研究了声波降低煤对气体吸附能力、提高气体解吸率的机理；
Wang HY 等[14]发现空化水射流产生的振动和热效应可以促进气体的解吸；
Ni GH 等[15]研究了在施加脉冲条件下，水力压裂技术对气体解吸的影响规律，发现随着施加脉冲的效果增加，会明显促进气体解吸。然而，这些研究鲜有考虑机械振动作用下，煤体瓦斯吸附-解吸-扩散过程中的流动规律。因此，为了探究机械振动对煤体瓦斯解吸的影响，通过整理一系列理论模型，发现前人通常采用常系数相关模型研究振动条件下煤体扩散特性[16]；
但经过深入研究发现，随着解吸时间的延长，气体扩散逐渐由大孔向微孔发展，气体扩散阻力产生差别。所以，采用常系数相关模型分析瓦斯在煤中的扩散规律是不准确的。经过总结和分析现有的气体扩散模型的优缺点，Li 等[16-17]提出了1 种基于煤体多孔介质的动态扩散系数模型，这提高了定量研究瓦斯动态扩散过程的模型精度。
综上，立足于实验角度，通过建立振动-吸附-解吸实验系统，开展机械振动条件下的煤样解吸实验，研究煤样粒径和振动频率对气体解吸的影响规律；
以期为防治瓦斯突出工作和煤层瓦斯开采工作提供参考依据。
影响煤粒瓦斯解吸的因素有很多，比如煤粒外表面，或者是煤的内部孔隙。瓦斯气体在煤粒内部流动时，是1 个复杂且多变的过程，对于瓦斯气体的流动扩散过程，单一的“菲克扩散”并不能描述完全，因此需要结合“达西流”一起描述。
于是，为了更加至关的描述瓦斯气体的扩散过程，将煤粒通过其他物质换算，比如各向同性的均质球形颗粒，通过计算机软件构建菲克扩散模型，计算解析解[6,18]：
式中：t 为时间标志；
Qt为在t 时刻下的气体扩散量；
Q∞为从t 时刻开始到∞时刻气体扩散总量；
r0为煤粒半径；
D 为扩散系数。
t 时间内的相对解吸率用Qt/Q∞表达。当t 值较小时，式（1）可简化为[19-20]：
极限扩散量Q∞可由下式计算[18,20]：
式中：p 为瓦斯气体平衡压力；
p0为大气压力；
a、b 为吸附常数；
Ts、T0为测定吸附常数a、b 值时实验温度；
T 为初始吸附温度；
Aad为灰分，Mad为水分；
n 为实验系数。
在该模型中，可以通过Q∞和Qt这2 个主要部分对模型进行理解，Q∞与物体表面有关，指的是解吸量，一部分由煤样外表面提供，另一部分由敞开大孔表面提供；
Qt为扩散量，来自于煤层内部，产生于空隙表面。然而式（4）中只说明了扩散量Qt，而解吸率与时间之间也存在一定关系，通过上式做不到直观的表达，所以需要改进式（4），因此：
式中：A 为常数。
当t 较小时（一般在10 min 以内），通过绘制解吸率和时间关系函数图像即可得到扩散系数D。
按照实验目的和要求，对实验装置进行了确定，实验设备原理图如图1，进行振动作用下粒煤的解吸-扩散实验。实验装置的组成部分为4 个系统，分别为供气系统、机械振动系统、气体吸附解吸系统、数据测量系统[11]。
供气系统由瓦斯气瓶、减压阀、真空泵和截止阀组成。瓦斯气瓶为煤样的吸附提供高压气体，通过控制减压阀获取所需要的气体压力。机械振动系统构成部分主要有信号发生器、功率放大器和电动振动发生器；
信号器可产生2 Hz 至2 kHz 的信号，信号可以通过功率放大器放大到500 W，通过连接电动激振器可以产生不同的振动形式和振动频率，振动发生器的最大振动幅度为10 mm，最大振动力为200 N，最大加速度为25g；
电动振动发生器通过连杆与煤样罐连接，振动产生的能量通过连杆传输至煤样罐内部。气体吸附解吸系统由瓦斯吸脱附测定仪、瓦斯气体吸附装置、煤样罐、恒温器及截止阀组成；
将煤样罐放置在恒温器中，通过调节截止阀进行控制，该装置可实现抽真空、吸附气体等功能，瓦斯吸脱附测定仪可以自动测量气体脱附数据。数据测量系统，为了准确获取气体解吸数据，设备还连接了1 个外部数据采集系统；
测量系统架构组成有加速度传感器、瓦斯压力传感器、计算机、量筒等相关设备；
压力传感器的精度为0.1%，加速度传感器灵敏度为5%。
实验煤样来自于郑州，由煤炭工业（集团）桧树亭煤炭有限责任公司提供，选取煤样的种类为贫煤，从80 m 水平的二1 煤层中取得的实验煤样。在实验室通过破碎机破碎煤体，通过不同实验样品来获取更为准确的结果，实验选取了2 种粒径煤样，分别为1～3 mm 和0.25～0.3 mm。
首先针对粒径为0.25～0.3 mm 煤样进行实验，称取180 g 煤样，全部倒进煤样罐内，向罐内充进气体，再脱气，不断循环这2 个操作，最大程度除掉不需要的杂质气体。准备水浴处理，将温度保持在30 ℃不变，充进1.0 MPa 的瓦斯气体，开始恒压吸附，吸附时长10 h，到达平衡状态，进行振动和不振动的解吸实验，振动时的频率为30 Hz，记录好相关数据结束实验。称取180 g 筛选出来粒径为1～3 mm 的煤样，装进煤样罐内重复进行上述实验和数据记录工作。
根据实验过程中记录的瓦斯扩散量数据，可求得煤样的扩散速度。扩散量与扩散速度随时间的变化曲线如图2 和图3。
由图2 和图3 可以看出，对于相同粒径的煤样，施加振动后，扩散量和扩散速度增大。图2 中不振动条件下，2 种粒径煤样扩散曲线在扩散前期形成交叉，说明在扩散前期，影响扩散特性的主要因素就是煤样粒径的变化；
在扩散后期，振动作用下的煤样扩散量曲线明显高于未施加振动条件下的煤样曲线，说明振动的影响占主要作用。图3 中，扩散前期，粒径小的煤样的扩散速度明显快，一段时间后，差异性明显缩小；
解吸前10 min 内，时间是不断发生变化的，因此解吸率Qt/Q∞也不会相同。绘制两者的关系曲线，通过线性拟合，得到的结果如图4～图7。瓦斯解吸的初始有效扩散系数D，可以通过第1节的计算公式得出，结果见表1。通过观察图4～图7 施加振动前后2 种粒径煤样扩散率与时间的关系图，可以发现2 种粒径煤样在是否施加振动条件下的拟合曲线都有较高的相关性系数，相关系数R2均在0.970 以上，说明拟合的吻合程度很高，线性程度很好。2 种粒径煤样在施加振动前后，斜率k 值都有不同程度的增加，0.25～0.3 mm 煤样k 值增长约为11.2%，1～3 mm 煤样k 值增长约为7.5%。大粒径煤样k 值在振动前后都高于小粒径煤样，但其振动后的增长率却小于小粒径煤样。
表1 不同条件下的煤样初始有效扩散系数Table 1 Initial effective diffusion coefficients of coal samples under different conditions
通过观察表1 发现：对2 种粒径煤样施加相同的振动频率，大粒径煤样比小粒径的煤样拥有更大的扩散系数，数值差距约为2 个数量级。实验发现2种粒径煤样，在受到一定程度的振动后，煤样的初始有效扩散系数在振动作用的影响下都有了明显的提升，比例分别在15.6%左右和23.6%左右，且小粒径煤样提升更明显。粒径越小的煤样拥有越大的孔隙率，常数A 会随着煤样孔隙上吸附的瓦斯量的增加而变大[11]。
由上文可知，样品受到振动作用后，瓦斯扩散量、初始扩散速度得到了一定的提高，除此之外，不同粒径煤样受到相同的振动作用后，瓦斯初始有效扩散系数会受到一定的影响，最终表现形式为，煤样的粒径越小，振动作用的影响越大。
小粒径煤样在相同情况下虽然解吸初期的有效扩散系数小，但其扩散速度快，并且拥有更大的瓦斯扩散量。
通过对扩散理论研究发现[21]，在影响有效扩散系数的所有因素中，其中具有非常关键作用的因素是有效扩散面积，通过研究发现[18]，小粒径煤样拥有相对其它大粒径煤样更大的比表面积，进而降低了平均孔径，孔隙内部空间的瓦斯扩散长度受到了小孔径的阻碍，在此种条件下扩散通道将减小，有效扩散截面积减少，最终使得有效扩散系数降低[3]。
对2 种粒径煤样施加振动前后的常数A 进行比较，当A 值更大时，小粒径煤样吸附量更大，说明煤样表层和大孔上的吸附瓦斯更多。当扩散开始时，该部分瓦斯首先进行扩散，同时由于扩散通道较大，从而使得该部分瓦斯扩散速度很快。综上所述，虽然在粒度大小方面，小粒径煤样不比大粒径煤样，但小粒径煤样拥有更大的比表面积，吸附能力更好，所以初始扩散速度大于大粒径煤样。
通过力学定律，发现加速度大小与物质的重量之间存在一定的关系，如果给予相同作用力，它们之间将互为反比例关系，所以煤样质量越轻，受到的振动影响越强烈，产生的外力作用越明显，煤体内的基质裂纹也越容易扩展。因此振动作用对小粒径煤样的瓦斯扩散特性有重要的影响。
1）振动能促进瓦斯的扩散，增加瓦斯初始有效扩散系数。在同等振动条件情况下，解吸前期小粒径煤样虽然扩散系数不大，却拥有更大的扩散速度。
2）煤样粒径越小，扩散长度减小，且有效扩散系数降低。
3）煤样的粒径越小，煤颗粒单体质量越小，瓦斯扩散受振动影响越强烈，振动所产生的外力作用越明显，使得振动对瓦斯扩散的影响增强。
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