冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性试验研究*

司莎莎，王兆丰,2,3，刘帅强，崔永杰

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南 焦作 454000；3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000)

0 引言

煤层瓦斯含量是煤矿瓦斯灾害防治和煤层气资源开发的重要依据[1]。目前，煤层瓦斯含量测定方法主要分为直接法和间接法2类[2]，但由于间接法中煤层原始瓦斯压力测定工艺复杂且成功率低，特别是煤层预抽瓦斯(尤其是采取增透措施)后不具备现场封孔测压条件，所以一般采用直接法[3-4]。而取芯管取芯是直接法中现场煤样采集常用的技术手段，但由于取芯过程中，取芯管壁与钻孔壁摩擦产热导致温度快速升高[5]，煤芯瓦斯解吸速度与瓦斯损失量增加，导致瓦斯含量测值出现误差[6-7]。基于温度降低抑制瓦斯解吸的性质，王兆丰等[8-9]提出了冷冻(0 ℃及以下)取芯技术，以期通过营造低温环境抑制瓦斯解吸来提高瓦斯含量测定结果的可靠性[10-12]。

煤芯瓦斯解吸特性是煤层瓦斯含量测定时损失量确定的重要依据。Richard等[13]、李志强等[14]、刘彦伟[15]研究了常温环境下煤的瓦斯解吸特性；王轶波等[16]研究了恒温-36 ℃条件下的煤体瓦斯解吸特性。综上所诉，以往学者研究热点集中于单一热源或冷源环境下的煤芯瓦斯吸附/解吸规律，但冷冻取芯过程不同于以往低温解吸试验的恒温边界条件[17-18]，煤中瓦斯解吸受到取芯管外壁切削热和内部制冷剂的双重影响[19]。基于此，依托自主研发的含瓦斯煤冷冻取芯响应特性测试平台，开展冷冻取芯环境下(冷热源共存)的煤芯变温瓦斯解吸试验研究。以期提高瓦斯含量测量精准度，为防治瓦斯突出提供重要依据。

1 试验方法与装置

1.1 煤样制备

试验选取古汉山矿(无烟煤，WY)、神木煤矿(长焰煤，CY)、六龙煤矿(贫瘦煤，PS)煤样。本试验将压制型煤进行试验。

1.2 试验装置

为研究冷冻取芯过程中煤芯瓦斯解吸变化规律，作者团队自主研发含瓦斯煤冷冻响应装置，该装置主要由真空脱气系统、吸附平衡系统、气动升降机构和旋转机构、数据监测采集与分析、冷热交换与控制系统组成。试验装置如图1所示。

图1 含瓦斯煤冷冻响应装置Fig.1 Frozen response device of gas bearing coal

1)真空脱气系统。主要由真空系统、真空传感器和相关管路等部分组成。主要用于对煤样罐及试验管路的真空脱气。

2)自动计量系统。主要由气体流量自动计量装置、流量调节阀和排气管路组成，且2组独立的储液计量器交替工作，可实现微量/大流量气体的自动连续计量。

3)注气吸附系统。主要由充气室、高压甲烷气瓶、压力表、气体减压阀和相关管路组成。其主要功能为：注入定压、定值的甲烷气体，通过标定测量死体积。

4)程序控温系统。主要由冷冻控制系统、程序升温油浴、恒温水浴、夹套反应器、温度传感器和保温管路组成。

5)旋转升降系统。具有煤样罐自动升降和旋转功能，煤样真空脱气、吸附平衡、冷冻解吸3个过程的运行和转换均需要依托此系统。

2 试验步骤

1)试验样品真空脱气

将压制好的型煤依次进行干燥、称重、装罐；然后，启动真空泵，对煤样罐及管路抽真空至复合真空计显示值为10 Pa时停止，脱气结束。

2)等温吸附平衡

启动恒温水浴并设置30 ℃循环工作模式，通过旋转升降系统使煤样罐处于恒温环境，然后通过充气系统向充气罐内充入适量气体，关闭气体钢瓶阀门，并连通充气罐与煤样罐之间的阀门，实现对煤样充气，充气结束后关闭阀门，使煤样在30 ℃恒温环境下吸附平衡，压力偏大或偏小时可进行放气/补气操作；当煤样罐内压力显示为1.0 MPa且能够维持3 h不变时，即可认为其处于吸附平衡状态。

3)冷热交换与控制系统

启动低温冷却液反应浴，设置温度-40 ℃，待温度达到预设温度后，开启循环制冷，并使-40 ℃的低温冷却液流入内夹套为煤样营造恒温低温环境；使用气动升降机构和旋转机构将煤样罐转入内夹套内，冷冻煤样罐及煤样；启动高温油浴槽，设置试验取芯温度80 ℃，待达到预设温度后开启循环模式，并连通解吸管路，打开解吸仪；同时立即打开煤样罐放气阀门，释放其中的游离气体后关闭放气阀门，连通解吸管路，开始解吸。

4)重复步骤1)～3)，依次开展古汉山矿、神木煤矿、六龙煤矿煤样在不同取芯压力下(1.0，2.0，3.0，4.0 MPa)以及相同取芯压力下(1.0 MPa)，不同变质程度煤冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性模拟测试，共计开展7组试验。

3 试验结果分析

3.1 吸附平衡压力对瓦斯解吸量的影响

为研究不同吸附平衡压力对冷冻取芯过程中瓦斯解吸量的影响，以井下打钻取芯40 m为例，经现场实测取芯过程中，取芯管壁所能达到的最高温度为80 ℃，所以设置外热源温度为80 ℃，冷冻温度(-40 ℃)条件下，开展不同吸附平衡压力(1.0，2.0，3.0，4.0 MPa)下，冷冻取芯变温过程煤芯瓦斯解吸试验，试验结果如图2所示。

图2 不同吸附平衡压力瓦斯解吸量及煤芯温度变化曲线Fig.2 Variation curves of gas desorption amount and coal core temperature under different adsorption equilibrium pressures

由图2(a)可知：不同吸附平衡压力，煤样瓦斯解吸量变化主要分为初期快速增加、中期短暂稳定和后期减少3个阶段。造成该现象的原因是：在试验开始解吸时，煤样罐与外界压力差较大，煤芯瓦斯解吸速度较大，导致煤样瓦斯解吸量增加；中期由于压力减小，煤芯温度降低，且温度降低抑制煤芯瓦斯解吸，因此，瓦斯解吸量出现短暂的稳定；后期煤样罐内温度较低，压力小于外界压力，产生负压，出现倒吸的现象，进入后期减少阶段。

同一变质程度煤，煤芯瓦斯解吸量与吸附平衡压力呈正相关关系。在试验初期，煤芯瓦斯解吸主要受压力的影响，由于煤样罐与外界压力差较大，所以初期煤芯瓦斯解吸较快，导致煤样瓦斯解吸量快速增加；而平衡压力越大，导致煤芯温度越低，温度下降反而抑制瓦斯解吸；但由于压力增大对瓦斯解吸的促进大于温度降低对瓦斯解吸的抑制，故瓦斯解吸量随吸附平衡压力的增大而增加。

当吸附平衡压力从1.0～4.0 MPa时，煤芯温度越低，而倒吸开始时间越迟。例如当吸附平衡压力分别为1.0，2.0，3.0，4.0 MPa时，倒吸开始时间分别为9.25，12，17.25，21.75 min，此时煤芯的温度分别为18.3，16.5，13.6，11.4 ℃。

为了考察冷冻取芯与非冷冻取芯(无内部冷源)瓦斯解吸的差异，将外热温度为80 ℃，吸附平衡压力分别为1.0，2.0，3.0，4.0 MPa条件下的冷冻取芯与非冷冻取芯瓦斯解吸曲线进行对比，如图3所示。

由图3可知，冷冻取芯与非冷冻取芯相比，不同煤芯瓦斯压力下冷冻取芯过程的煤芯瓦斯解吸量均小于非冷冻的解吸量，例如在不同的吸附平衡压力1.0，2.0，3.0，4.0 MPa下，90 min时冷冻取芯煤芯瓦斯解吸量分别为0.667，0.667，2.265，2.904 mL/g，非冷冻取芯瓦斯解吸量分别为9.980，9.982，11.995，12.934 mL/g。为了进一步量化冷冻取芯对瓦斯解吸的抑制作用，将冷冻、非冷冻各时段的瓦斯解吸量进行比较，见表1。

图3 不同煤芯瓦斯压力下煤芯瓦斯解吸量对比Fig.3 Comparison on desorption amount of coal core gas under different coal core gas pressure

由表1可知：冷冻取芯较之非冷冻取芯的瓦斯解吸量随着时间延长逐渐减小，验证了低温冷冻取芯技术确实可有效降低取样过程中的瓦斯损失量。煤基质的孔隙结构十分复杂，随着温度的降低，煤基质骨架收缩，发生变形，微孔数量增多。煤中甲烷分子无法获得足够的动能摆脱吸附势阱的束缚，从煤孔隙表面扩散出来，而且也延长了甲烷分子在煤孔隙表面的停留时间，扩散系数减小，抑制了瓦斯损失量增加。

表1 不同煤芯瓦斯压力下冷冻取芯与非冷冻取芯瓦斯解吸量比较Table 1 Gas desorption capacity of frozen and non-frozen coring under different pressures

3.2 吸附平衡压力对瓦斯解吸速度的影响

为研究取芯压力对冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸速度的影响，将不同吸附平衡压力条件下，从试验开始到解吸速度变为0 mL/(g·min)这一时间段内冷冻取芯过程解吸速度数据进行对比，如图4所示。

由图4可知，同一变质程度煤体，不同吸附平衡压力下瓦斯解吸速度主要可分为2个阶段：快速减小阶段、缓慢减小阶段。本文认为，初期由于煤芯解吸速度自然衰减以及温度下降抑制煤芯瓦斯解吸，所以，瓦斯解吸速度快速减小；后期煤样罐与外界压差减小，温度降低抑制瓦斯解吸，所以，煤芯瓦斯解吸速度缓慢减少。

图4 不同吸附平衡压力瓦斯解吸速度变化曲线Fig.4 Change curves of gas desorption velocity under different adsorption equilibrium pressures

同一变质程度煤体，煤芯瓦斯解吸停止所需要的时间和取芯压力有关，主要表现为：吸附平衡压力越大，煤芯瓦斯从开始解吸到解吸速度降为0 mL/(g·min)所需要的时间越长。不同吸附平衡压力(1.0，2.0，3.0，4.0 MPa)煤样的瓦斯解吸速度随时间变化关系符合幂函数特征，对其曲线进行拟合，符合关系式(1)，拟合度均达0.99以上，相关拟合参数见表2。

Vt=V1×t-α

(1)

式中：Vt为解吸速度，mL/(g·min)；V1为第1 min中的解吸速度，mL/(g·min)；t为解吸时间，min；α为相关参数，无量纲。

由表2可知：冷冻取芯过程中，不同吸附平衡压力(1.0，2.0，3.0，4.0 MPa)煤样的瓦斯解吸速度随时间的变化关系式分别为：Vt=1.117 28×t-1.417 05，Vt=1.637 85×t-1.385 88，Vt=1.847 93×t-1.378 08，Vt=1.990 62×t-1.376 74。

表2 不同吸附平衡压力下解吸速度-时间方程拟合参数Table 2 Fitting parameters of desorption velocity and time equation under different adsorption equilibrium pressures

3.3 煤变质程度对瓦斯解吸量的影响

为研究变质程度煤对冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸的影响效应，依托含瓦斯煤冷冻响应测试装置，煤芯压力(1.0 MPa)、低温恒温反应浴温度(-40 ℃)和智能加热恒温浴槽(80 ℃)条件下，分别对CY，PS，WY进行冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸模拟测试，得到不同变质程度煤的瓦斯解吸量及煤芯温度随时间变化关系曲线如图5所示。

图5 不同煤变质程度下瓦斯解吸量及煤芯温度变化曲线Fig.5 Change curves of gas desorption amount and coal core temperature under different metamorphic degrees of coal

由图5(a)可知：在同一条件下，不同变质程度煤芯瓦斯解吸量变化曲线趋势一致，均为初期快速增加、中期短暂稳定、后期减少。

煤芯瓦斯解吸量和煤变质程度有关，同一时间段内，CY，PS，WY的瓦斯解吸量依次增加，即变质程度越高煤芯瓦斯解吸量越大。本文认为造成该现象的原因是：随着煤变质程度的增加，吸附常数a值变大，吸附量增加。但是随着煤变质程度的增加，煤芯温度降低幅度越大，从而抑制瓦斯解吸；由于煤变质程度的影响大于温度的影响，因此，煤的变质程度越高，煤芯瓦斯解吸量越大。

由图5可得：随着煤变质程度的增加，煤芯温度越低，倒吸开始时间越迟，例如当煤变质程度分别为CY，PS，WY时，倒吸开始时间分别为9.20，16，19 min，此时煤芯温度分别为21.285，13.068，5.554 ℃。

3.4 煤变质程度对瓦斯解吸速度的影响

为研究煤变质程度对煤芯瓦斯解吸速度的影响，将不同变质程度煤从实验开始到解吸速度变为0 mL/(g·min)这一时间段内的解吸速度数据绘制于同一图中进行对比，试验结果如图6所示。

图6 不同变质程度煤瓦斯解吸速度变化曲线Fig.6 Change curves of gas desorption velocity for coal with different metamorphic degrees

由图6可知：同一条件下，不同变质程度煤煤芯瓦斯解吸速度变化曲线趋势一致：快速减小阶段、缓慢减小阶段。

同一条件下，煤芯瓦斯解吸停止所需要的时间和变质程度有关，主要表现为：变质程度越高，煤芯瓦斯解吸速度降为0 mL/(g·min)的时间越长。例如，CY用时8 min，PS用时15 min，WY用时18 min。不同变质程度煤(CY，PS，WY)煤芯瓦斯解吸速度随时间变化曲线符合幂函数特征，对其曲线进行拟合，同样符合关系式(1)，拟合度均达0.99以上，相关拟合参数见表3。

由表3可知：冷冻取芯过程中，变质程度分别为CY,PS,WY时，煤解吸速度随时间的变化关系式分别为：Vt=1.638 53×t-1.675 71，Vt=1.637 86×t-1.385 88，Vt=1.867 2×t-1.380 75。

表3 不同变质程度煤解吸速度-时间方程拟合参数Table 3 Fitting parameters of desorption velocity and time equation for coal with different metamorphic degrees

4 结论

1)冷冻取芯过程中，煤芯瓦斯解吸量随时间变化，主要分为前期快速增加、中期短暂稳定和后期减少3个阶段；煤芯瓦斯解吸速度主要分为迅速减小、缓慢减小2个阶段；煤芯瓦斯解吸过程中存在倒吸现象，且瓦斯压力越大、煤变质程度越高，倒吸开始时间越迟。

2)冷冻取芯过程中，同一煤样，煤芯瓦斯解吸量、解吸速度与瓦斯压力呈正相关关系，且瓦斯压力越大，煤芯瓦斯从开始解吸到解吸速度降为0 mL/(g·min)所需要的时间越长。

3)冷冻取芯过程中，同一煤芯瓦斯吸附平衡压力下，煤变质程度越高，瓦斯解吸量越大，煤芯瓦斯解吸速度越大，且解吸速度降为0 mL/(g·min)所需时间越长。