图1 瓦斯等温吸附解吸试验系统
Fig.1 Gas isothermal adsorption and desorption experiment system
周伟1,2， 袁亮2,3， 薛俊华1,2， 贺广会4， 罗勇1,2， 段昌瑞1,2， 任波1,2
(1.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司， 安徽 淮南 232001； 2.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室， 安徽 淮南 232001； 3.安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南 232001； 4.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司， 山西 晋城 048001)
摘要：为研究吸附压力和粒度对煤样瓦斯解吸的影响，选取寺河煤矿3号煤为考察样本，采用瓦斯等温吸附解吸试验系统，考察了0.17～0.25，0.25～0.50，1～3 mm 3个粒度煤样在1，1.5，3 MPa吸附压力下的瓦斯解吸量和解吸速度变化特征。试验结果表明，在各吸附压力下，煤样瓦斯解吸量、初始解吸速度总体上均随吸附压力增大而增大，但0.25～0.50 mm粒度煤样瓦斯解吸量和解吸速度受吸附压力的影响程度较其他2个粒度煤样小；各粒度煤样在不同吸附压力作用下，较小粒度煤样的初始瓦斯解吸量和初始解吸速度总体上大于较大粒度煤样，但在解吸12 h后，1～3 mm粒度煤样在1.5，3 MP吸附压力下的瓦斯解吸量较其他2组煤样大。根据试验结果可得，增加煤样的吸附压力或降低煤样粒度，均会引起瓦斯解吸量和解吸速度的增加。
关键词：瓦斯吸附； 瓦斯解吸； 瓦斯等温吸附解吸； 吸附压力； 粒度； 解吸速度
矿井煤与瓦斯突出孕育-发展过程中，煤体孔隙中吸附状瓦斯的瞬时快速解吸能量是造成煤体破碎做功和抛出做功的主要动力来源。瓦斯在煤体孔隙内部的扩散解吸过程是一个复杂的流体动力学过程，瓦斯扩散解吸速度及其释放能量的大小与煤体孔隙率、比表面积、粒度分布、瓦斯含量、温湿度等参数有关。
国内外已有研究成果认为，对于含平衡水煤样，在试验压力一定时，粒度越大，则吸附时间越长，吸附量越小[1-7]。聂百胜等[8]认为煤粒瓦斯扩散速度不仅与煤粒内部扩散特征(如初始平衡浓度、煤粒内扩散阻力等) 有关，而且与煤粒表面特征(煤粒结构、煤粒几何形态与性质) 有关，建立并求解了第三类边界条件下的煤粒瓦斯扩散物理数学模型。秦跃平等[9-11]确定了在同一粒度下，初始瓦斯压力越高，则煤样的最大瓦斯解吸量越大，在同一初始压力下，不同粒度煤样的最大瓦斯解吸量变化不大，粒度对最大瓦斯解吸量无明显影响，并通过不同粒度解吸试验建立了瓦斯解吸的经验公式。刘彦伟等[12]研究了软硬煤粒瓦斯扩散速度、扩散系数的差异特征随粒度变化的规律，认为粒度减小会缩小软硬煤粒之间瓦斯解吸扩散通道，从而影响瓦斯解吸扩散速度。此外，很多学者通过试验分析了不同粒度煤样在注水煤、构造煤下的解吸特征。陈向军等[13]在自制的高压注水搅拌解吸装置上对不同注水量煤样在0.5 MPa吸附压力下的瓦斯扩散过程进行了测试，得出在相同吸附平衡压力下，注水量越大，煤样瓦斯解吸速度越小，解吸速度随水分增加呈现对数函数式变化的结论。李云波等[14]利用自制的煤样瓦斯解吸试验装置，研究了恒温30 ℃时不同压力、不同粒度条件下，构造煤的瓦斯解吸初速度和解吸量，结果表明构造煤瓦斯解吸初速度较原生煤大。上述研究成果对煤样粒度和瓦斯解吸量之间的关系已经有了较为明确的结论，但关于煤样粒度大小和吸附压力的变化对吸附态瓦斯解吸量和解吸速度影响的研究还缺乏系统分析结论。
本文根据GB/T 19560—2008《煤的高压等温吸附试验方法》和煤层瓦斯等温吸附原理，通过瓦斯等温吸附解吸试验系统，完成了不同吸附压力和粒度条件下的瓦斯解吸试验，以研究吸附压力和粒度对煤中瓦斯解吸的影响，分析其解吸规律。
瓦斯等温吸附解吸试验系统主要包括充气/脱气系统(高压瓦斯瓶和真空机组)、等温吸附系统(恒温水槽和密封气样罐)、控制操作系统和测量系统，如图1所示。试验系统具备吸附压力控制、恒温保压功能，可完成煤样瓦斯解吸量和解吸速度的测定，并能够通过测量和控制仪器调节吸附压力和吸附时间，以满足不同吸附压力试验条件下瓦斯解吸量和解吸速度的测试。
图1 瓦斯等温吸附解吸试验系统
Fig.1 Gas isothermal adsorption and desorption experiment system
试验煤样采自沁水盆地山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河煤矿东五盘区5302工作面3号煤，采集过程中剥离煤壁300 mm厚度后，将采集的煤样盛放于容量为1 000 g的密封罐内，以消除煤样与空气接触条件，最大限度地避免煤样氧化导致的吸附能力降低问题。煤样取回实验室后即进行筛选、分样、研磨，以达到试验所需的煤样粒度要求。研磨后的煤样采用四分法进行细分，选取约500 g煤样进行二次密封。在对制备煤样进行基本参数测试时，根据GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》，用0.2 mm标准筛进行二次筛选，取分筛颗粒装入密封罐加签备用。
在进行瓦斯等温吸附试验前，选取0.17～0.25，0.25～0.50，1～3 mm 3个粒度的煤样，分别盛装在密封罐中，置于恒温水槽内，在1，1.5，3 MPa充气压力下进行吸附试验，然后在常温常压下进行解吸试验，根据不同时间节点下测试的瓦斯解吸量和解吸速度分析瓦斯解吸特点。
0.17～0.25，0.25～0.50，1～3 mm 3个粒度的煤样在不同吸附压力下的瓦斯解吸量如图2所示。将瓦斯解吸量与时间进行对比计算，得到该时间段内瓦斯解吸速度，如图3所示。
(a) 0.17～0.25 mm粒度煤样
(b) 0.25～0.50 mm粒度煤样
(c) 1～3 mm粒度煤样
图2 煤样在不同吸附压力下的瓦斯解吸量
Fig.2 Gas desorption amount of coal samples under different adsorption pressure
(a) 0.17～0.25 mm粒度煤样
(b) 0.25～0.50 mm粒度煤样
(c) 1～3 mm粒度煤样
图3 煤样在不同吸附压力下的瓦斯解吸速度
Fig.3 Gas desorption speed of coal samples under different adsorption pressure
由图2(a)、图3(a)可知，煤样粒度为0.17～0.25 mm时，在1,1.5,3 MPa吸附压力下，煤样瓦斯解吸量随吸附压力增大而增大，初始解吸速度受吸附压力的影响较为明显，吸附压力越大，初始解吸速度越大。其中，吸附压力为3 MPa时的瓦斯解吸量约为1 MPa时的2倍，初始解吸速度约为1 MPa时的2.75倍，但随着解吸时间的延续，解吸速度趋于稳定，且与1，1.5 MPa时的解吸速度趋同。
由图2(b)、图3(b)可知，煤样粒度为0.25～0.50 mm时，煤样瓦斯解吸量随吸附压力增大而增大，初始解吸速度受吸附压力的影响更为复杂。吸附压力为3 MPa时的瓦斯解吸量约为1，1.5 MPa时的1.2倍，吸附压力为1，1.5 MPa时的瓦斯解吸量同步变化。吸附压力为1.5 MPa时的初始解吸速度分别为1，3 MPa时的1.1，1.2倍，但随着解吸时间的延续，吸附压力为3 MPa时的解吸速度总体上大于1，1.5 MPa时的解吸速度。
由图2(c)、图3(c)可知，煤样粒度为1～3 mm时，煤样瓦斯解吸量随吸附压力增大而增大，但吸附压力为1.5 MPa时的瓦斯解吸量极不稳定，尤其在解吸中段(10～12 h)呈现快速解吸的特点。初始解吸速度随吸附压力增大而增大。吸附压力为1.5,3 MPa时的瓦斯解吸量约为1 MPa时的2.5倍，初始解吸速度约为1 MPa时的1.2，1.7倍。
在1，1.5，3 MPa吸附压力下，0.17～0.25，0.25～0.50，1～3 mm 3个粒度煤样的瓦斯解吸量如图4所示。将解吸量与时间进行对比计算，得到该时间段内瓦斯解吸速度，如图5所示。
(a) 1 MPa吸附压力
(b) 1.5 MPa吸附压力
(c) 3 MPa吸附压力
图4 不同粒度煤样的瓦斯解吸量
Fig.4 Gas desorption amount of coal samples with different grain size
(a) 1 MPa吸附压力
(b) 1.5 MPa吸附压力
(c) 3 MPa吸附压力
图5 不同粒度煤样的瓦斯解吸速度
Fig.5 Gas desorption speed of coal samples with different grain size
由图4(a)、图5(a)可知，吸附压力为1 MPa时，较小粒度煤样的瓦斯解吸量和初始解吸速度总体上大于较大粒度煤样。如0.25～0.50 mm粒度煤样的瓦斯解吸量约为1～3 mm粒度煤样的1.75倍，初始解吸速度约为其3倍。
由图4(b)、图5(b)可知，吸附压力为1.5 MPa时，3组煤样的瓦斯解吸量随粒度变化呈现出阶段性特征：解吸0～12 h期间，煤样瓦斯解吸量随粒度增大而减小；解吸12 h后，瓦斯解吸量随粒度增大而增大，且0.17～0.25，0.25～0.50 mm粒度煤样的瓦斯解吸量相近，1～3 mm粒度煤样的瓦斯解吸量约为其他煤样的1.3倍。较小粒度煤样的瓦斯初始解吸速度总体上大于较大粒度煤样，如0.25～0.50 mm粒度煤样的初始解吸速度约为1～3 mm粒度煤样的2.5倍。随着解吸时间的延续，3组煤样的瓦斯解吸速度随粒度增大而减小，但数值相差不大。
由图4(c)、图5(c)可知，吸附压力为3 MPa时，3组煤样的瓦斯解吸量呈现出阶段性变化特征：解吸0～12 h期间，煤样瓦斯解吸量随粒度增大而减小；解吸12 h后，3组煤样的瓦斯解吸量逐渐趋同。煤样的初始解吸速度随粒度增大而减小，0.17～0.25 mm粒度煤样的初始解吸速度约为1～3 mm粒度煤样的3.2倍，在解吸的后半段，3组煤样的解吸速度逐渐趋同。
(1) 以沁水盆地寺河煤矿3号煤为考察样本，取样筛分为0.17～0.25，0.25～0.50，1～3 mm 3个粒度，分别在1，1.5，3 MPa吸附压力下，依托瓦斯等温吸附解吸试验系统进行吸附试验，在常温下进行解吸试验，考察其瓦斯解吸量，计算分析瓦斯解吸速度变化特征。
(2) 从吸附压力对瓦斯解吸影响试验看，在1，1.5，3 MPa吸附压力下，瓦斯解吸量和初始解吸速度总体上均随吸附压力增大而增大。但0.25～0.50 mm粒度煤样对吸附压力的敏感性较差，瓦斯解吸量和解吸速度受吸附压力的影响程度较其他2个粒度煤样小。
(3) 从粒度对瓦斯解吸影响试验看，较小粒度煤样的初始瓦斯解吸量和初始解吸速度总体上大于较大粒度煤样。但在解吸12 h后，1～3 mm粒度煤样在1.5，3 MP吸附压力下的瓦斯解吸量较0.17～0.25，0.25～0.50 mm粒度煤样大。
(4) 可通过增加煤样的吸附压力或降低煤样粒度的方法控制瓦斯解吸量和解吸速度，为煤与瓦斯突出试验研究和工程应用技术研究提供了依据。
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ZHOU Wei1,2， YUAN Liang2,3， XUE Junhua1,2， HE Guanghui4，LUO Yong1,2， DUAN Changrui1,2， REN Bo1,2
(1.Ping'an Coal Mining Engineering Technology Research Institute Co., Ltd., Huainan 232001, China; 2.State Key Laboratory of Deep Coal Mining and Environmental Protection, Huainan 232001, China; 3.School of Mining and Safety Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 4.Shanxi Jincheng Anthracite Coal Mining Group Co., Ltd., Jincheng 048001, China)
Abstract:In order to study influence of adsorption pressure and grain size of coal sample on coal gas desorption, the No.3 coal in Sihe Coal Mine was selected as samples, and variety characteristics of gas desorption amount and desorption speed of coal samples with 0.17-0.25, 0.25-0.50, 1-3 mm grain sizes were analyzed at 1, 1.5, 3 MPa adsorption pressure by use of a gas isothermal adsorption and desorption experiment system. The experimental results show that under different adsorption pressure conditions, the gas desorption amount of the coal samples and initial desorption speed increase with the increase of adsorption on the whole. However, the influence of adsorption pressure on gas desorption amount and desorption speed of coal samples with 0.25-0.50 mm grain size is smaller than the other two grain sizes. The initial gas desorption amount of coal samples with smaller grain sizes is more than the one of the coal sample with bigger grain size under different adsorption pressure conditions, and the initial desorption speed is faster. But the gas desorption amount of the coal sample with 1.0-3.0 mm grain size is more than the one of the others under 1.5, 3 MPa adsorption pressure condition. Therefore, increasing adsorption pressure of coal sample or reducing grain size would cause increase of gas desorption amount and desorption speed.
Key words:gas adsorption; gas desorption; gas isothermal adsorption and desorption; adsorption pressure; grain size; desorption speed
文章编号：1671-251X(2018)01-0026-05
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.17277
中图分类号：TD712
文献标志码：A 网络出版时间：2017-12-07 14:32
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20171206.1524.010.html
收稿日期：2017-09-11；
修回日期：2017-10-22；
责任编辑：李明。
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801402,2016YFC0801404);国家自然科学基金资助项目(51427804)。
作者简介：周伟(1982-)，男，安徽淮南人，工程师，硕士，现从事复杂条件下井下煤层气抽采研究工作，E-mail：786075607@qq.com。
引用格式：周伟，袁亮，薛俊华，等.多粒度煤样瓦斯等温吸附解吸特征试验分析:以寺河煤矿3号煤为例[J].工矿自动化，2018,44(1)：26-30.
ZHOU Wei,YUAN Liang,XUE Junhua,et al.Experimental analysis of isothermal adsorption and desorption characteristics of gas in coal samples with multi grain sizes: A case study on No.3 coal in Sihe Coal Mine[J].Industry and Mine Automation，2018,44(1)：26-30.