瓦斯解吸吸热对气体压力测定的影响与煤样罐优化_张宪尚.pdf

第 46 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.1 2018 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China; 3. College of Resources and Environmental Science of Chongqing University, Chongqing 400044, China Abstract Aiming at the abnormal case that gas desorption pressure increased first then decreased during under- ground measurement in Zhaozhuang coal mine in Jingcheng, through analysis and investigation of the possible problems of instruments and site environments, it was determined that the gas temperature reduction in the canister was induced by heat adsorption during gas desorption, thus resulting in the abnormal results of desorption pressure measurement. In order to solve this problem, good heat-conducting material was used to design and manufacture coal sample canister so as to achieve thermal balance inside and outside the canister. The desorption pressure of coal sample canister in air and water was studied. The study found that the desorption pressure in a canister in air increased first and then decreased, but the desorption pressure in a canister in water got back rapidly. According to the principle of water bath of gas desorption device of constant temperature in lab, the coal sample canisters with double walls filled with water were designed and manufactured, the adsorbed heat, the specific heat capacity and the water demand of methane were studied and analyzed quantitatively. In lab, the gas desorption law of coal sam- ples of Zhaozhuang mine was measured and analyzed, verifying that the coal sample canister could meet the re- quirement of industrial application. Keywords desorbed heat; gas; temperature; desorption pressure; coal sample canister 煤屑瓦斯解吸规律测定是进行煤层瓦斯含量、 钻屑瓦斯解吸指标分析等必不可少的环节，其测定 结果影响瓦斯灾害防治指标的确定。井下主要通过 排水法测定排水量和等容变压法测定煤屑瓦斯解吸 ChaoXing 第 1 期 张宪尚等 瓦斯解吸吸热对气体压力测定的影响与煤样罐优化 47 量。在山西晋城赵庄矿井 13092 工作面测定煤屑瓦 斯解吸压力的过程中，由于煤样快速解吸瓦斯导致 煤样罐温度降低而出现了压力先升高后降低现象， 这与马东民等[1]研究沁水南部煤层气排采井在产气 量达到一定后出现了温度明显降低的现象相同。大 量井下煤与瓦斯突出事例表明，煤层瓦斯急剧解吸 的吸热过程可能会导致周围环境温度降低[2-4]。近年 来，国内学者也对瓦斯解吸的温度效应进行了相关 研究， 毕德纯等[2]根据瓦斯渗流运动特征及传热理论， 建立了煤层瓦斯涌出时温度分布数学模型，分析了煤 体瓦斯涌出时的温度分布规律。刘纪坤等[5,7-8]、张才 根[6]应用红外热像仪测定不同吸附平衡压力条件下 煤中瓦斯解吸过程中温度变化得出煤体瓦斯解吸过 程温度变化曲线符合指数函数。史广山等[9]研究指 出，构造煤随破坏强度增加、煤粒粒度减小及瓦斯 压力越大，其瓦斯解吸引起的温度下降幅度增大， 即温度的降低程度与瓦斯解吸速率成正相关。牛国 庆等[10]研究得出瓦斯气体吸附能力越强，解吸时吸 收的热量也就越多。杨涛[11]研究认为，温度变化速 率及变化幅度与煤样的变质程度、环境温度、煤样 粒径、吸附平衡压力等因素相关，温度变化量与时 间呈指数函数关系。 笔者基于以上研究思路和成果， 以解决赵庄矿井下实际出现的解吸压力异常情况为 目的，根据恒温水浴原理，在定量分析煤解吸吸热 及比热容的基础上，改变煤样罐罐体设计，以满足 仪器正常测量瓦斯解吸规律的需要。 1 现场问题 1.1 实验过程 试验地点选取山西晋城赵庄矿 13092 工作面， 实验步骤如下。 a. 取 样 利用 SDQ 深孔定点快速取样装置 在试验地点钻取煤层煤样，并记录煤样暴露时间 12 min。 b. 测 试 利用样品筛筛选出 13 mm 的煤屑 作为实验样品，利用 CWY50 型测定仪测定煤屑瓦 斯解吸压力数据图 1。 从图 1 中可以看出， 瓦斯解吸压力随着解吸时间 增加出现先升高后降低的异常现象， 与大多数测定瓦 斯解吸压力不断上升并趋于平衡的规律不相符。 1.2 瓦斯解吸压力异常分析 经过现场各种影响因素分析，排除了煤样罐漏 气及仪器测试压力传感器不准的可能。确定是在保 温解吸罐中，由于煤屑瓦斯解吸过程吸热导致了罐 内气体温度降低，随着解吸的进行，煤屑瓦斯解吸 图 1 煤屑瓦斯吸解压力异常变化 Fig.1 Anomalous change of gas desorption pressure in coal debris 的压力增大值小于由于温度变化导致的压力降低 值，仪器测定压力出现了先升高后降低的现象。该 现象是由于该地区煤的特殊热力学性质及瓦斯解吸 特性所决定，当煤的比热容较小，解吸吸热量较大 及内部孔隙结构连通性较好时，煤屑暴露后瓦斯瞬 间从煤内表面解吸会吸收一定热量，这个吸热过程 可能随着解吸进行而不断发生，也可能是在极短的 时间内发生。反之，当瓦斯解吸速率较小时，单位 时间内煤吸收的热量也较少，瓦斯解吸吸热对压力 测定的影响也较小。 2 温度分析及参数测定 2.1 温度变化对压力影响 基于瓦斯解吸压力先升高后降低的初步分析， 确定是由于瓦斯解吸吸热导致罐内气体压力降低。 井下测试点巷道压力为 96.5 kPa、巷道温度 14℃。 为了方便计算设定罐内压力为 0.1 MPa，利用理想 气体状态方程，计算温度变化对瓦斯压力的影响。 pVnRT 1 式中 n 为气体物质的量，mol；p 为理想气体压力， Pa；V 为理想气体体积，m3；T 为理想气体的热力 学温度，K；R 为理想气体常数，8.314 J/molK。 在温度影响下，测定的罐内瓦斯气体压力发生 变化，但通过式1可知，气体物质的量大小不受温 度的影响，为此对式1进行变换得到温度与解吸瓦 斯压力的计算方程 act actractact –273.15ΔΔ 273.15273.15 pppTpT pTppT ′′′ → 2 式中 pact为罐中实际气体压力，Pa；p′为测定解吸 气体压力，Pa；Δp 为压力改变量，Pa；Tr为罐中气 体温度，℃；T′为罐内实际气体温度，℃；ΔT 为温 度改变量，℃。 ChaoXing 48 煤田地质与勘探 第 46 卷 从式2可以看出，在保温煤样罐中测定的瓦斯 解吸压力受到解吸温度影响，测定解吸气体压力值 偏小，不能准确反映煤屑瓦斯的解吸。 假设解吸罐体温度Tr与巷道温度相同， 为14℃， pact取 100 000 Pa，在煤样瓦斯解吸作用下温度每降 低 1℃，得到其压力值变化随着温度变化规律为 348.25pTΔ Δ 3 从式3可以看出，在一个大气压下，温度每变 化 0.1℃，相应的压力改变值为 34.8 Pa。为了定量 分析赵庄矿煤样解吸过程中的温度变化幅度，需测 定煤样的基本热力学参数。 2.2 煤样基础参数测定 取赵庄矿 13092 工作面煤样，依据相关标准[12-13]， 进行煤样的工业分析及吸附常数测定表 1。 表 1 煤吸附常数及工业分析 Table 1 Proximate analysis and adsorption constant of coal 测试项目 吸附常数 adaf/cm3g-1 吸附常数 b/MPa-1 孔隙率/ 视密度 ARD/gcm-3 真密度 TRD/gcm-3 水分 Mad/ 灰分 Ad/ 挥发分 Vdaf/ 数值 33.8197 1.2057 7.24 1.41 1.57 0.95 14.63 委托西安交通大学， 利用 PCTPro-evo 气体吸附 测量仪及 C80 微量热仪分别对煤样吸附热及比热容 进行测定，结果如图 2 和图 3 所示。 图 2 煤样比热容与温度的关系 Fig.2 Relationship between specific heat and temperature of coal samples 图 3 煤吸附甲烷热量变化 Fig.3 Heat change of adsorbed methane in coal 由图 2、图 3 可以看出，赵庄矿煤样比热容随 着温度的增大而增大，其增大的幅度随着温度升高 有所降低，煤样每摩尔吸附甲烷而释放的热量随着 吸附量的增加而减小。 3 解决方案及罐体设计 3.1 解决方法 为了保持罐内气体温度恒定，利用热传导性能 较好的黄铜材料加工成煤样罐。为了验证单壁铜煤 样罐的可行性，先将煤样罐置于空气中测定解吸气 及罐体压力，解吸压力同样出现了先升高后降低的 现象图 4，与井下的实验解吸曲线类似，说明了煤 样罐外壁与空气的热传导速率小于煤屑瓦斯解吸吸 热速率。在测量过程中，将煤样罐放置于恒温水浴 中，出现了压力值回升的现象图 4，说明水与煤样 罐外壁传热速率大于解吸吸热速率。但是在井下现 场测试过程中，将煤样罐置于水中较为繁琐，考虑 将煤样罐体设计为双层，水封存于煤样罐中，形成 一种包含内腔体、环形腔体、盖体及通气接嘴的新 恒温煤样罐。为了定量分析所需封存的水量，需要 对煤样解吸热量进行计算。 图 4 瓦斯解吸过程压力变化 Fig.4 Pressure change of gas desorption process ChaoXing 第 1 期 张宪尚等 瓦斯解吸吸热对气体压力测定的影响与煤样罐优化 49 3.2 充填水量计算 3.2.1 计算步骤 煤中瓦斯吸附–解吸是一个可逆的物理过程， 因 此认为吸附热与解吸热相同。假设煤样罐为一个孤 立的系统，罐体内温度与外界不发生热交换。通过 计算瓦斯解吸吸热量大小推算出罐体中所需充填的 水量，计算步骤如下。 ① 实验室测定不同温度下煤样的比热容值并 拟合与温度的函数关系式，通过此关系式计算井下 巷道温度对应的煤比热容值，并查询甲烷气体、所 选用材料及充填材料的比热容值。 ② 测定单位质量煤样解吸每摩尔甲烷气体所吸 收的热量，计算出瓦斯总解吸量所需要吸收的热量。 ③ 设定允许的最大温度变化值，计算出要充填 的材料体积， 根据充填物体积确定环形空间内腔容积。 ④ 满足煤样罐使用功能的基础上， 考虑瓦斯解 吸所需的空间体积、内腔体容积、壁厚参数，设计 出煤样罐的结构尺寸，计算出煤样罐所需各种材料 的质量。 3.2.2 计算实例 根据温度与煤样比热容之间关系图 2， 拟合出 温度与煤样比热容变化规律公式4。 y–0.001 1x20.092 8x–0.876 9 4 式中 y 为煤样的比热容，J/g℃；x 为温度，℃。 通过式4可知，当温度为 14 ℃时，煤样的比 热容为 0.206 7 J/g℃。 通过图 3 拟合出每摩尔吸附热与吸附量之间关 系式5。 Q4.658 614.661 2exp–2.094q 5 式中 q 为气体吸附量，mol/g；Q 表示每摩尔吸收的 热量，J/molg。 研究区煤矿井下直接测定瓦斯含量一般为 8 14 m3/t，前 30 min 测定的瓦斯解吸量为 4.48 m3/t， 通过式5计算得到热量 Q3.3283 kJ/kg，则 30 g 煤 总共放出热量为 99.849 J。 以空气、甲烷、水、煤、煤样杯等为研究对象， 查询其比热容参数[14]表 2。 表 2 不同物质比热容与质量 Table 2 Specific heat capacity and mass of different substances 物质名称 参数 铜 甲烷气体 空气不锈钢 煤 水 比热容 /Jg℃-1 0.371 2.1 1 0.46 0.206 7 4.2 质量/g 87 0.24 0.028 118.34 30 注表 2 中水的质量“”待求。 通过式6计算出煤解吸吸热过程中，温度每降 低 0.1℃所需水的质量， 在计算过程忽略罐体外壁与 巷道空气之间的热交换。 0 ii C M Σ 6 式中 Ci为第 i 种物质的比热容， J/g℃ ； Mi为对应 的第 i 种物质的质量，g。 从式6可以看出，水的质量越大，同等解吸吸 热造成的气体温度变化越小，因此考虑设计富余系 数及加工的方便性，确定水质量为 300 g。 3.3 罐体加工 根据计算的水量 300 g， 设计环形空间腔体容积 为 300 mL， 设计的内腔体规格为 Φ54 mm120 mm。 考虑结构体强度，外壁结构参数为 Φ84 mm132 mm。 煤样罐设计图及加工的实体图如图 5 所示。 图 5 设计和研制的煤样罐 Fig.5 Coal canister 3.4 实验室验证 为了验证设计的煤样罐的可行性和实用性，对 赵庄矿煤样进行不同压力下的等温吸附实验，吸附 平衡后取出煤样放置于罐中，测量其解吸量图 6， 从图 6 可以看出，煤样瓦斯解吸压力随时间增加不 断增大，解决了传统煤样罐中解吸压力先增加后减 小的问题。 4 结 论 a. 针对在山西晋城赵庄煤矿井下煤屑瓦斯解 吸压力先升高后降低的异常情况，通过实验研究分 析，确定其原因是由于煤中瓦斯解吸吸热而导致罐 内气体温度降低，从而引起压力异常变化问题。 b. 对于具有瓦斯解吸速率快、煤比热容小、解 吸热较高特点的煤层，其解吸过程伴随着较大的温 度变化，影响瓦斯解吸气体压力，因此，瓦斯解吸 测定过程需考虑解吸吸热量对测定结果的影响。 ChaoXing 50 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 6 新煤样罐中瓦斯解吸压力变化趋势 Fig.6 Gas desorption test of coal sample c. 依据煤样恒温解吸的水浴原理，充分考虑煤 的解吸热及比热容，设计加工成环形空间充填水的 双壁恒温煤样罐，通过实验测试验证，该煤样罐能 够解决传统煤样罐中煤样瓦斯解吸吸热造成的压力 异常问题，满足了实际工作需求。 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，2011，39120–23. 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