颗粒煤负压解吸扩散特征参数研究_张宏图.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51974109,51904095） ; 中 原千人 - 中原科技创新领军人才资助项目204200510032 颗粒煤负压解吸扩散特征参数研究 张宏图 1， 2，郝玉双1，魏建平1， 2， 3 （1.河南理工大学 安全科学与工程学院， 河南 焦作 454003； 2.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部 共建国家重点实验室培育基地， 河南 焦作 454003； 3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心， 河南 焦作 454003 ） 摘要 为了研究颗粒煤负压解吸扩散特征参数， 采用自制颗粒煤瓦斯负压解吸实验系统， 模拟 负压取样过程初期负压阶段瓦斯解吸扩散规律，研究颗粒煤不同吸附平衡压力 （0.5、 0.74、 1 MPa） 在不同负压 （-40、 -50、 -60 kPa） 下解吸扩散规律， 并基于第三类边界条件经典扩散模型分 析了颗粒煤瓦斯负压解吸扩散特征参数。研究结果表明 负压环境下颗粒煤瓦斯极限瓦斯解吸 量随着环境负压值的增大而增加， 随着吸附平衡压力的升高极限瓦斯解吸量的增幅变小； 同一 吸附平衡压力下， 随着负压值的增大， 传质毕欧准数和传质傅立叶准数随之增大， 负压值越大颗 粒煤外部对流传质阻力越小， 扩散场扰动波及的深度越深入煤粒内部； 同一吸附平衡压力下扩 散系数随着负压值的增大而增大， 同一负压值下随着吸附平衡压力的增大而减小， 负压值增大 改变了瓦斯解吸动力学参数， 加快了瓦斯解吸扩散。 关键词 负压解吸； 瓦斯扩散； 吸附平衡压力； 扩散系数； 煤与瓦斯突出 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0191-05 Study on Characteristic Parameters of Particulate Coal Gas Desorption and Diffusion Under Negative Pressure Environment ZHANG Hongtu1,2, HAO Yushuang1, WEI Jianping1,2,3 （1.School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China;2.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control（Henan Polytechnic University） , Jiaozuo 454003, China;3.State Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety and Clean-efficiency Utilization, Jiaozuo 454003, China） Abstract In order to study the characteristic parameters of particulate coal gas desorption and diffusion within a negative pressure environment, a self-made particulate coal gas desorption experimental system was used to simulate the law of gas desorption and dif－ fusion in the initial negative pressure stage of the negative pressure sampling process, and to study the particulate coal at different ad－ sorption equilibrium pressures（0.5 MPa, 0.74 MPa and 1 MPa）and different negative pressures（-40 kPa, -50 kPa and -60 kPa ） gas desorption and diffusion laws, and based on the classical diffusion model of the third kind of boundary conditions, the characteris－ tic parameters of gas desorption and diffusion are analyzed. The research result shows that the ultimate gas desorption capacity of par－ ticulate coal increases with the increase of the negative pressure value of the environment, and the ultimate gas desorption capacity increases with the increase of the adsorption equilibrium pressure and rate of increase becomes smaller; under the same adsorption e－ quilibrium pressure, with the increase of the negative pressure value, the mass transfer Biotherm and the mass transfer Fourier in－ crease accordingly. The larger the negative pressure value, the smaller the external convective mass transfer resistance of particulate coal, the depth of the disturbance of the diffusion field goes deeper into the coal particles; the diffusion coefficient increases with the increase of the negative pressure value under the same adsorption equilibrium pressure, and decreases with the increase of the ad－ sorption equilibrium pressure under the same negative pressure value, and the negative pressure value increases. The increase DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.030 张宏图， 郝玉双， 魏建平．颗粒煤负压解吸扩散特征参数研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （10） 191-195. ZHANG Hongtu, HAO Yushuang, WEI Jianping. Study on Characteristic Parameters of Particulate Coal Gas Desorption and Diffusion Under Negative Pressure Environment ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 191-195. 移动扫码阅读 新锐视角 191 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 1瓦斯负压解吸实验系统 Fig.1Gas negative pressure desorption experimental system 煤层瓦斯含量是矿井瓦斯的基本参数之一， 是 煤矿瓦斯突出危险性预测、矿井瓦斯灾害防治措施 制定等必需的参数[1]。我国煤炭行业普遍采用直接 法和间接法进行煤层瓦斯含量测定，基于现有直接 法定点取样提出改进， 张宏图等[2]提出负压排渣定 点取样煤层瓦斯含量测定方法，其中颗粒煤瓦斯解 吸扩散特征是负压取样中瓦斯损失量推算重要依 据。瓦斯扩散系数是表征煤中瓦斯解吸扩散特征的 基本参数，基于菲克定律建立的含瓦斯煤体吸附解 吸动力学模型是目前应用最为广泛的经典数学模 型[3]，描述瓦斯扩散过程的模型主要包括单一孔隙 扩散模型、 双孔隙扩散模型、 扩散率模型等[4]。为简 化模型中扩散系数计算的复杂程度，众多学者提出 扩散系数的简便解法便于应用于工程实际中，其中 以杨其銮[5]、 张登峰[6]、 聂百胜[7]等学者的计算模型应 用最为广泛。近年来部分学者提出扩散系数时变 性， 李志强等[8]通过拟合实验数据发现扩散系数随 时间增大而衰减，建立了描述瓦斯扩散全过程的动 扩散系数新扩散模型。史广山等[9]依据相似理论及 扩散方程，提出瓦斯扩散系数的计算方法。张路路 等[10]建立了随孔隙尺寸和孔隙压力变化的动态扩 散系数扩散模型。与以往的解析解求解不同， 王公 达等[11]利用数值模拟求解扩散系数， 发现数值解相 比解析解更能反应煤层真实情况。许多学者在不同 因素对颗粒煤瓦斯扩散的影响方面做了深入研究[12- 23]。由于负压取样时颗粒煤暴露排至孔口过程时间 较短且损失量难以确定，因此研究颗粒煤瓦斯负压 解吸扩散规律十分有必要。为此，开展颗粒煤不同 吸附平衡压力 （0.5、 0.74、 1 MPa） 在不同负压 （-40、 - 50、 -60 kPa） 下解吸扩散规律实验， 基于第三类边界 条件经典扩散模型计算扩散系数，分析颗粒煤负压 解吸扩散特征参数的变化规律，提高负压取样技术 中负压段瓦斯损失量的推算精度，对于煤层瓦斯含 量测定具有重要意义。 1实验煤样与实验方法 煤样选取河南义煤集团新安煤矿，经实验室将 其破碎并筛分， 得到粒径为 0.5～1 mm 的煤样， 制备 成空气干燥基煤样。实验之前，依据 GB/T 212 2001 标准对煤样进行了工业分析与吸附常数的测 定， 测得煤样水分为 1.03％， 灰分为 19.6％， 挥发分 为 16.3％， 视密度为 1.5 g/cm3， 孔隙率为 4.9％， 吸附 常数 a 值为 28.6 m3/t， b 值为 0.57 MPa-1。实验采用 自制的颗粒煤瓦斯负压解吸实验系统，瓦斯负压解 吸实验系统如图 1。 实验方法如下 1） 抽真空模块。取空气干燥基煤样 300 g 放置 于煤样罐中，打开手动阀 2 启动抽真空模块对系统 抽真空， 检验系统气密性。 2） 高压气源模块。向煤样罐充入甲烷气体并使 其吸附 24 h， 压力传感器 P1示数达到预定的吸附平 衡压力 （0.5、 0.74、 1 MPa） 并维持 2 h， 即认定达到吸 附平衡。 3） 维压模块。人机交互平台控制伺服电机工作， 丝杆连接活塞改变维压容器内空气体积并通过缓冲 罐稳定负压值，实现可以快速转换煤样罐的解吸环 境压力， 通过设定使压力传感器 P2示数达到实验预 定的负压值 （-40、 -50、 -60 kPa） 。 4） 煤样罐解吸。打开阀门 8 迅速排空煤样罐中 的游离瓦斯随之关闭，开启电磁阀使煤样罐与维压 模块连接， 使颗粒煤在预定负压环境下解吸。 5） 流量采集模块。以 1 s 为采集周期， 记录流量 采集模块参数， 累计采集负压解吸时长 120 s。 在实验过程中煤样罐保持 30 C 恒温，颗粒煤 经历 120 s 的解吸扩散，测量颗粒煤不同吸附平衡 压力 （0.5、 0.74、 1 MPa）在不同负压 （-40、 -50、 -60 of negative pressure changes the kinetic parameters of gas desorption and accelerates the gas desorption and diffusion. Key words negative pressure desorption; gas diffusion; adsorption equilibrium pressure; diffusion coefficient; coal and gas outburst 192 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 2不同负压下颗粒煤解吸曲线 Fig.2Desorption curves of granular coal under different negative pressures kPa） 下瓦斯解吸扩散数据并绘制曲线， 不同负压下 颗粒煤解吸曲线如图 2。图 2 表明颗粒煤中的瓦斯 解吸量在同一吸附平衡压力下随着负压的增加而增 加，随着吸附平衡压力的升高 120 s 内可解吸的瓦 斯也随之增多。 2实验结果 负压取样过程中颗粒煤瓦斯扩散系数变化根据 文献[7]中推导的第三类边界条件下煤粒瓦斯扩散 的数学模型， 推算负压环境下的瓦斯扩散系数， 假定 煤颗粒为球形各向同性，瓦斯在煤中流动连续符合 质量守恒定律， 结合初始和边界条件建立模型如下 鄣C 鄣t ＝D （鄣 2C 鄣t ＋ 2 r 鄣C 鄣t ） CC0 abp0 1bp0（t0， 0r0） -D 鄣C 鄣t T （C-Cf） ｜rr 0 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 （1 ） 式中 C 为甲烷浓度， kg/m3； t 为时间； C0为初始 甲烷浓度， kg/m3； D 为扩散系数， m2/s； r 为煤粒半径， m； r0为煤粒瓦斯半径， a、 b 为朗缪尔常数； p0为初始 平衡压力， Pa； T 为煤粒表面吸附甲烷和游离甲烷的 质量交换系数， m/s； Cf为煤粒间裂纹中游离甲烷的 浓度， kg/m3。 对式 （1 ） 进行求解得 1- Qt Q∞ 6 （U1cosU1-sinU1） 2 U1 2 （U1 2-U1sinU1cosU1）e -U12F0 （2 ） 式中 Qt为瓦斯解吸量； Q∞为极限瓦斯解吸量； F0为传质傅里叶数； U1为中间转换 tanUU/ （1-Tr0/ D） U （1-Bi） 系列解的一个解； 方程 Bi 为传质毕欧 准数， BiTr0/D。 对式 （2 ） 两边取对数得 ln （1- Qt Q∞ ） -δtlnA（3 ） A 6 （U1cosU1-sinU1） 2 U1 2 （U1 2-U1sinU1cosU1）， （δ U1 2 r0 2 D） 式 （3 ） 是一个线性方程， 即 ln （1-Qt/Q∞） 随着时 间 t 线性变化， 其中-δ 是直线的斜率， 而 lnA 是直线 的截距。在实验数据中可以获得解吸时间 t 与解吸 量的值 Qt的变化关系，极限瓦斯解吸量 Q∞根据式 （4）求得， 在直角坐标系下， 以 ln （1-Qt/Q∞）为纵坐 标， t 为横坐标作图， 颗粒煤瓦斯扩散测定结果如图 3，通过实验室数据的拟合获得 A 和 δ。求出 U1和 D， 计算传质毕欧准数值 Bi、 传质傅立叶准数 Fo和表 面质交换系数 T。瓦斯在不同负压下的解吸动力学 参数见表 1。 t 时刻的累积扩散率 Qt/Q∞中， Qt为 t 时刻累积 解吸量， Q∞为可解吸瓦斯含量 （Q∞Q-Qa， Qa为同温 大气压下的含气量， 亦按式 （4） 计算其中用大气压 力代替式 （4） 中的压力 p） 。 Q abp 1bp 100-Aad-Mad 100 1 10.31Mad 10pφ 273 ρ （273tw） （4） 式中 Q 为初始总瓦斯含量， cm3/g； a、 b 为吸附 常数； p 为 吸 附 平 衡 压 力 ， MPa； Aad为 干 燥 基 灰 193 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 4不同负压下瓦斯扩散系数变化 Fig.4Change of gas diffusion coefficient under different negative pressures 图 3颗粒煤瓦斯扩散测定结果 Fig.3Particle coal gas diffusion measurement results 表 1瓦斯在不同负压下的解吸动力学参数 Table 1Kinetic parameters of gas desorption under different negative pressures 吸附平 衡压力 /MPa 负压值 /kPa Q∞/ （mL g-1） U1Bi T/10-5 （m2 s-1） D/10-10 （m2 s-1） Fo/10-2 0.50 -405.5013.066 41.5694.4197.9731.333t -505.6573.079 50.4665.7348.5211.437t -605.8143.089 59.8667.1388.9421.517t 0.74 -407.7042.928 14.5111.4817.6551.167t -507.8592.983 19.6412.0557.8471.241t -608.0163.001 22.2272.5678.6611.387t 1.00 -409.6712.935 15.0201.3296.6351.016t -509.8262.968 17.9051.6496.9091.082t -609.9832.991 20.6832.0167.3111.163t 分， ％； Mad为水分， ％； φ 为孔隙率； ρ 为煤视密度， g/ cm3； tw为平衡温度， ℃。 颗粒煤瓦斯解吸环境并非常压状态，因此在求 解 Q∞时， Qa中的压力 p 应为相对于大气压力的解 吸环境负压值， 在常压状态下解吸煤样在 0.5、 0.74、 1 MPa 下，极限瓦斯解吸量分别为 4.896、 7.098、 9.065 mL/g。由表 1 可知， 在-40、 -50、 -60 kPa 不同 负压环境下， 0.5 MPa 对应的极限瓦斯解吸量分别 增加了 12.36、 15.54、 18.75％； 0.74 MPa 对应的 极 限 瓦 斯 解 吸 量 分 别 增 加 了 8.54 、 10.72 、 12.93％； 1 MPa 对应的极限瓦斯解吸量分别增加了 6.69、 8.39、 10.13％； 随着吸附平衡压力的升高极 限瓦斯解吸量的增幅变小。 Bi、 Fo代表了扩散的特点与影响范围[7]， 传质毕 欧准数 Bi从物体内外扩散阻力的大小表征了物体 扩散场的特点， Bi值小说明煤粒内部扩散阻力小扩 散能力强， 瓦斯气体在煤粒内部浓度接近， 内外扩散 浓度差小。 Bi值大说明外部对流传质阻力小， 瓦斯气 体在煤粒表面的浓度和游离气体浓度接近，在煤粒 内外的浓度差大。 传质傅立叶准数 Fo也反映了扩散 场随时间变化的动态特征 Fo越大， 说明扩散场扰动 波及的深度越深入煤粒内部， Fo越小， 则说明浓度扰 动波及的范围越小。 同一吸附平衡压力下，随着负压值的增大传质 毕欧准数 Bi和传质傅立叶准数 Fo随之增大说明负 压值约大颗粒煤外部对流传质阻力小，扩散场扰动 波及的深度越深入煤粒内部；表明负压值增大改变 了瓦斯解吸动力学参数，加快了瓦斯解吸扩散。不 同负压下瓦斯扩散系数变化如图 4。 根据图 4 可知，颗粒煤瓦斯在扩散初期在同一 吸附平衡压力下扩散系数 D 随着负压值的增大而 增大， 同一负压值下扩散系数 D 随着吸附平衡压力 194 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 的增大而减小，煤粒表面瓦斯与游离瓦斯的质交换 系数 T 的大小表示质交换的快慢， 由式 （2 ） 可知扩 散系数 D 与毕欧准数 Bi共同决定了 T 的大小， 质交 换系数 T 与扩散系数 D 的变化趋势相同。 3结论 1） 负压环境下颗粒煤瓦斯极限瓦斯解吸量与常 压下的计算结果不同， Q∞随着环境负压值的增大而 增加，在-40、 -50、 -60 kPa 不同负压环境下， 0.5 MPa 对应的极限瓦斯解吸量分别增加了 12.36、 15.54、 18.75％； 0.74 MPa 对应的极限瓦斯解吸量 分别增加了 8.54、 10.72、 12.93％； 1 MPa 对应的 极 限 瓦 斯 解 吸 量 分 别 增 加 了 6.69 、 8.39 、 10.13％； 随着吸附平衡压力的升高极限瓦斯解吸量 的增幅变小。 2 ） 同一吸附平衡压力下， 随着负压值的增大 Bi 和 Fo随之增大说明负压值越大颗粒煤外部对流传 质阻力小，扩散场扰动波及的深度越深入煤粒内 部，表明负压值增大改变了瓦斯解吸动力学参数， 加快了瓦斯解吸扩散。 3） 颗粒煤瓦斯在扩散初期在同一吸附平衡压力 下扩散系数随着负压值的增大而增大，同一负压值 下随着吸附平衡压力的增大而减小。 参考文献 ［1］ 李圣林， 卜军．基于煤田测井复合参数的煤层瓦斯含 量超前预测探讨 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （6） 143. ［2］ 张宏图， 魏建平， 王云刚， 等．煤层瓦斯含量测定定点 取样方法研究进展 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2016， 12 （1） 186－192． 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