水分对颗粒煤的瓦斯扩散影响规律研究

高志鹏

(晋煤集团 赵庄煤业公司，山西 长治 046600)

煤层瓦斯以吸附态和游离态的形式存在于煤层中，煤层瓦斯扩散需经过微孔、小孔、中孔及大孔，影响煤层瓦斯解吸规律的主要因素有：压力、温度、煤粒直径、煤的破坏类型、煤体的变质程度、孔隙结构及水分等。陈向军等[1]研究了煤样粒径、吸附平衡压力、煤样破坏类型对煤层瓦斯扩散的影响规律，得出煤样粒径越小、吸附平衡压力越大、煤样破坏越严重，同一时间段内的瓦斯解吸量越大的结论；ZHOU Dong[2]，YUE Gao- wei等[3]揭示了温度对含瓦斯煤扩散的影响机理，温度的变化影响了甲烷分子的活性，改变了瓦斯在煤粒中的扩散能力，不同的温度条件下，甲烷分子的扩散能力不同；孙丽娟[4]、李子文等[5]研究发现，煤的吸附能力随着变质程度的增加呈现先增加后减小的趋势，煤的微孔和中孔含量对瓦斯的吸附量影响较大；YIN Guang- zhi[6]等研究认为，水分含量对含瓦斯煤层的透气性有较大影响。本文拟从水分对瓦斯扩散量、扩散率的角度探析水分对颗粒煤瓦斯扩散规律，以期为煤层瓦斯治理提供理论基础。

1 不同含水率试验煤样的制备

试验煤样取自晋煤集团赵庄煤矿，将取回的新鲜煤样采用粉碎机粉碎，筛选出粒径为60～80目及1～3 mm粒径的煤样。粒径为60～80目的煤样用于吸附常数测试及工业分析，工业分析按照《煤的工业分析方法》GB/T212-2008测得自然煤样水分Mad为1.78%，灰分Aad为10.55%，挥发分Vad为8.52%；粒径为1～3 mm的煤样用于制备不同含水率的试样，不同含水率煤样制备步骤如下：

1) 将制备好粒径为1～3 mm的煤样放置在热空气干燥箱内干燥，设置干燥箱温度为105 ℃，得到干燥煤样，并称其重量；

2) 采用编织网袋子，取一定质量上述干燥后的试验煤样(m)包裹后放入真空饱和水试验装置中，使煤样饱和吸水，并称其质量(m1)，则其含水率为：w=(m1-m)×100%/m；

3) 将饱和吸水后的煤样，放入热空气干燥箱内干燥，通过控制干燥时间，间隔一段时间对其质量进行测试，获取不同水分的煤样；

4) 将制取的一定含水率煤样放入煤样罐中，按照检验气密性、死体积标定、充气吸附平衡、常压解吸的试验步骤进行水分对颗粒煤瓦斯扩散影响规律研究。

2 煤的瓦斯吸附常数测试

根据《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》(MT/T752-1997)进行煤的吸附常数测试，测试结果如图1所示，吸附常数a值为46.423 66，b值为0.610 48。

图1 煤的瓦斯吸附常数测试

3 水分对颗粒煤瓦斯扩散的影响规律

按照上述试验步骤，分别测试吸附平衡压力为0.5 MPa、1.0 MPa，不同含水率下的扩散量，测试结果如图2所示。

图2 水分对颗粒煤瓦斯扩散量影响

由图2可知，同一吸附平衡压力下，随着含水率的增加，瓦斯扩散量逐渐减小，瓦斯扩散速度逐渐减小，随着含水率的增加，水分对瓦斯解吸产生了明显的抑制效应。

杨其銮等[7]通过数值计算出了煤的瓦斯扩散规律的一般表达式：

(1)

式中：Qt表示扩散时间为t时累计的瓦斯解吸量；A=π2D/R2；D为煤的瓦斯扩散系数，m2/s；R表示煤屑半径，m；Q∞表示t趋向于无穷时瓦斯极限解吸量，Q∞可采用式(2)表示：

(2)

式中：a、b为煤的瓦斯吸附常数；p为吸附平衡压力，MPa；p0为大气压力；Aad为煤的灰分，%。

根据式(2)计算出干燥煤吸附平衡压力为0.5 MPa，1.0 MPa时极限解吸量为6.84 mL/g和10.08 mL/g。根据图2中水分对颗粒煤的瓦斯扩散量，即可计算出不同水分条件下瓦斯在不同时刻的扩散率，如图3所示。

图3 水分对颗粒煤瓦斯扩散量影响

由图3可知，同一吸附平衡压力下，随着含水率的增加，瓦斯扩散率逐渐减小。水分与煤体表面的作用主要是水分与极性吸附位间的氢键作用，而甲烷与煤体分子表面主要靠分子间作用力，煤体对水分子的吸附能力大于对甲烷分子的吸附能力，煤体含水率越大，造成可用于甲烷的吸附位减少，瓦斯的吸附量减小，在解吸的初期，瓦斯从大孔中扩散出，水分子会在微孔隙内产生一定的蒸气压，存在一部分气体状态水分子，增大了瓦斯扩散的阻力，抑制了瓦斯的扩散。

4 结 语

1) 同一吸附平衡压力下，随着含水率的增加，瓦斯扩散量逐渐减小，瓦斯扩散速度逐渐减小，随着含水率的增加，水分对瓦斯解吸产生了明显的抑制效应；

2) 含水率的增加，增大了瓦斯的扩散阻力，抑制了瓦斯的扩散。