煤体瓦斯渗透性的电场响应研究.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．1 J a n ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 O l0 0 6 2 0 4 煤体瓦斯渗透性的电场响应研究 王恩元1 ，张力2 ，何学秋1 ，刘贞堂1 1 ．中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 2 ．中国煤炭工业发展研究咨询中心，北京1 0 0 7 1 3 摘要通过试验研究了施加交变电场条件下的煤体瓦斯渗透特性，并分析了其作用机理．研究结 果表明，煤体瓦斯渗透率对电场有明显的响应施加电场后，煤体瓦斯的渗透率提高，并且随着电 场作用频率和强度的增加而提高；其作用机理是外加电场作用使煤瓦斯分子热运动加剧，吸附 势阱降低，吸附量降低，活性提高，增强了瓦斯的解吸和扩散，使煤体瓦斯的有效渗遗通道增大． 这对于提高煤矿瓦斯排放率和煤层气的开发利用，对于防治煤矿瓦斯兜害都有重要的现实意义． 关键词煤；渗透率；电场；响应 中围分类号T D7 1 2文献标识码A E l e c t r i cF i e l dR e s p o n s eo fG a sP e r m e a b i l i t yo fC o a l W A N GE n y u a n l ，Z H A N GL i 2 ，H EX u e q i u l ，L I UZ h e n t a n 9 1 1 ．S c h o o lo fM i n e r a la n dE n e r g yR e s o u r c e s tC U M T ．X u z h o u 。J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a } 2 ．C h i n aR e s e a r c h ＆C o n s u l t i n gC e n t e ro fC o a lI n d u s t r yD e v e l o p m e n t ，B e i j i n g1 0 0 7 1 3 tC h i n a A b s t r a c t T h eg a sp e r m e a b i l i t yo fc o a lw a ss t u d i e di nA Ce l e c t r i cf i e l d ，a n di t sm e c h a n i s mw a s a n a l y z e d ．T h er e s u l ts h o w st h a tg a sp e r m e a b i l i t yo fc o a lh a so b v i o u sr e s p o n s et oe l e c t r i cf i e l d ．T h e p e r m e a b i l i t yo fc o a lg a sc a nc a nb ee n h a n c e db ye x e r t e de l e c t r i cf i e l d ．A n di te n h a n c e sa l o n gw i t h t h ef r e q u e n c ya n di n t e n s i t yo ft h ee l e c t r i cf i e l d ．T h em e c h a n i s mi st h a ta p p l i e de l e c t r i cf i e l d a c c e l e r a t e st h e r m a lm o t i o n ，r e d u c e st h ep o t e n t i a lw e l la n da d s o r p t i o nq u a n t i t y ，e n h a n c e sa c t i v i t yo f g a sm o l e c u l e s ，s t r e n g t h e n st h ed e s o r p t i o na n dd i f f u s i o no fg a sa n de n l a r g e se f f e c t i v ep e r m e a b i l i t y c h a n n d sO fc o a lg a s ．I ti si m p o r t a n ti ne n h a n c i n gg a sd r a i n a g ea n de x p l o i t a t i o na n du s i n go fc o a l s e a mg a s ，a n dp r e v e n t i n gg a sd i s a s t e r so fc o a lm i n e ． K e yw o r d s ；c o a l ；p e r m e a b i l i t y ；e l e c t r i cf i e l d ；r e s p o n s e 煤层气或矿井瓦斯是一种洁净的能源．同时， 它又是一种造成煤矿重大灾害事故和破坏大气环 境的有害气体．在约占我国7 5 ％能源消耗比例的 煤炭的生产过程中，常把瓦斯抽放作为防治煤矿重 大瓦斯灾害事故的主要技术措施．瓦斯气体的温室 效应是C O 。的2 5 倍．我国每年排放的瓦斯量约为 1 9 1 亿m 3 ，既浪费了能源，又污染了环境“] ．开发煤 层气和进行瓦斯抽放可以变害为利，减少瓦斯排空 量，从根本上防治煤矿瓦斯事故． 我国7 0 ％以上的煤系地层为低透气性煤层， 这为高效抽放瓦斯带来了极大的困难．目前采取了 注水驱动、水力压裂、高压水力剖缝、松动爆破和交 叉钻孔等措施，但是并没有从根本上有效地解决此 问题，且费用较大．天然气的生产和作为洁净煤技 术之一的煤炭地下气化，也存在气体的排放问题． 在煤层中煤层气以两种形式存在在裂缝系统中是 游离状态，在孔隙和裂隙表面则主要以吸附状态存 在，且9 0 ％以上的煤层气都被吸附在煤基块中”． 收穑日期，2 0 0 3 一0 5 2 l 基金项置，国家杰出青年基金项目 5 9 9 2 5 4 1 1 作者筒介，王恩元 1 9 6 8 一 ，男，内蒙古自治区卓资县人，中国矿业大学副教授．工学博士 博士后 ，从事矿山煤岩灾害动力过程及其预 测技术，煤岩电磁辐射技术投应用方面的研究． 万方数据 第1 期 王恩元等煤体瓦斯渗透性的电场响应研究 吸附瓦斯的存在，减小了气体运移的通道口] ．因此 提高煤层瓦斯的渗透率是关键的技术问题． 前苏联学者A i r u n i 等。和我国学者谭学术、鲜 学福及杜云贵等研究了静电场对瓦斯气体在煤体 中渗流的影响“。5 ] ，研究结果表明，静电场能使煤的 渗透率提高，且电场强度越大渗透率越高．何学秋、 刘明举、王恩元及张力等[ 6 “1 进行了混频交变电场 6 ～8M H z 对煤体瓦斯吸附性的影响规律及机理 研究，初步实验研究表明，交变电场能使煤体对瓦 斯 C O ，C H 。 的吸附量降低，使瓦斯的解吸速度提 高，其主要作用机理是交变电场能降低煤表面的吸 附势阱深度和提高含瓦斯煤岩体的温度． 作者研制了能调频调幅的交变电场发生仪，研 究了交变电场对煤体瓦斯渗透率的影响规律及机 理． 电场法为提高煤岩层的透气性，降低煤层中 的剩余瓦斯含量，增强煤岩层的注水效果和提高岩 层中的石油渗透率提供了一种新的途径．这对于合 理有效利用电磁场，对于我国低透气性煤层瓦斯高 效抽放、矿井安全生产、保护大气环境都具有重大 的理论和现实意义．利用外加电磁场提高瓦斯解吸 量和提高煤岩层的渗透率方法，与其它方法相比， 具有作用范围大，易操作、费用低的优点． 1 煤体的渗透性 煤体是一种多孔隙介质，在一定的压力梯度 下，气体或液体可以在其内部流动，此种流动称为 渗流．煤体的渗透性能用渗透系数 或渗透率K 描述．研究表明，瓦斯沿煤体的流动一般服从达西 定律，即瓦斯的流速和压力梯度成正比，与煤的渗 透率成正比 。一墨．娑， 1 “dZ 式中F 为瓦斯流速，c m ／s ；K 为煤的渗透率，c m 2 ， 在工程上常用达西 d 或毫达西 r o d 作为计量单 位；户为瓦斯气体粘性系数，P a s ；o 。p 为压力梯度， M P a ／c m ． 通常由实验得出一个总的综合渗透率，对于气 体，因有可压缩性，由下式确定 K 尝峰熙， 2 “一 霸一硝 A ’ “’ 式中Q 为一个大气压下瓦斯渗流流量，c m 3 ／s ；A 为测量点的大气压，M P a ；p 。为进口的瓦斯压力， M P a ；户。为出口的瓦斯压力，M P a ；L 为试样长度 c m ；A 为试样横截面积，c m 2 ． 2 实验系统及实验方法 2 ．1 煤样的制备 煤样选取阳泉南庄煤．由于煤样不易用钻机钻 取，因此，采用成型煤样模拟真实煤层，当然成型煤 样与原煤样之间的孔隙体积、渗透率在其数量上的 确存在一定程度的差异，但其变化规律却具有相当 好的一致性． 实验前，先将原煤样粉碎出粒径在0 ．2 5m m 以下的粉煤，为了提高粉煤的粘结性，便于成型，在 粉煤中加入一定浓度的煤焦油．调匀后放人型煤模 具，然后在1 0 0M P a 压力下成型，制成长度为 i 0 0m m ，直径为5 0m m 的试样．成型煤样放入烘 箱中，在6 0 c 温度下干燥4h 左右，然后放人干燥 器中备用． 2 ．2 实验装置和实验方法 实验装置由测量系统、侧压系统、瓦斯供给系 统、外加电场、恒温系统等组成．其中测量系统由皂 膜流量计、秒表及精密压力表组成，侧压系统由手 动油泵等组成．对于本实验系统轴向压力和侧压都 为静水压力，由手动压泵泵人的粘液压力来维持。 实验用气体为甲烷．实验装置如图1 ．作者开发了 具有调频及调幅功能的电场发生仪，输出频率为 0 ．5 3 ～1 0 ．4M H z ． 电场发生仪 图1 外加电场作用渗透率测试装置 F i g ．1P e r m e a b i l i t yt e s t i n gd e v i c e u n d e ra p p l i e de l e c t r i cf i e l d 表 为了防止实验过程中油、气相互渗透，先将煤 样用胶囊密封，然后在试样表面涂了一层硅橡胶， 在室温下固化．实验时，将准备好的成型煤样放入 自制的非金属压力缸中，并将各系统连接好，往压 力缸中注入粘液，拧紧端盖．用高压手动泵缓慢加 压，使三向静水压力模拟轴压和围压的压力值同步 ①A i r u n iAT ．Z v e r e vIV ，D o l g o v aM 0 ，e ta 1 ．预测和控制煤矿瓦斯泄出量的物理和物化原理[ A ] ．G r e e nAR ．煤擞工业部安全监察 局译．第2 1 届国际采矿安全会议论文集[ c ] ，1 9 8 5 ．2 9 73 0 3 ． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 相等，并达到预定实验要求值．随后即开始对试件 抽真空，即关闭进气阀，将回气阀开启并使之与真 空泵相连接，开动真空泵连续抽1h ．抽真空的目 的在于除去试件中的空气与水蒸气等气体杂质．抽 真空完毕后，关闭回气阀并使之与皂膜流量计相连 接，打开进气阀，高压瓦斯瓶中的甲烷气体经减压 阀减压后，通过进气阀沿进气管道流入试件．当进 出气两端 试样煤两端 的气压相等后，开启回气 阀，这时从试样煤中渗流出来的气体就经过流量计 流人大气中．本实验采用皂膜流量计测量气体流 量，实际测量时，取连续三次测量值的平均值作为 最终的测量值．在实验过程中，保持试件两端的气 体压力不变．试件所受的围压始终保持为一个常 数．在测量气体流量时，要等流量稳定后再进行测 定．当测量加电场情况下煤的渗透率时，保持围压 和气体压力不变，可测得不同电场作用下煤的渗透 率．实验时，静水压力值略高于孔隙瓦斯压力，以防 止把煤样压裂． 3 实验结果及分析 在实验过程中保持瓦斯压力恒定即进口瓦斯 压力为0 ．2M P a ，试样长度L 1 0c m ，试样横截面 积A 一19 ．6 3 5c m 2 ，卢 1 0 ．8p P a s ，P 2 一A 一 0 ．1M P a ．渗透率测试结果随频率和电压变化关系 如图2 和3 所示． 48 三4 ．2 蕃 餐置6 4 ．8 4 ．4 4 ．0 36 3 ．2 01 02 03 04 0 电压U I k V 图3阳泉煤样渗透率电压特征 F i g ．3P e r m e a b i l i t yv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c o fY a n g q u a nc o a l 实验结果表明，在正弦波电场和脉冲波电场作 用下，煤体瓦斯的渗透率提高，并且随电场频率和 强度的增大而提高． 从图2 中可以看出。阳泉南庄煤样在正弦波电 场作用下，当电场电压恒定为10 0 0V ，变换不同 的电场频率值，随着电场频率的增加，煤的渗透率 增加，渗透率随电场频率变化基本上满足线性增 加，渗透率与电场频率，拟合的结果满足 K 一0 ．0 0 03 f 0 ．0 0 38 ， 3 相关系数为0 ．9 7 45 ． 从图3 中可以看出。阳泉南庄煤样在脉冲渡电 场作用下，当电场频率恒定o ．0 1M H z ，变换不同 的电场电压值，随着电场电压的增加，煤的渗透率 增加，渗透率随电场电压变化也基本上满足线性增 加，渗透率与电场电压u 拟合的结果满足 K 一2 X 1 0 “U 0 ．0 0 38 ， 4 相关系数为0 ．9 8 14 ． 4 外加电场提高煤体渗透率作用机理探讨 煤体中瓦斯渗透的过程是瓦斯渗透一扩散、吸 附一解吸的综合过程[ “．瓦斯在煤体中能够渗透，是 由于煤体中存在瓦斯压力梯度或浓度梯度，由瓦斯 压力梯度引起渗透，其基本遵循达西定律，这种过 程在大的孔隙、裂隙系统内占优势；瓦斯气体分子 在其浓度梯度的作用下由高浓度区向低浓度区运 移，符合费克 F i c k 扩散定律，这种过程在小孔 1 舯1 和微孔 o ．1p m 系统内占优势．瓦斯气体 分子在煤体内进行扩散运移的同时，与接触到的煤 体孔隙、裂隙表面发生吸附和脱附．吸附瓦斯的存 在，减小了气体运移的通道睁“． 在交变电场的作用下，煤一瓦斯系统发生物理 变化，主要表现为 I 电介质极化煤体和瓦斯均为电介质，在 电场的作用下会发生极化，包括电子极化、离子极 化、偶极子极化和迁移式极化，极化作用使得煤瓦 斯系统的电负性增加，脱附活化能减小，吸附热减 小，从而瓦斯使瓦斯的吸附势阱降低． 2 电介质损耗损耗的电能转换为热能，使 煤一瓦斯系统的温度升高．随着电场频率和强度 或 电压 的增高，电介质损耗增加，煤一瓦斯系统吸收 的能量也增加，当电场频率为0 即静电场 时，不 发生电介质损耗． 电场增强煤体瓦斯渗透的主要机理是 I 电场增强瓦斯解吸，使吸附量降低“。8 3 影响煤体瓦斯吸附量的因素有4 个．a - 吸附 瓦斯气体分子在煤表面的振动频率；b ．吸附瓦斯 气体分子在煤表面的停留时间；c ．煤一瓦斯体系 々{蕃增嚣 万方数据 第1 期王恩元等煤体瓦斯渗透性的电场响应研究 的温度；d ．煤表面形成的吸附势阱深度．外加电场 作用改变了影响煤体瓦斯吸附量的4 个因素，增加 了煤瓦斯体系的温度，使瓦斯动能增大，加快r 煤 体表面吸附瓦斯分子的振动频率，减短了吸附瓦斯 分子在煤表面的停留时间，降低了煤表面吸附势阱 深度，因此加快了煤体瓦斯解吸速度，减少了煤瓦 斯吸附量． 2 电场作用增强煤体瓦斯的扩散 瓦斯气体在煤体中的扩散模式有3 种分别为 分子扩散 F i c k 型扩散 、K u n d s o n 扩散，表面扩散． 3 种扩散的扩散系数共同决定瓦斯气体在煤体的 扩散速度．3 种扩散系数主要受煤瓦斯体系温度、 煤表面势阱深度、吸附瓦斯分子振动频率的影响． 外加电场作用使得煤瓦斯体系温度升高，煤表面吸 附势阱深度变浅，吸附瓦斯分子振动频率增加“] ， 因此3 种扩散的扩散系数加大，瓦斯放散速度加 快． 3 电场作用使煤体瓦斯的有效渗透通道增大 电场作用使瓦斯吸附量降低，游离瓦斯量增 加，从而使煤体的有效渗透通道增大． 当煤体中存在水分时，交变电场作用可使水分 子的活性增强，从而使水的渗透速度提高，这也可 以增加瓦斯的渗透通道． 本文的研究仅仅是初步的，要想将电磁场技术 应用于增强瓦斯排放或煤层气开发仍有许多工作 要做．本文实验中施加交变电场采用的是小平行电 极板，实际上只有部分电场能量作用于煤样中．在 现场上施加电磁场时可采用大电极或天线发射，保 证能量作用于煤岩体． 参考文献 [ 1 ] S c h u l t zKH ．矿井通风中的煤层气资源开发与市场 前景[ A ] ．罗新荣．2 0 0 2 年第二届国际煤层气会议 论文集[ c ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 2 ．8 1 4 ． [ 2 ] 王恩元，何学秋，林海燕．瓦斯在煤中的赋存形态 [ J ] ．煤炭工程师，1 9 9 6 5 1 21 5 ，1 8 ． [ 3 ] 王恩元，何学秋．瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其 动力学机理口] ．江苏煤炭，1 9 9 6 3 1 7 1 9 ，5 2 ． [ 4 1 谭学术．鲜学福，张广洋，等．煤的渗透性研究[ j ] ．西 安矿业学院学报．1 9 9 4 1 2 2 2 5 ． [ 5 ]杜云贵．地球物理场中煤层瓦斯的渗流特性及瓦斯 涌出规律的研究[ D ] ．重庆重庆大学资源与环境工 程学院，1 9 9 5 ． E 6 ] 何学秋t 张力．外加电磁场对瓦斯吸附解吸的影响 规律及作用机理的研究口] ．煤炭学报t 2 0 0 0 ．2 5 6 6 1 4 6 1 8 。 [ 7 ] H eXQ tL i uMJ ．W a n gEY ．C h a r a c t e r i s t i c so fg a s a d s o r p t i o no fc o a li nf i ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l d [ A ] ，X i e HP ．P r o c e e d i n g so ft h e9 6 ’I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m O i lM i n i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y [ C ] ．R o t t e r d a m A AB a l k e m a ，1 8 71 9 0 ． [ 8 ]张力．外加电磁场对瓦斯吸附解吸影响规律及作 用机理的研究[ D ] ．徐州中国矿业大学能源科学与 工程学院，2 0 0 2 ． 责任编辑王玉浚 万方数据