煤中瓦斯吸附渗透理论及实验研究

附量 , 即参考罐甲烷的减少量减去样品罐自由空间 甲烷的增加量 , 甲烷吸附量计算公式 : ( ] T０[ P ir －１ － P ir ) V r －V f ( P i － P i －１ ) ２) ＋ Q i －１ ( GTP ０ — — 第 i 秒煤样吸附甲烷量 , ml / 式中 :Q i — g;
TD７ １ ２ .３
文献标识码
Yao Youli １
, ２
Abstract Based on the current theories and existin g research results at home and abroad , the g as adsor p tion exp erimental s y stem was desi g ned to stud y the p rocess of g as adsor p tion and desor p tion as well as g as flow law in coal seam ,includin g tem p erature control s y stem ,g as adsor p tion s y stem and data ac q uisition and p rocessin g s y stem． The isothermal adsor p tion characteristics of coal sam p les with different p article sizes were studied b y usin g constant p ressure d y namic adsor p tion． The relationshi p between g as adsor p tion ca p acit y ,adsor p tion rate and p article size was obtained． Accordin g to d y namic adsor p tion curves of three kinds of different coal sam p les , the relational exp ression of g as adsor p tion ca p acit y ,adsor p tion rate and adsor p tion time was p ut forward ,and the mathematical model of g as adsor p tion q uantit y of coal sam p le was established． In summar y ,this stud y p ossesses theoretical si g nificance and p ractical a pp lication value for imp rovin g the existin g g as draina g e methods and their level ,and for coal and g as outburst p rediction and g as disaster p revention and control in coal mines． Key words g as absor p tion ,g as flow rule ,characteristics of isothermal adsor p tion ,constant p ressure d y namic adsor p tion ,adsor p tion rate ,p article size of coal sam p le
表１ 罐体积测定结果 组别 第一组 第二组 参考罐体积 样品罐体积
T ０ p j －１ v f － T ０ p j v f ( １) ＋ Q j －１ GT P ０ — — 第 j 秒煤样吸附甲烷量 , ml/ 式中 :Q j — g; — — 第 j －１ 秒煤样吸附甲烷量 , ml / Qj －１ — g; Qj ＝
中国煤炭第 ４０ 卷第 ８ 期 ２ ０ １ ４ 年 ８ 月
１１０
１
实验方案 本实验系统 主 要 由 通 气 装 置 、 温 度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ控 制 系 统 、
力 ,MPa;
pj
－１
— — — 第 j － １ 秒样品罐自由空间瓦斯 压
等温吸附解吸系统和数据采集与处理系统组成 , 计 算机采集 与 处 理 系 统 每 秒 钟 记 录 一 组 罐 内 瓦 斯 压 力 . 因本套系统正在申请专利过程中 , 不便在此展 开叙述 . 本文采用容量法并在实验装置中增设参考 罐来测量瓦斯吸附解吸量 , 自制了 ３ 种不同粒度煤 ,让煤样分别在不同压力下进 样 ( 取自同一煤 层 ) 行吸附解吸实验 , 然后进行分析比较 . 系统的气密性检查及样品罐 、 参考罐及自由空间体 积的测定 . 样品罐用来放置待研究的煤样 , 参考罐 用来辅助测定自由空间体积和瓦斯吸附量 . 样品罐 体积和参考罐体积包括罐体积 、 接头 、 阀门导气管 道的通径体积之和 . ２ ２ .１ 实验内容 实验目的及步骤 该实验的目的是研究恒定压力下的煤体瓦斯动 实验前做好煤样的采集与制备工作 、 等温吸附
图１ １ 号煤样 ( １ .５ MPa)吸附量实测曲线 与时间函数曲线拟合图
— — 第 i －１ 秒参考罐内压力 ,MPa; P ir － １ — — — 第 i 次秒样品罐自由空间压力 ,MPa; Pi—
MPa;
— — 第 i － １ 秒 样 品 罐 自 由 空 间 压 力, P i －１ — — — 参考罐体积 , ml ; Vr— — — 样品罐的自由空间体积 , ml . Vf—
３ .２
吸附实验实测曲线 通过软件数据处理 , 发现在各个动态压力点下
煤中瓦斯吸附渗透理论及实验研究 ∗
吸附量 曲 线 与 吸 附 时 间 t 的 函 数 曲 线 f ( t ) ＝a
０ .４ { ]}( 简称时间函数 ) 比较吻 １ －exp [－ ( t/ b) 合 , 通过调整 a 、b 值 , 得 到 如 图 １ 和 图 ２ 所 示 １
MPa; — — 第 j 秒 样 品 罐 自 由 空 间 瓦 斯 压 力, pj —
表２
ml
１１６ .７ ３ ４ ７ ６ ０ ８ ( １ 号罐 ) １ ２ ５ .２ ２ ５ ７ ５ ２ ７ ( ２ 号罐 ) １ ３０ .６ ７ ５ ２ ５ １ ９ ( ４ 号罐 ) １ ３ ７ .５ ５ １ ８４ ５ ０ ( ３ 号罐 )
★ 煤矿安全 ★
煤中瓦斯吸附渗透理论及实验研究 ∗
２ 姚有利 １ ,
( １ . 山西大同大学工学院 , 山西省大同市 , ０ ３ ７ ００ ３ ; 北京 ) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 , 北京市海淀区 , １ ０００ ８ ３ ) ２ . 中国矿业大学 ( 摘 要
为了研究煤层中瓦斯吸附解吸过程和瓦斯流动规律 , 基于国内外现有研究理论
Theory of gas adsorp tion and p ermeation in coal and its exp erimental study
( １． School of Coal En g ineerin g ,Daton g Universit y ,Daton g ,Shanxi ０ ３ ７ ００ ３ ,China ; ２． State Ke y Laborator y of Coal Resources and Safe Minin g ,China Universit y of Minin g and Technolo gy ,Beij in g ,Haidian ,Beij in g １ ０００ ８ ３ ,China )
n 次 , 计算在此过程中的累计瓦斯吸附量 . ２ .２ 吸附量的计算
( １ ) 第一部分是样品罐与参考罐没有贯通时的 吸附量 :
,第二 包括 １ 号罐 ( 参 考 罐) 和 ２ 号 罐 ( 样 品 罐) ( ) 组吸附罐 包 括 ３ 号 罐 样 品 罐 和 ４ 号 罐 ( 参考 . 罐体积 测 定 结 果 如 表 １ 所 示 . ３ 种 不 同 粒 度 罐) 煤样自由空间体积测定结果如表 ２ 所示 .
态吸附规律 , 建立煤的瓦斯吸附量数学模型 . 实验 的关键步骤是在实验压力下 , 每当样品罐内初始压 力下 降 了 一 微 小 值 △ P 时 , 向 样 品 罐 充 入 甲 烷 , ３ ３ .１ 使其压力回复到初始压力继续吸附 , 如此循环充气 吸附量的计算分两部分 .
实验数据处理与分析 基本参数测定结果 吸附罐体积的测定可分为两组 : 第一组吸附罐
粒度较小) 对 应 的 a 值 分 ２ .８ ５ 和 ６ .５ , ３ ＃ 煤 样 ( 别为 ２ .６ ８ 和 ６ .９ , 可 以 明 显 看 出 相 同 粒 度 煤 样 , 压力越大 ,a 值越大 ,a 是 与 吸 附 压 力 正 相 关 的 物 理量 .a 的物 理 意 义 是 煤 的 饱 和 吸 附 量 , 粒 度 小 , 则比表面积大 , 吸附量会增大 , 但是试验数据显示 的差异过大 , 造成这种现象的原因可能是粒径大的 煤样空 隙 大 , 试 验 开 始 时 刻 , 瓦 斯 向 大 的 空 隙 流
种窒息性和爆炸性的气体往往又是造成煤矿井下发 生重大瓦斯爆炸事故的根源 , 当其直接向空气中排
, ∗ 基金 项 目 :山 西 省 高 校 科 技 资 助 项 目 ( ２ ００ ９ １ ０ ２ ９ ) 山西大同大学博士基金项目 ( ２ ００ ８B２ ２ )
我国高瓦斯煤层普遍具有较高的吸附能力 , 这
放时既浪费资源又会引起严重的环境污染 . 瓦斯吸 附解吸和渗透规律是瓦斯抽采和瓦斯灾害防治的基 础 . 本研究对于改进现有的抽采方法并提高抽采水 平 , 对于煤与瓦斯的突出预测和煤矿瓦斯灾害的防 治均具有重要的理论意义和实际应用价值 .
煤样自由空间体积测定结果
－１ 煤样实密度/ g ������ ml
１ 煤样 ２ ＃ 煤样 ３ ＃ 煤样
＃
自由空间体积/ml ９１ .０４ ６ ３ ４４ １０２ .８４ ７ ００ ３ ９１ .５ ２ １ ５ ４４
煤样实体积/ml ３４ .１ ７ ９ ４０ ９ ３４ .７ ０４８４２ ３３ .７ ０４２ ０ ８ ７
— — 煤样质量 , g; G— — — T — 试验温度 , K; — — 标准状态温度 , 即 ２７３ K. T０— ( ２ ) 第二部分是样品罐与参考罐贯通瞬间的吸
— — 样品罐的自由空间体积 , ml ; v f— — — 标准状态大气压力 ,MPa; P０—
Qi ＝
— — 第 i －１ 秒煤样吸附甲烷量 , ml / Qi －１ — g; — — 第 i 秒参考罐内压力 ,MPa; P ir —
成果 , 设计了瓦斯吸附的实验系统 , 该系统主要包括温度控制系统 、 瓦斯吸附系统和数据采 集与处理系统 . 通过自制的煤样 , 实验研究了同一煤质不同粒度煤样的等温吸附特性 . 采用 定压动态吸附法进行瓦斯吸附实验 , 指出了瓦斯吸附量 、 吸附速率与煤样粒度之间的关系规 律 . 通过对 ３ 种不同煤样的动态吸附曲线的对比分析 , 提出了瓦斯吸附量 、 吸附速率与吸附时 间之间的关系式 , 建立了煤的瓦斯吸附量的数学模型 . 对于改进现有的抽采方法并提高抽采水 平 、 对于煤与瓦斯的突出预测和煤矿瓦斯灾害的防治均具有理论意义和实际应用价值 . 关键词 粒度 中图分类号 瓦斯吸附 瓦斯流动规律 等温吸附特性 A 定压动态吸附法 吸附速率 煤样
１ .４ ６ ２ ８ ６ ９ １ .４ ３ ９ ８ ５ ７ １ .４８４ １ １ ２ ０
煤样质量/ g ５０ .００ ５０ .００ ４９ .９ ２
煤样平均粒径/mm ０ .３ １ ７ ０ .２ ５ ０ .１ ３ ７ ５
号煤样 １ .５ MPa 动态压力点的吸附量实测曲线与时 １１１
间函数曲 线 拟 合 图 和 吸 附 量 与 时 间 函 数 线 性 相 关 图.