煤体瓦斯解吸规律研究综述_戴世鑫

关键词： 瓦斯；解吸；煤样；因素
中图分类号： TD712
文献标志码： A 文章编号： 1008 － 8725（2015）10 － 133 － 04
Overview of Research on Law of Coal Gas Desorption
DAI Shi-xin1,2， YU Wen-long2， LIU Wen-qiang2， WU Yun-jie2， WEI Fang2，DOU Gui-dong3
连通性和表面积，减少其瓦斯解吸量。
理方向平行。 实验过程中改变注气压力及加载方
1.5 孔隙度
式，模拟瓦斯气体在复杂地质结构中漫长的形成及
煤层的孔隙度越大， 说明煤层中孔隙空间越 卸压开采过程，得出数据绘图如图 2 所示。
大。 从实用出发，只有那些互相连通的孔隙才有实 际意义，因为它们不仅能储存煤层瓦斯气体，而且 可以允许瓦斯气体在其中渗滤流动。 因此，孔隙度 是影响煤层瓦斯气体解吸过程一个很重要的因素。 1.6 变质程度
态重分布，导致瓦斯不断地吸附、解吸和渗流，煤体 首先会影响煤的总表面积，其次影响气体分子进出
* 湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目（201410534003）；
煤粒内部的孔隙。 粒度的大小直接反映瓦斯解吸的
湖 南 教 育 厅 科 研 项 目 （B31322）； 湖 南 科 技 大 学 煤 炭 资 源 清 洁 利 用 与 矿 山 环 境 保 护 湖 南 省 重 点 实 验 室 开 放 基 金 （E21421）； 湖 南 科 技 大 学 科 研 启 动 基 金 （E51390 ）
several factors.
Key words： gas; desorption; coal samples; factor
0 引言
产生变形，极易引起煤层瓦斯突出事故。 当压力发
近年以来，我国瓦斯事故频繁发生，研究煤与 生变化时， 煤体中裂隙结构和孔隙大小随之改变，
瓦斯的解吸规律，对于煤与瓦斯的突出预测，煤层 煤体透气性和孔隙率等物理性质发生显著变化，影
（1. 湖南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室， 湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技
大学 土木工程学院， 湖南 湘潭 411201； 3. 陕西彬长小庄矿业有限公司， 陕西 咸阳 713500）
摘 要： 通过对温度、压力、水分含量、煤样粒度、孔隙度、变质程度等 6 种影响煤体瓦斯解吸
1
0
50 100 150 200 250 300 350
时 间/min
过对累积瓦斯解吸量与煤中水分含量变化关系的 研究，得出结果如图 3 所示。
7
6
3 min 解 吸 量
30 min 解 吸 量 5
120 min 解 吸 量
4
3
2
1
图 1 不同温度条件下的瓦斯解吸规律
从图 1 中可以看出，在同一时刻下，温度越高
气体分子在煤孔隙表面的稳定性受到影响，直接或 些气态水分子将瓦斯气体涌出，致使瓦斯的解吸量
间接地引起煤对瓦斯的解吸常数的变化，从而使得 减少；同时水的存在会阻塞瓦斯气体分子进入煤体
在不同温度下煤对瓦斯解吸量的不同。
微孔隙的通道。
1.2 压力
1.4 煤样粒度
在煤矿开采过程中，总是伴随着煤层的应力状
由煤的瓦斯动力学规律可知，煤样粒度的大小
吸速率加快；反之，解吸速率降低。 所以，增加煤层 渐减小。 因此水分对煤吸附解吸瓦斯有显著影响， 134
第 34 卷第 10 期
煤体瓦斯解吸规律研究综述— ——戴世鑫，等
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随煤中水分的增加，煤解吸瓦斯能力会逐渐降低。
煤样的微孔和小孔主要影响煤层气的解吸量和解
2.4 煤样粒度对瓦斯解吸的影响规律
0
1
2
3
4
煤 中 水 分 含ຫໍສະໝຸດ Baidu量/%
5
6
解吸量越大。 在相同温度条件下，煤中甲烷的初始
图 3 不同水分含量条件下的瓦斯解吸规律
解吸速度较快。 随着时间的增加，解吸速度慢慢减
从图 3 中可以看出，在煤中含水量为 1%时，不
小。 解吸过程开始的前 50 min，各温度解吸量呈一 同时间曲线下的瓦斯解吸量差别较大，并且时间越
40、45、50 ℃时瓦斯吸附动力学参数，获得的数据如 响 因 素 （如 粒 度 、温 度 、压 力 、破 坏 类 型 、 变 质 程 度
图 1 所示。
等）为衡量的情况下模拟煤样的瓦斯解吸规律。 通
解 吸 量/mL·g-1 解 吸 量/mL·g-1
8
7
6 20 ℃
5
30 ℃
4
40 ℃
3
45 ℃
2
50 ℃
的因素进行说明，综述了我国目前就这 6 种因素对瓦斯解吸的影响规律。 结果表明：不同因素对瓦
斯解吸具有规律性， 但由于得到的规律忽略了煤地质环境的复杂性与各种因素之间存在相互影
响，只是针对 1 种影响因素进行的研究，存在一定的片面性，因此在将来的研究中应尽量对多个因
素进行综合研究，才能获得更准确的结论。
煤变质作用是指褐煤在地下受温度、 压力、时 间等因素影响，转变为烟煤或无烟煤、天然焦、石墨
解 吸 纯 量/mL
900
1.2 MPa
800
2.8 MPa
4.7 MPa
700
600
500
400
300
200
100
0 100 200 300 400 500 600 700 时 间/min
等的地球化学作用。 温度、压力持续的时间是引起
煤分子和瓦斯气体分子之间的作用力是范德 面上一定数量的空位被水分子占据，使得煤解吸瓦
华力，自由气体分子通过吸收能量聚集在煤的孔隙 斯的有效面积相应减小，导致解吸量的降低；在自
表面，因此解吸是吸热过程。 在外界温度变化时，气 由水无法进入的细小孔隙内，水分蒸汽压的存在促
体分子运动受到影响，使瓦斯气体动能改变，瓦斯 使少量的气体状态水分子进入煤体细小孔隙中，这
（1. Hunan Province Key Laboratory of Coal Resources Clean-utilization and Mine Environment Protection，Hunan Science
and Technology University， Xiangtan 411201, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan Science and Technology
图 2 不同压力条件下的瓦斯解吸规律
煤发生变质作用的因素。 不同变质程度的煤孔隙度
从图 2 中可以看出， 在 0~50 min 内，1.2 MPa 压
不同，煤的变质程度越高，煤的空隙体积越大，越有 力下的瓦斯解吸量急剧增加到 220 mL 左右， 而 2.8
利 于 瓦 斯 气 体 的 赋 存 ， 因 而 在 变 质 程 度 较 高 的 煤 MPa 和 4.7 MPa 压力下的瓦斯解吸纯量分别急剧增
size of coal,porosity and metamorphic grade, have made a comprehensive study on the influential
regularity of different factors in the desorption of coal gas. It shows that different factors influencing
第 34 卷第 10 期 2015 年 10 月
煤炭技术 Coal Technology
Vol.34 No.10 Oct. 2015
doi:10.13301/j.cnki.ct.2015.10.049
煤体瓦斯解吸规律研究综述 *
戴世鑫 1,2， 于文龙 2， 刘文强 2， 吴运杰 2， 魏 芳 2，窦桂东 3
factors,there is a certain one-sideness just for the study on one type of influential factors, therefore, if we
want to acquire more accurate conclusion,we should try to perform a comprehensive investigation of
中，瓦 斯 含 量 通 常 也 比 较 高 ，煤 变 质 程 度 与 瓦 斯 含 加到 300 mL 和 600 mL 左右。 由此可知，随着压力
量存在着密切的联系。 温度对煤的变质作用起着主 的增大，瓦斯气体的解吸速率越快，解吸量越多。 在
导作用。 由于引起煤变质的热源和增热方式及变质 50 min 之后 ，瓦 斯 解 吸 速 率 逐 渐 减 慢 ，解 析 量 趋 于
路径长短和阻力大小，对于采样地点相同的煤样，在 相同的解吸条件下，当煤的粒度较大时，内部的瓦
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Vol.34No.10
煤体瓦斯解吸规律研究综述— ——戴世鑫，等
第 34 卷第 10 期
斯解吸路径越长，阻力也就越大，单位时间的解吸 温度可以提高瓦斯的解吸速率。
瓦斯强度和给定时间下的瓦斯解吸量越小，同时，瓦 2.2 压力对瓦斯解吸的影响规律
desorption of coal gas are of regularity to some extent, however,on account of the obtained laws
neglecting the complexity of geological environment of the coal and the interaction among the various
斯解吸过程中，煤体会发生压缩变形，从而影响煤的
煤样采自于山西晋城天地王坡煤矿，采出煤层距
微观结构，使微孔可产生不可逆的变形。相同条件下， 离地面约 350 m。 煤样尺寸为 50 mm×50 mm×100 mm。
对于粒度较小的煤体，这种变形作用可能减少其微孔 实验 在 恒 压 条 件 进 行 ，环 境 温 度 为 室 温 ，注 气 与 层
瓦斯流动机理， 煤的瓦斯含量预测及计算采落煤 响瓦斯气体在煤体中的运移通道和赋存空间。 使煤
瓦斯涌出，瓦斯爆炸事故的预防都有重要的现实 体对瓦斯的解吸速度改变。
意义。
1.3 水分含量
1 不同因素对解吸的影响
煤体中水分的存在，必然会影响煤体对瓦斯的
1.1 温度
解吸。 一部分水通过润湿作用和煤表面相结合，表
University， Xiangtan 411201, China; 3. Shaanxi Binchang Xiaozhuang Mining Industry Group Co., Ltd.， Xianyang
713500, China）
Abstract： Trough illustrating the multiple factors such as temperature,pressure,moisture content,particle
吸速率。 煤层的孔隙度越小，压力的传递效率越高，
该煤样采自于河南焦作煤田一矿原生结构煤， 那么， 吸附于微孔内的气体解吸量和解吸速率越
通过煤样的干燥预处理、真空脱气、瓦斯解吸过程 高。
的 测 定 和 测 定 数 据 的 处 理 等 步 骤 进 行 煤 样 瓦 斯 的 2.6 不同变质程度对瓦斯解吸的影响规律
本次煤样采自晋城软煤，利用甲烷解吸实验装
煤样采自于鹤壁矿区软煤，为了研究水分对该
置，通过不 同 温 度 条 件 下 瓦 斯 解 吸 实 验 ，在 CH4 压 力为 1.5 MPa 的条件下，分别测试了温度为 20、30、
煤样瓦斯吸附-解吸规律的影响， 实验模拟了煤样 在不同水分含量这一变量条件下，同时保持其他影
特征的不同， 将煤的变质作用划分为深成变质作 定值，最终达到解吸平衡。 随着压力的增大，吸附速
用、岩浆变质作用和动力变质作用。
率逐渐减小，有利于煤对瓦斯的解吸，当瓦斯气体
2 不同因素对瓦斯解吸的影响规律
的压力增大到一定程度时，瓦斯解吸量趋于饱和。
2.1 温度对瓦斯解吸的影响规律
2.3 煤中不同水分含量对瓦斯解吸的影响规律
次线性关系，解吸速率较快；50 min 后，解吸速率减 长，瓦斯解吸量越大。 当煤中水分含量增加 3%时，
低，解吸曲线趋于平缓，渐渐达到解吸平衡。 随着温 解吸量减少到初始解吸量的 1/2 左右。 在同一时间
度增高，煤对瓦斯的吸附能力减弱，吸附量降低，解 曲线下，随着煤中水分含量的增加，瓦斯解吸量逐