煤粒瓦斯解吸扩散试验方法及规律研究.docxVIP

?

?

煤粒瓦斯解吸扩散试验方法及规律研究

?

?

许顺贵

摘要：为研究煤粒瓦斯的解吸扩散规律，笔者利用TerraTekISO-300/310等温吸附/解吸仪和SH-CBM8全自动高精度煤层气/页岩气含气量多路测定仪，成功设计出一套简单易操作的煤粒瓦斯扩散系数测定方法。结合经典扩散理论模型进行煤粒瓦斯扩散规律试验，研究探讨了实验过程中温度和吸附平衡压力对于煤粒瓦斯初始有效扩散系数的影响。

关键词：煤粒瓦斯试验扩散理论

：TD712：A：1674-098X（2017）07（b）-0086-04

研究煤粒瓦斯的扩散规律，对于研究煤中瓦斯含量和预防瓦斯突出事故具有重要意义。虽然近年来国内外学者积极参与煤粒瓦斯解吸扩散的试验研究，然而目前对于煤粒瓦斯扩散规律的认识尚不完善，测定煤粒瓦斯扩散系数的试验方法仍然有待改进。笔者利用TerraTekISO-300/310等温吸附/解吸仪和SH-CBM8全自动高精度煤层气/页岩气含气量多路测定仪，成功设计出一套简便可行的煤粒瓦斯扩散系数测定方法并给出煤粒瓦斯初始有效扩散系数D0的计算方法和理论模型。通过煤粒瓦斯扩散规律试验，研究了试验温度和吸附平衡压力对于煤粒瓦斯初始有效扩散系数的影响，进而研究温度和吸附平衡压力对煤粒瓦斯扩散的影响。

对于煤粒瓦斯扩散规律的研究始于1951年剑桥大学RichardM.Barrer[1]提出的经典扩散模型。20世纪60年代首次将经典扩散理论应用于矿业领域，用经典扩散模型法计算初始短时间内的煤中瓦斯扩散系数。国内关于煤粒瓦斯扩散规律的研究始于1986年，杨其銮、王佑安等人[2]最先导出了经典扩散模型的精确解吸简化式。其后，2001年聶百胜、郭勇义等人[3]引入第三类边界条件，基于长时间解吸扩散导出经典模型的三角函数表达式，取其中第一项n=1，近似计算扩散系数，然而其结果与经典扩散模型试验值仍存在较大偏差。在此之后，ShiJQ，Durucan[4]提出了精度更高的双孔隙模型；刘彦伟[5]提出了三孔隙模型；李志强、刘勇等[6]提出了动扩散系数新模型理论，指出经典扩散模型是动扩散系数新模型的极长和极短时间内的特例，并不能准确描述扩散中期的情况。然而由于以上方法在计算上过于复杂，均难以推广到实际生产应用中。

以上前人的研究成果，在不同程度上揭示了煤粒瓦斯解吸扩散过程及机理，但仍没有简单有效的数学模型描述煤粒瓦斯扩散的整体规律。长久以来煤粒瓦斯解吸扩散过程的研究一直难以突破，其中很重要的一个原因就是没有标准统一且易于推广的试验设备和方法，而前人所作的试验均是各成一派。自制试验设备对于普通试验室来说难以实现，加之没有统一的方法和设备标准，致使煤粒瓦斯解吸扩散的研究一直停滞不前。在以前的一些研究中，试验缺少必要步骤，其中试验没有将吸附平衡后样品缸内的瓦斯压力清零的情况时常出现，致使测得试验数据错误。因此，为探明煤粒瓦斯的解吸扩散规律，急需一套步骤完整且标准统一的试验方法。

1煤粒瓦斯扩散试验新方法

1.1试验设备

为打破技术条件对于研究煤粒瓦斯解吸扩散规律的束缚，在此笔者设计出一套简便可行的煤粒瓦斯扩散系数测定方法，该方法具有设备成型、易于推广、压力可控范围大、测量精度高等特点。所用试验设备主要包括两部分，TerraTekISO-300/310等温吸附/解吸仪和SH-CBM8全自动高精度煤层气/页岩气含气量多路测定仪，分别构成测试装置的脱气、充气、吸附平衡单元和瓦斯扩散测量单元。等温吸附仪作为充气、脱气和吸附平衡单元使用，可同时进行4组样品测试，测量最大压力为40MPa，精确度为0.25%。高精度含气量解吸仪的使用，可每30s自动记录一个数据点，其测试精确度为0.01mL，相对于传统的排水集气法所测得数据更加精准，免去了试验中因为人为因素造成的误差。两个装置之间通过导气管和快速接头连接，相对于前人自制的试验设备，该套装置具有组装操作简便、设备稳定性高等特点。

1.2试验操作步骤

（1）样品制备，按照GB/T474制取粒度为0.25mm至0.18mm（60目～80目）的煤样，设置烘干箱温度105℃，在烘干箱内烘干8h。（2）获得煤样工业分析和煤的高压等温吸附试验数据。（3）试样装缸，称取烘干后煤样80g，迅速装入等温吸附仪样品缸内。（4）试验温度，设置并调节油浴温度，使样品缸和参考缸的温度稳定在储层温度（或设定试验温度）。（5）气密性检测，向等温吸附/解吸仪参考缸和样品缸充入氦气，压力高于试验平衡压力1MPa，观察参考缸和样品缸压力数据，6h内保持不变，则视为系统气密性良好。（6）设备连接，通过导气管连接等温吸附/解吸仪集气口和高精度含气量解吸仪进气口。（7）煤样脱气，等温吸附/解吸仪排气管处连接真空泵，系统抽真空脱气6h。（8）清洗气路，向系