低頻振動對煤中瓦斯解吸特性的影響的實驗及機理

1、低頻振動對煤解吸特性的影響李樹剛1趙勇1張?zhí)燔?許鴻杰2(1.西安科技大學 能源學院；2.西安科技大學 基礎(chǔ)課部；西安710054)摘要：為研究低頻振動對煤解吸瓦斯性能的影響，研制了瓦斯解吸激振與測試系統(tǒng)。試驗研究發(fā)現(xiàn)：在低頻振動作用下，隨著頻率降低，解吸量和解吸速度就越大。針對這一現(xiàn)象，采用振動理論和瓦斯解吸速度的相關(guān)知識，對實驗結(jié)果進行了分析研究。研究認為：低頻擾動會導致煤的孔隙性變小，不利于瓦斯分子的解吸。因此吸附伴生分子雖然受到脫附能，由于擴散阻力的增大，解吸速度就較慢，解吸量就小。無擾動作用時，煤樣的孔隙性沒有改變，雖然吸附伴生分子沒有受到脫附能，解吸速度反而較快。這說明：低頻振動使

2、煤樣的孔隙性減弱，增大了分子的自由程，導致分子在煤樣中擴散變慢，同時增加了煤樣的吸附位，從而減緩了在煤樣中的解吸。關(guān)鍵詞:低頻振動；解吸；分子自由程；吸附位中圖分類號：TD 712 文獻標識碼: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引言煤層瓦斯解吸特性除了與煤體的孔隙性，煤質(zhì)等煤體本身性質(zhì)有關(guān)外，還受到地電場、地應力、地溫、以及人為采掘活動影響。研究不同因素影響下煤體的瓦斯的解吸特征，對于認識煤層瓦斯的運移，以及瓦斯突出機理，煤層氣開采等都具有重要意義。國內(nèi)外許多學者對于地電場、溫度、地應力、電磁波等對煤層瓦斯解吸的影響規(guī)律做了大量的試驗研究1-3，姜永東等研究超聲振動對煤體解吸瓦斯規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波的振動作用使瓦斯氣體在煤體上的附著力減弱, 同時煤體吸收的聲能的一部分轉(zhuǎn)化為熱能,使瓦斯分子氣與煤表面分子間的吸附作用減弱, 從而促進煤體中瓦

9、斯氣的解吸和擴散。目前，對低頻振動作用下煤層瓦斯的解吸規(guī)律的研究還很少，然而煤炭采掘過程中所發(fā)生的煤與瓦斯突出事故大多與爆破、鉆探等動態(tài)擾動載荷有關(guān)。為了研究這些低頻擾動載荷對煤體解吸瓦斯的影響規(guī)律，自主研發(fā)了瓦斯吸附/解吸激振及測試系統(tǒng)，利用該裝置對煤樣在低頻振動作用下的解吸特性進行試驗研究，獲取低頻振動對瓦斯解吸的影響規(guī)律。2試驗設(shè)備及試驗方法試驗裝置由WY-98瓦斯常數(shù)測定儀，外置吸附/解吸裝置，激振系統(tǒng)，信號采集系統(tǒng)等4部分組成。WY-98瓦斯常數(shù)測定儀是用來監(jiān)測外置吸附罐內(nèi)的壓強變化，測定吸附罐的溫度的一套系統(tǒng)，主要由計算機、儀器主機、真空泵、真空計及附屬電纜、管件等組成。由儀器主機

10、內(nèi)的壓力、溫度傳感器將壓力、溫度轉(zhuǎn)變成電壓信號傳送給計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，然后由計算機軟件進行計算、分析和儲存，并對整個過程進行監(jiān)控。外置吸附裝置主要由外置吸附罐、支架裝置、恒溫水箱、密封橡膠導管組成。外置吸附管通過密封的橡膠導氣管和瓦斯常數(shù)測定儀的內(nèi)置吸附罐相連通。氣體由高壓氣瓶通過減壓閥供給，經(jīng)瓦斯常數(shù)測定儀進入外置吸附罐內(nèi)。激振系統(tǒng)主要包括JZK-20型電動式激振器，YE1311掃頻信號發(fā)生器，YE5872功率放大器。其中電動式激振器和外置吸附罐的支架通過螺桿相連，通過帶動螺桿對吸附罐及其支架施加擊振力。激振器及其支架和吸附罐的支架固定在同一底座上。信號采集系統(tǒng)主要有YE5850A系列電

11、荷放大器、CLYD系列壓電式壓力傳感器、CLYD3系列壓電式力傳感器和計算機4部分組成。89 1210 111234135677714151氣體鋼瓶；2減壓閥；3WY-98瓦斯常數(shù)測定儀；4外置吸附罐；5恒溫水箱；6氣體壓力傳感器；7力傳感器；8壓力變送器；9信號調(diào)整器；10功率放大器；11掃頻信號發(fā)生器；12數(shù)據(jù)采集存儲器；13電動式激振器；14激振器支座；15試驗臺架。圖1試驗裝置圖Fig1.Tester picture試驗的過程：先將從工作面采出的原煤破碎，篩5060目的煤粒作為煤樣。在試驗測試前，先從氣壓罐放入少量的氣體，檢驗儀器的氣密性，確保其密封良好。試驗時秤取560克煤粉放入密封

12、罐，然后關(guān)閉瓦斯常數(shù)測定儀的充氣閥、通大氣閥、煤樣罐2的閥門，打開與外置吸附罐相連的閥門、脫氣閥。利用真空泵脫氣2個小時之后，關(guān)閉脫氣閥，開啟充氣閥，將高壓瓦斯氣瓶內(nèi)的瓦斯氣體經(jīng)瓶口的減壓器，流入瓦斯常數(shù)測定儀的吸附罐1，再經(jīng)過與罐1相連的密閉橡膠導管進入外置吸附罐中。向吸附罐中注入一定壓力的瓦斯，然后關(guān)閉充氣閥和與外置吸附罐相連的閥門。當吸附5小時達到平衡后，打開信號采集系統(tǒng)、掃頻信號發(fā)生器。開啟通大氣閥和外置吸附罐相連的閥門，使外置吸附罐內(nèi)的游離瓦斯完全排出后，立刻同時關(guān)閉這兩個閥門。打開功率放大器，它帶動激振器對密封罐內(nèi)煤樣施加激振力。計算機記錄整個過程中吸附罐內(nèi)瓦斯壓強，激振力隨時間的

13、變化曲線。在試驗過程中，為了減小因室溫變化引起的吸附量不同而造成的誤差，必須保持恒溫，在恒溫水箱中注入水，用加熱器保持水溫不變。3振動作用下煤體解吸試驗研究在10赫茲、20赫茲、30赫茲三個不同頻率作用下，每次均充入吸附罐2.08MPa的瓦斯氣體，溫度恒定不變。由試驗獲得的圖2可以看出加擾動和不加擾動這兩種條件下的解吸曲線都和等溫吸附曲線相符合。不在擾動作用下吸附罐中氣體的壓強變化率和變化量要比在擾動作用下要大，證明瓦斯的解吸速率比在擾動作用下的解吸速率高，并且比在擾動作用下解吸達到平衡的時間要短。不同擾動頻率作用下，吸附罐中氣體壓強變化率和變化量不一樣，證明瓦斯氣體解吸量和解吸速度，解吸平衡

14、時間是不一樣的，10Hz解吸量最多，解吸速度最快，解吸平衡時間就最短，30HZ解吸量最少，解吸速度最慢，解吸平衡時間就最長。以上試驗結(jié)果表明：低頻振動能阻礙瓦斯氣體解吸，其原因一方面是振動使煤樣的空隙分布不斷變化，振動后空隙度減小，導致瓦斯氣體在煤樣中的擴散阻力增大。振動頻率越快，空隙分布變化越快，孔隙度減小的程度越快，擴散阻力就越大。另一方面是振動增加了煤樣的吸附位，煤樣內(nèi)部沒有吸附到瓦斯的煤分子振動到煤孔裂隙中，與瓦斯分子碰撞，從而使吸附量增大。圖2無擾動作用下和在擾動作用下吸附罐內(nèi)壓強與時間曲線Fig2.Without vibrancy and with vibrancy the pre

15、ssure get along and time curve adsorption pot4試驗結(jié)果致因的理論分析無擾動作用時，瓦斯的解吸速度表達式為：（1）式中: D為擴散系數(shù)（）；為圓周率；為從開始到時間t時的累計解吸量（ml）；t為時間；為 孔隙半徑（cm）。由式(1)可知，瓦斯解吸速度與表面濃度，孔隙半徑成正比關(guān)系。解吸量與煤的孔隙性和擴散性有關(guān)。當考慮低頻擾動作用時，激振器對外置吸附罐進行作功，外置吸附罐處于穩(wěn)態(tài)受迫振動中，激振器的驅(qū)動力在一個周期內(nèi)對外置吸附罐所做的功： （2）式中：為個周期內(nèi)驅(qū)動力所做的功，為驅(qū)動力的幅值，為介質(zhì)的阻尼系數(shù)，A為穩(wěn)態(tài)受迫振動的振幅。穩(wěn)態(tài)受迫振動的頻

16、率和振幅有下列關(guān)系：（3）式中，M為吸附罐和煤樣的質(zhì)量，w為驅(qū)動力的圓頻率，為驅(qū)動力的固有圓頻率，為阻尼因數(shù)。由(2)式得當w變小時，A變大。由（1）可知驅(qū)動力所做的功就越多。故煤樣所獲得的能量為：（4）式中，m為吸附罐的質(zhì)量，v為吸附罐的振動速度，可由下列式子表示： （5）W越小時，v越小，從而煤樣所獲得的能量就越大。同時煤樣的孔隙性被破壞的程度就越小，煤與瓦斯所構(gòu)成的吸附伴生分子所獲得的脫附能能量就越大，瓦斯分子就越容易脫附。在不加擾動時，雖然吸附伴生分子沒有受到脫附能，但是由于煤樣的孔隙性沒有受到破壞，擴散阻力較小，解吸速度就較快，解吸量就越大。有擾動作用時，煤樣不斷受到壓應力作用，煤樣

17、的孔隙性變小，擴散阻力變大，從而不利于瓦斯分子的解吸。同時不斷的振動，增加了煤樣的吸附位，使解吸速度減慢。5試驗結(jié)果機理分析 5.1振動影響瓦斯的擴散對吸附罐施加低頻的激振力時，煤樣不斷被晃動，使煤體介質(zhì)不斷受到壓應力作用，從而使煤體產(chǎn)生壓縮彈性形變，導致煤體中毛細管半徑減小，孔隙率降低，孔隙平均直徑變小。另一方面瓦斯分子平均自由程會隨壓力的減小而增大，其變化曲線如圖3所示。當通大氣600040002000024/mP/MPa13圖3常溫下瓦斯分子自由程與壓力關(guān)系Fig3.Below normal temperature the relation between gas moleculelib

18、ertydegree and press關(guān)閉閥門后，煤樣表層吸附的瓦斯首先脫附，在不加振動時，由于微孔裂隙沒有被破壞，煤樣的解吸速率會大于在振動作用下的解吸速率，使吸附罐中游離瓦斯增大，從而導致煤樣中孔隙壓力差比不加振動時大，使瓦斯分子平均自由程小?？紫镀骄睆胶蜌怏w分子平均自由程于擴散的關(guān)系符合下式：式中：d為孔隙平均直徑, m;為氣體分子的平均自由程,m提高煤中孔隙裂隙的數(shù)量或減小瓦斯氣體的分子平均自由程可以增加瓦斯氣體的擴散能力。在不加振動時，雖然氣體分子沒有獲得脫附能，但是瓦斯氣體在煤孔隙中的擴散阻力相對較小，容易擴散，解吸量就多。又因不加振時，煤樣的表面濃度增加較快，從而使解吸速度比

19、加振時快。當振動的頻率越大時，煤樣的孔隙性就越差，伴生分子獲得的脫附能越小，就越不利于解吸。5.2振動增加了煤樣的吸附位在煤樣中吸附與解吸是同時進行的，當解吸速率超過吸附速率時，宏觀上就表現(xiàn)為解吸，當吸附速度變快時，解吸速度就變慢。 瓦斯吸附在煤基質(zhì)表面主要是物理吸附，通過范德華力瓦斯分子被吸附到煤基質(zhì)表面，依據(jù)吸附理論，其覆蓋率為一瞬間煤表面積被吸附分子所覆蓋的分子數(shù)，它同時也等于煤的吸附位被吸附分子所占的分數(shù)，即：又由Langmuir公式：式中, 為表面覆蓋度; p為氣體壓力;b為吸附系數(shù)。當P變大時變大，即分子占有的吸附位增多。在沒有擾動作用下，氣體壓強變化率比加振時大，即表面覆蓋率變化

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。在擾動作用下，煤與瓦斯充分接觸，煤基質(zhì)給瓦斯分子提供更多的吸附位，振動頻率越快，煤分子與瓦斯分子接觸就越充分，煤樣給瓦斯分子提供的吸附位就越多。瓦斯分子就越容易吸附。6結(jié)論(1)在振動的作用下，瓦斯的解吸量比沒有振動作用時少，解吸速率比沒有振動作用時小，振動阻礙了瓦斯的解吸，從而阻礙了瓦斯的解吸平衡時間。(2)在低頻振動作用下，隨著頻率升高，瓦斯解吸量和解吸速率就越小，解吸平衡的時間就越長。(3)低頻振動阻礙瓦斯解吸的機理主要是阻礙了煤樣微孔裂隙中瓦斯氣體的擴散，和增加了煤樣的吸附位。(4)在采掘過程中，掘進頭或工作面由于卸壓后，瓦

21、斯解吸。當受到人為低頻擾動因素的影響時，瓦斯的解吸速度減慢，解吸阻力增加，在煤體里面聚集，是導致突出的一個重要因素。參考文獻1姜永東,鮮學福,易 俊.聲震法促進煤中瓦斯氣解吸規(guī)律的試驗及機理J.煤炭學報,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,

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