软硬煤的瓦斯扩散系数研究

郝 凯

(晋煤集团 坪上煤业有限公司，山西 晋城 048006)

扩散是自然界中一种较为常见的现象，常常在多孔介质中发生。扩散系数是研究扩散过程的一个重要的参量，同一物质的扩散系数与温度、压力及浓度等有关[1]。煤体是一种多孔介质，具有双重孔隙结构，微孔小孔发育，具有较大的比表面积[2-3]，煤体中瓦斯的流动也属于扩散，其扩散动力是浓度梯度。

李青松等[4]采用经典扩散模型对不同粒径煤瓦斯扩散规律进行了研究，结果表明扩散率随着粒径的增大而减小；温志辉等[5]对煤屑的瓦斯扩散系数进行了研究，发现煤屑瓦斯扩散系数与时间满足幂函数的关系；岳高伟等[6]分析了煤的瓦斯扩散系数时变特性，结果表明低温环境中煤的瓦斯扩散系数小于高温环境中；梁可[7]采用自研的吸附/解吸实验装置对不同粒径煤的煤样扩散特征进行了研究，发现粒径与扩散率紧密相关。同一个矿井常常赋存着软硬煤，其扩散规律不尽相同，因此研究软硬煤的瓦斯扩散系数对软硬煤的瓦斯治理具有重要意义。

本文采用自行研制的瓦斯吸附解吸实验装置对不同吸附平衡压力(0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa)条件下的软硬煤瓦斯扩散规律进行研究，以期为软硬煤的瓦斯治理提供科学依据。

1 煤样的采集及基础参数测试

试验煤样取自山西沁水盆地南部的坪上煤矿，煤质为无烟煤，在井下分别采集软硬煤，密封保存后送至实验室，编号为：P-Y(坪上硬煤)，P-R(坪上软煤)。首先将实验煤样粉碎，筛选出粒径为1～3 mm及0.18～0.25 mm的煤样，其中1～3 mm煤样用于测试煤样的瓦斯扩散规律，0.18～0.25 mm煤样用于测试煤样灰分(Aad)，挥发分(Vad)，水分(Mad)，视密度(ARD)，真密度(TRD)及坚固性系数(f)。将筛选出的煤样放入干燥箱中，在105 ℃条件下进行干燥，直至煤样的质量不变，视为干燥完毕，然后冷却备用。试验煤样的基础参数基于国家标准(GB/T212-2008，GB/T23561.12-2010，GB/T217-2008)进行测试，测试结果见表1。

表1 试验煤样基础参数

2 试验流程及瓦斯扩散系数的计算理论

2.1 试验流程

试验煤样的瓦斯扩散测试采用如图1所示的试验装置，装置由甲烷罐，参考罐，真空泵，真空计，煤样罐，解吸仪，精密压力传感器，阀门等组成。

1) 采用高压甲烷充入煤样罐的方法检验装置气密性，确保系统不漏气；

2) 将恒温水浴设置为30 ℃，确保煤样罐全部在恒温水浴中；

3) 将干燥好的煤样装入煤样罐，然后对系统进行抽真空，当真空度达到30 Pa以下时，视为抽真空结束；

图1 实验装置

4) 抽真空结束以后，将甲烷充入煤样罐中，并不断补气，使煤样罐内的压力达到吸附平衡压力；

5) 煤样吸附平衡后，放出煤样罐内的游离气体，当煤样罐内的压力将为0时开始解吸，并采用解吸仪记录每时刻的瓦斯解吸量；

6) 试验煤样的瓦斯解吸量按式(1)进行计算：

(1)

式中：Qt为单位质量的瓦斯解吸量，mL/g；V为量筒内气体体积读数，cm3；P0为室内大气压，kPa；0.02t为动槽式压力计随温度变化压力校正值，kPa；t为瓦斯解吸时间，s；m为煤样质量，g；Wp为饱和食盐水蒸汽压，kPa。

2.2 瓦斯扩散系数计算理论

对于颗粒煤的瓦斯扩散规律，有以下假设：①煤屑是由很多球形颗粒组成；②煤屑各向同性；③瓦斯解吸过程中遵循连续性及质量守恒定律。颗粒煤瓦斯解吸遵循菲克扩散第二定律，如式(2)所示：

(2)

式中：r为极坐标半径，m；c为瓦斯浓度，g/cm3；D为扩散系数，m2/s；t为解吸时间，s。

颗粒煤的瓦斯扩散规律的表达式为[8]：

(3)

式中：Q∞为极限解吸量，mL/g；r0为颗粒煤半径，mm。

(4)

对式(3)中n取1，对式(3)两边同时求对数，得到式(5)：

(5)

(6)

通过试验煤样的瓦斯解吸实验，建立Qt/Q∞的关系，通过采用Origin软件进行拟合即可得到软硬煤的瓦斯扩散系数。

3 软硬煤的瓦斯扩散规律及扩散系数分析

3.1 软硬煤的瓦斯扩散规律

按照上述试验步骤对软硬煤不同吸附平衡压力(0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa)条件下的瓦斯扩散量测试，测试结果如图2所示。

图2 试验煤样的瓦斯扩散规律

由图2可知，无论对于软煤还是硬煤，煤的瓦斯扩散量随着时间的增加而增大。对于同一煤样，吸附平衡压力越大，煤的瓦斯扩散量越大，试验煤样的瓦斯扩散量与时间满足幂函数的关系(式7)，拟合度较高，其拟合参数如表2所示。

Qt=a1tb1

(7)

3.2 软硬煤的瓦斯扩散系数

根据式(4)计算出煤的瓦斯极限解吸量，再根据煤的瓦斯解吸量即可得出软硬煤的瓦斯扩散率(Qt/Q∞)与时间(t)的关系曲线，如图3所示，求解煤的瓦斯扩散系数，如图4所示。

表2 拟合参数

图3 试验煤样的瓦斯扩散率

图4 软硬煤的瓦斯扩散系数对比

由图3可知，无论对于软煤还是硬煤，煤的瓦斯扩散率随着时间的增加而增大。对于同一煤样，吸附平衡压力越大，煤的瓦斯扩散率越小；在同一吸附平衡压力下，软煤的瓦斯扩散率大于硬煤。由图4可知，无论对于软煤还是硬煤，随着吸附平衡压力的增大，煤的瓦斯扩散系数逐渐减小；软煤的瓦斯扩散系数大于硬煤，且煤的瓦斯扩散系数与吸附平衡压力满足幂指数的函数关系。

4 结 语

1) 对于同一煤样，吸附平衡压力越大，煤的瓦斯扩散量越大，煤的瓦斯扩散量与时间满足幂函数的关系。

2) 对于同一煤样，煤的瓦斯扩散率随吸附平衡压力的增大而减小；在同一吸附平衡压力下，软煤的瓦斯扩散率大于硬煤。

3) 软煤的瓦斯扩散系数大于硬煤的瓦斯扩散系数，煤的瓦斯扩散系数与吸附平衡压力满足幂指数的函数关系。