静电场作用下煤体瓦斯解吸实验研究.docx

? ? 静电场作用下煤体瓦斯解吸实验研究 ? ? 吴鹏飞 (郑州煤炭工业（集团）有限责任公司 大平煤矿， 河南 新密市 452470) 0 引言 随着国民对煤炭资源需求量的不断增加，我国矿井煤炭开采正快速向深部地区发展，煤层瓦斯含量也越来越大[1]。但是，我国煤层瓦斯抽采率普遍偏低，如果不采取辅助措施往往很难达到有效抽采煤层瓦斯的目的。目前提高煤层瓦斯抽采率的技术途径主要有两个方面：一是采用高压注水、水力割缝等人为方法提高煤层透气性，二是改善钻孔布局优化钻孔参数等[2?5]。这些方法都是通过力学措施解除煤层应力屏障，使得煤层透气性增大。但通过这种方式提高抽采率是有限的，且容易受到地质构造和施工技术的限制[6]。因此，静电场作为一种非力学辅助煤层气抽采方法为矿井瓦斯高效抽采增透技术发展提供了新的思路，对煤矿安全生产具有重要的意义。 目前已经出现外加电场对煤瓦斯吸附、扩散与渗流等方面的研究。如国外学者Airuni 等[7]最先从理论研究出发，推导得出静电场可使瓦斯在煤体中的吸附加快，同时增加吸附热；国内学者 Li Chengwu 等[8]通过实验室试验研究了不同静电场对煤表面甲烷吸附过程的影响，结果表明，静电场中煤对瓦斯的吸附作用增强，且吉布斯自由能随电场强度的增加而增大；刘保县等[9]发现静电场下煤体表面吸附势阱深度增大与煤瓦斯系统温度升高存在竞争关系，这是造成吸附量发生变化的主要原因；张广洋[10]，王平虎[11]探究了直流电场作用对煤瓦斯吸附性影响，实验表明：随电压或者频率的增大，吸附常数a（瓦斯饱和吸附量）、b（吸附等温线的起始斜率）值呈指数规律减小；杜云贵等[12]运用电场中煤体的电极化特征，分析得出煤体在电场作用下会发生转向极化和空间电荷极化，电场的极化效应使煤对瓦斯的吸附量降低；雷东记等[13]研究了静电场下煤体瓦斯放散特性，结果表明静电场可提高煤体瓦斯放散初速度；Jian kuo[14]对构造煤在静电场中的吸附和扩散特性进行了研究，结果表明：静电场中煤对瓦斯的吸附量和瓦斯放散初速度的变化是由吸附势阱深度、煤体电负性和焦耳热效应三者之间竞争引起的；王江等[15]认为在低渗透储层中利用外加直流电场改善其渗透性的潜力很大。 众多学者在静电场促进煤中瓦斯渗流，提高渗透率方面做了研究，但静电场中瓦斯的解吸过程研究较少，且不同学者间观点存在的争议和实验结果尚不明确。本文重点对不同变质程度煤体在静电场下施加不同加电时间与电场强度煤瓦斯解吸过程进行了实验研究，判识静电场对煤吸附解吸瓦斯的优势改性场强，可为煤矿静电场场强的选取提供依据。 1 实验系统 本实验采用自行设计并构建的静电场下含瓦斯煤体解吸实验系统，见图1，利用TC6000P30-30智能高压电源为实验提供0，40，120，240 kV/m加电场强，以导电性能较好的紫铜为电极板。依据实验需求，煤样选自古汉山矿无烟煤、鹤壁六矿贫瘦煤、平顶山八矿肥煤和义马耿村矿褐煤，经过破碎、筛选出粒径为0.2～0.25 mm 的煤样，每个试样重3.5 g，烘干后将其密封保存。煤样各参数信息见表1。 图1 瓦斯解吸装置原理 表1 煤样参数 2 结果分析 2.1 静电场煤体瓦斯解吸规律研究 本次实验设定瓦斯吸附平衡压力为1 MPa，在此条件下，对实煤样进行连续加载不同特征电压与加电时间，并记录前5 min 瓦斯解吸量的变化，研究不同变质程度煤体在加载不同场强与加电时间下的静电场响应特征，并对测得的数据进行分析，结果见图2。 由图2 可知，不同场强下煤体解吸瓦斯量随着时间的增加而增加，且解吸曲线斜率逐渐变的平缓，符合煤体瓦斯解吸前期解吸速度较快、后期逐渐变缓的一般特征。 在静电场作用下，不同变质程度煤体随电场强度的变大均呈现出解吸量既有增大又有减小的特征。实验结果表明，无烟煤、褐煤在加电时间为4 h、施加电场强度为120 kV/m 时单位质量的瓦斯解吸量达到最大；贫瘦煤和肥煤在加电时间为4 h，施加电场强度为40 kV/m 时单位质量瓦斯解吸量最大。同时，由图2 可以看出，高变质煤在电场强度和加电时间上对单位质量的瓦斯解吸量影响较大，相较而言，中变质煤次之，低变质煤影响相对较小。总体来说，无烟煤、贫瘦煤和肥煤的实验结果表现一致，而煤样实验结果表明其离散性较大，且加电时间、电场强度对解吸量的影响范围较小。 图2 不同场强和加电时间下瓦斯解吸量变化曲线 图3 为与未加电场相比，4 种煤样在不同场强下瓦斯解吸量增长率。由图3 可知，静电场对瓦斯解吸量有显著影响。总体而言，4 种煤样5 min 累计瓦斯解吸量随场强和加载时间的增加表现出先增大后减小的趋势，在某一特定场强（特征场强）下获得最大值。对比相同场强不同加电时间下煤样响应特性发现，4 种煤样均在加电时间为4 h 时，瓦斯解吸量增长率取得最大