低频振动对煤中瓦斯解吸特性的影响的实验及机理

1、低频振动对煤解吸特性的影响李树刚1赵勇1张天军2许鸿杰2(1.西安科技大学 能源学院；2.西安科技大学 基础课部；西安710054)摘要：为研究低频振动对煤解吸瓦斯性能的影响，研制了瓦斯解吸激振与测试系统。试验研究发现：在低频振动作用下，随着频率降低，解吸量和解吸速度就越大。针对这一现象，采用振动理论和瓦斯解吸速度的相关知识，对实验结果进行了分析研究。研究认为：低频扰动会导致煤的孔隙性变小，不利于瓦斯分子的解吸。因此吸附伴生分子虽然受到脱附能，由于扩散阻力的增大，解吸速度就较慢，解吸量就小。无扰动作用时，煤样的孔隙性没有改变，虽然吸附伴生分子没有受到脱附能，解吸速度反而较快。这说明：低频振动使

2、煤样的孔隙性减弱，增大了分子的自由程，导致分子在煤样中扩散变慢，同时增加了煤样的吸附位，从而减缓了在煤样中的解吸。关键词:低频振动；解吸；分子自由程；吸附位中图分类号：TD 712 文献标识码:AResearch the parse effect of experiment and mechanism which gas among coal in low oscillate frequency conditionLI Shu-gang1,Zhao Yong1,Zhang Tian-jun2,Xu Hong-jie2(1School of Energy, Xi'anUniversity

3、 of Science and Technology;Xi'an 710054,China2Dept. of Basic Courses,Xi' an University of Science & Technology;Xi'an 710054,China)Abstract：In order to research the parse effect which gas among coal in low oscillate frequency condition,the author design a gas absorb vibrancy andtestin

4、g system.The experiment research shows:the lower frequency of oscillation,the lower of frequency,the larger of disengage quantity and the slower of parse speed.Low frequency. without the oscillation,the bignessof disengage quantity and the faster of parse speed.Low .Aimatphenomenon,adopttingthevibra

5、ncyof enginetheory andcorrelationknowledgeaboutthe desorptionspeed of gas.we expansiona series ofresearch.The result show: with the disturb,the holeof coal turn small ,disadvantagedesorption.Therefore absorb parter molecule get miss out energy,because pervasion resistance turns large.the slower of p

6、arse speed and the smaller of disengage quantity.without the low frequency disturb,the hole ofcoal shape keep the same make for the gas desorption.absorb parter molecule does not get miss out energy.Parsespeedshow fast.It makes outthat frequencyoscillate reduce the hole density of coal model,increas

7、e the disengagement degree of firedampmolecule,that makes firedampmolecules diffusion slower,and increases the adsorption site of coal model at the same time,while the coal models disengage speed and disengage quantity become slower and smaller.Keywords: low oscillatefrequency;disengage quantity;mol

8、eculediffusion degree;adsorption site.1引言煤层瓦斯解吸特性除了与煤体的孔隙性，煤质等煤体本身性质有关外，还受到地电场、地应力、地温、以及人为采掘活动影响。研究不同因素影响下煤体的瓦斯的解吸特征，对于认识煤层瓦斯的运移，以及瓦斯突出机理，煤层气开采等都具有重要意义。国内外许多学者对于地电场、温度、地应力、电磁波等对煤层瓦斯解吸的影响规律做了大量的试验研究1-3，姜永东等研究超声振动对煤体解吸瓦斯规律的影响，发现超声波的振动作用使瓦斯气体在煤体上的附着力减弱, 同时煤体吸收的声能的一部分转化为热能,使瓦斯分子气与煤表面分子间的吸附作用减弱, 从而促进煤体中瓦

9、斯气的解吸和扩散。目前，对低频振动作用下煤层瓦斯的解吸规律的研究还很少，然而煤炭采掘过程中所发生的煤与瓦斯突出事故大多与爆破、钻探等动态扰动载荷有关。为了研究这些低频扰动载荷对煤体解吸瓦斯的影响规律，自主研发了瓦斯吸附/解吸激振及测试系统，利用该装置对煤样在低频振动作用下的解吸特性进行试验研究，获取低频振动对瓦斯解吸的影响规律。2试验设备及试验方法试验装置由WY-98瓦斯常数测定仪，外置吸附/解吸装置，激振系统，信号采集系统等4部分组成。WY-98瓦斯常数测定仪是用来监测外置吸附罐内的压强变化，测定吸附罐的温度的一套系统，主要由计算机、仪器主机、真空泵、真空计及附属电缆、管件等组成。由仪器主机

10、内的压力、温度传感器将压力、温度转变成电压信号传送给计算机内的数据采集卡，然后由计算机软件进行计算、分析和储存，并对整个过程进行监控。外置吸附装置主要由外置吸附罐、支架装置、恒温水箱、密封橡胶导管组成。外置吸附管通过密封的橡胶导气管和瓦斯常数测定仪的内置吸附罐相连通。气体由高压气瓶通过减压阀供给，经瓦斯常数测定仪进入外置吸附罐内。激振系统主要包括JZK-20型电动式激振器，YE1311扫频信号发生器，YE5872功率放大器。其中电动式激振器和外置吸附罐的支架通过螺杆相连，通过带动螺杆对吸附罐及其支架施加击振力。激振器及其支架和吸附罐的支架固定在同一底座上。信号采集系统主要有YE5850A系列电

11、荷放大器、CLYD系列压电式压力传感器、CLYD3系列压电式力传感器和计算机4部分组成。89 1210 111234135677714151气体钢瓶；2减压阀；3WY-98瓦斯常数测定仪；4外置吸附罐；5恒温水箱；6气体压力传感器；7力传感器；8压力变送器；9信号调整器；10功率放大器；11扫频信号发生器；12数据采集存储器；13电动式激振器；14激振器支座；15试验台架。图1试验装置图Fig1.Tester picture试验的过程：先将从工作面采出的原煤破碎，筛5060目的煤粒作为煤样。在试验测试前，先从气压罐放入少量的气体，检验仪器的气密性，确保其密封良好。试验时秤取560克煤粉放入密封

12、罐，然后关闭瓦斯常数测定仪的充气阀、通大气阀、煤样罐2的阀门，打开与外置吸附罐相连的阀门、脱气阀。利用真空泵脱气2个小时之后，关闭脱气阀，开启充气阀，将高压瓦斯气瓶内的瓦斯气体经瓶口的减压器，流入瓦斯常数测定仪的吸附罐1，再经过与罐1相连的密闭橡胶导管进入外置吸附罐中。向吸附罐中注入一定压力的瓦斯，然后关闭充气阀和与外置吸附罐相连的阀门。当吸附5小时达到平衡后，打开信号采集系统、扫频信号发生器。开启通大气阀和外置吸附罐相连的阀门，使外置吸附罐内的游离瓦斯完全排出后，立刻同时关闭这两个阀门。打开功率放大器，它带动激振器对密封罐内煤样施加激振力。计算机记录整个过程中吸附罐内瓦斯压强，激振力随时间的

13、变化曲线。在试验过程中，为了减小因室温变化引起的吸附量不同而造成的误差，必须保持恒温，在恒温水箱中注入水，用加热器保持水温不变。3振动作用下煤体解吸试验研究在10赫兹、20赫兹、30赫兹三个不同频率作用下，每次均充入吸附罐2.08MPa的瓦斯气体，温度恒定不变。由试验获得的图2可以看出加扰动和不加扰动这两种条件下的解吸曲线都和等温吸附曲线相符合。不在扰动作用下吸附罐中气体的压强变化率和变化量要比在扰动作用下要大，证明瓦斯的解吸速率比在扰动作用下的解吸速率高，并且比在扰动作用下解吸达到平衡的时间要短。不同扰动频率作用下，吸附罐中气体压强变化率和变化量不一样，证明瓦斯气体解吸量和解吸速度，解吸平衡

14、时间是不一样的，10Hz解吸量最多，解吸速度最快，解吸平衡时间就最短，30HZ解吸量最少，解吸速度最慢，解吸平衡时间就最长。以上试验结果表明：低频振动能阻碍瓦斯气体解吸，其原因一方面是振动使煤样的空隙分布不断变化，振动后空隙度减小，导致瓦斯气体在煤样中的扩散阻力增大。振动频率越快，空隙分布变化越快，孔隙度减小的程度越快，扩散阻力就越大。另一方面是振动增加了煤样的吸附位，煤样内部没有吸附到瓦斯的煤分子振动到煤孔裂隙中，与瓦斯分子碰撞，从而使吸附量增大。图2无扰动作用下和在扰动作用下吸附罐内压强与时间曲线Fig2.Without vibrancy and with vibrancy the pre

15、ssure get along and time curve adsorption pot4试验结果致因的理论分析无扰动作用时，瓦斯的解吸速度表达式为：（1）式中: D为扩散系数（）；为圆周率；为从开始到时间t时的累计解吸量（ml）；t为时间；为 孔隙半径（cm）。由式(1)可知，瓦斯解吸速度与表面浓度，孔隙半径成正比关系。解吸量与煤的孔隙性和扩散性有关。当考虑低频扰动作用时，激振器对外置吸附罐进行作功，外置吸附罐处于稳态受迫振动中，激振器的驱动力在一个周期内对外置吸附罐所做的功： （2）式中：为个周期内驱动力所做的功，为驱动力的幅值，为介质的阻尼系数，A为稳态受迫振动的振幅。稳态受迫振动的频

16、率和振幅有下列关系：（3）式中，M为吸附罐和煤样的质量，w为驱动力的圆频率，为驱动力的固有圆频率，为阻尼因数。由(2)式得当w变小时，A变大。由（1）可知驱动力所做的功就越多。故煤样所获得的能量为：（4）式中，m为吸附罐的质量，v为吸附罐的振动速度，可由下列式子表示： （5）W越小时，v越小，从而煤样所获得的能量就越大。同时煤样的孔隙性被破坏的程度就越小，煤与瓦斯所构成的吸附伴生分子所获得的脱附能能量就越大，瓦斯分子就越容易脱附。在不加扰动时，虽然吸附伴生分子没有受到脱附能，但是由于煤样的孔隙性没有受到破坏，扩散阻力较小，解吸速度就较快，解吸量就越大。有扰动作用时，煤样不断受到压应力作用，煤样

17、的孔隙性变小，扩散阻力变大，从而不利于瓦斯分子的解吸。同时不断的振动，增加了煤样的吸附位，使解吸速度减慢。5试验结果机理分析 5.1振动影响瓦斯的扩散对吸附罐施加低频的激振力时，煤样不断被晃动，使煤体介质不断受到压应力作用，从而使煤体产生压缩弹性形变，导致煤体中毛细管半径减小，孔隙率降低，孔隙平均直径变小。另一方面瓦斯分子平均自由程会随压力的减小而增大，其变化曲线如图3所示。当通大气600040002000024/mP/MPa13图3常温下瓦斯分子自由程与压力关系Fig3.Below normal temperature the relation between gas moleculelib

18、ertydegree and press关闭阀门后，煤样表层吸附的瓦斯首先脱附，在不加振动时，由于微孔裂隙没有被破坏，煤样的解吸速率会大于在振动作用下的解吸速率，使吸附罐中游离瓦斯增大，从而导致煤样中孔隙压力差比不加振动时大，使瓦斯分子平均自由程小。孔隙平均直径和气体分子平均自由程于扩散的关系符合下式：式中：d为孔隙平均直径, m;为气体分子的平均自由程,m提高煤中孔隙裂隙的数量或减小瓦斯气体的分子平均自由程可以增加瓦斯气体的扩散能力。在不加振动时，虽然气体分子没有获得脱附能，但是瓦斯气体在煤孔隙中的扩散阻力相对较小，容易扩散，解吸量就多。又因不加振时，煤样的表面浓度增加较快，从而使解吸速度比

19、加振时快。当振动的频率越大时，煤样的孔隙性就越差，伴生分子获得的脱附能越小，就越不利于解吸。5.2振动增加了煤样的吸附位在煤样中吸附与解吸是同时进行的，当解吸速率超过吸附速率时，宏观上就表现为解吸，当吸附速度变快时，解吸速度就变慢。 瓦斯吸附在煤基质表面主要是物理吸附，通过范德华力瓦斯分子被吸附到煤基质表面，依据吸附理论，其覆盖率为一瞬间煤表面积被吸附分子所覆盖的分子数，它同时也等于煤的吸附位被吸附分子所占的分数，即：又由Langmuir公式：式中, 为表面覆盖度; p为气体压力;b为吸附系数。当P变大时变大，即分子占有的吸附位增多。在没有扰动作用下，气体压强变化率比加振时大，即表面覆盖率变化

20、大，其表面被分子占有的吸附位就越多，瓦斯分子就越不容易被吸附。在扰动作用下，煤与瓦斯充分接触，煤基质给瓦斯分子提供更多的吸附位，振动频率越快，煤分子与瓦斯分子接触就越充分，煤样给瓦斯分子提供的吸附位就越多。瓦斯分子就越容易吸附。6结论(1)在振动的作用下，瓦斯的解吸量比没有振动作用时少，解吸速率比没有振动作用时小，振动阻碍了瓦斯的解吸，从而阻碍了瓦斯的解吸平衡时间。(2)在低频振动作用下，随着频率升高，瓦斯解吸量和解吸速率就越小，解吸平衡的时间就越长。(3)低频振动阻碍瓦斯解吸的机理主要是阻碍了煤样微孔裂隙中瓦斯气体的扩散，和增加了煤样的吸附位。(4)在采掘过程中，掘进头或工作面由于卸压后，瓦

21、斯解吸。当受到人为低频扰动因素的影响时，瓦斯的解吸速度减慢，解吸阻力增加，在煤体里面聚集，是导致突出的一个重要因素。参考文献1姜永东,鲜学福,易 俊.声震法促进煤中瓦斯气解吸规律的试验及机理J.煤炭学报,2008,33(6):675680.Jiang Yong-dong,Xian Xue-fu YiJun. Experimental and mechanical on the features of ultrasonic vibration stimulating the desorption of methane in coalJ.Journal of China Coal Society,

22、2008,33(6):675680.2任伟杰,杜广林,潘一山.振动对煤体裂隙分布和力学性能的影响J.阜新矿业学院学报（自然科学版）,1997,16(6),687690.Ren wei-jie,DuGuang-lin,Pan Yish-han.The Expermental Study of Rockburst Prevention Through Vibration Inducing Crevasse in CoalmassJ.Journal of Mining Institute(Natural science),1997 ,16(6):687690.3潘一山,李忠华,章梦涛.我国冲击地压分

23、布、类型、机理及防治研究J.岩石力学与工程学报,2003,22(11):18441851.Pan Yi-shan,Li zhong-hua,Zhang meng-tao.Distribution,type,mechanism and prevention of rockbrust in chinaJ. Chinses Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(11):18441851.4张天军,许鸿杰,李树刚.粒径大小对煤吸附瓦斯的影响J.湖南科技大学学报（自然科学版）,2009,24(1);912.ZhangTian-jun,XuHong-jie,LiShu-gang.The Effect of Particle Size on Adsorption of Methane on CoalJ.Journalof Hunan University of Science &