Variation characteristics of expansion energy of desorption gas in process of stepwise decompression and desorption
煤炭是我国的主要能源［1］，在煤炭生产的过程中，会遭受瓦斯、煤尘、顶板、水灾以及火灾等灾害的影响。 煤与瓦斯突出事故造成人员窒息，突出的煤流埋人，甚至会引发瓦斯爆炸等其他瓦斯事故［2］，且随着开采深度的增加，煤与瓦斯突出的强度、规模也大幅度增大，更加影响煤矿的安全生产［3］。 在2020 年全国十大典型案例中，煤与瓦斯突出事故发生2 起，死亡人数15 人，且在2021 年6 月连续2 天发生煤与瓦斯突出事故，由此可见，我国煤与瓦斯突出事故防范形势依旧严峻。
煤与瓦斯突出是一个能量释放的过程，煤中瓦斯膨胀能与煤岩弹性能共同为突出提供了能量。 对此，国内外学者进行了大量研究，蒋承林等［4-6］提出球壳失稳假说，认为煤与瓦斯突出的实质是地应力破碎煤体，煤体释放瓦斯，瓦斯使煤体裂隙扩张并使形成的煤体失稳破坏，瓦斯膨胀能则随瓦斯压力，地应力的增加而增大。 VALLIAPPAN［7］通过研究发现，在煤与瓦斯突出过程中不仅煤孔隙的裂隙瓦斯全部参与煤与瓦斯突出过程，并且煤的吸附瓦斯中有部分可解吸瓦斯同样会参与煤与瓦斯突出过程。魏风清等［8］认为瓦斯膨胀能是煤与瓦斯突出的主要能量来源，主要消耗在运输破碎的煤。 姜永东［9］通过研究发现瓦斯膨胀能与气体压力呈线性关系。张庆贺等［10］通过试验发现瓦斯膨胀能比煤岩弹性能高一个数量级以上，为突出的主要能量来源。YANG 等［11］通过煤与瓦斯突出模拟试验发现瓦斯膨胀能占到了突出总能量的85%左右，其中游离瓦斯膨胀能主要消耗在破碎煤体，而解吸瓦斯膨胀能则是消耗在运输破碎的煤。
煤与瓦斯突出发生后，巷道中瓦斯浓度、涌出量短时间内不会降低［12］，说明煤中吸附瓦斯并没有全部参与到瓦斯突出过程中，只有部分吸附瓦斯初始阶段对煤进行抛出时参与了煤与瓦斯突出［13］。 突出后的孔洞呈梨形、舌形等口小腔大的形状，孔洞附近的瓦斯首先由于降压开始解吸［14］，随着煤层内瓦斯的扩散、渗流，孔洞周围的压力开始降低，压降由孔洞向周围扩散，导致不同位置的煤体处于不同的环境气体压力下［15］，瓦斯解吸在气体压力逐渐降低环境中进行。 其中，解吸瓦斯膨胀能能够反应煤层突出危险性大小。 众多学者在计算瓦斯膨胀能时采用常压解吸试验的方法来计算瓦斯膨胀能，采用降压解吸实验的方法来计算瓦斯膨胀能的文献尚未见到。 为了得到降压环境下解吸瓦斯膨胀能，在实验室进行逐级降压解吸试验，研究逐级降压解吸下解吸瓦斯膨胀能变化特性，对比逐级降压解吸与常压解吸瓦斯膨胀能差异性，揭示降压解吸环境下解吸瓦斯膨胀能对煤与瓦斯突出的影响。
煤与瓦斯突出过程可划分为4 个阶段：准备阶段、激发阶段、发展阶段和终止阶段［16］。 其中，准备阶段积蓄能量，为突出做准备，这一部分能量主要为煤岩弹性能；激发阶段和发展阶段是煤与瓦斯突出的主要阶段，在这2 个阶段里，突出的能量主要由煤中瓦斯的瓦斯膨胀能提供，煤层中煤在瓦斯的带动下向工作面抛出［17］。 因此，在煤与瓦斯突出治理方面，研究瓦斯膨胀能对防治瓦斯突出有着重要的作用，而解吸瓦斯作为瓦斯膨胀能的主要能量来源，研究解吸瓦斯膨胀能对揭示煤与瓦斯突出的机理有一定的意义。
瓦斯膨胀能是煤与瓦斯突出的主要能量来源，为煤与瓦斯突出提供了绝大部分的能量，瓦斯膨胀能是由煤层游离瓦斯与解吸瓦斯膨胀做功产生的能量。 煤与瓦斯突出发生时，由于煤孔隙压力降低，煤基质上的吸附瓦斯开始解吸，参与瓦斯突出。 不同学者研究发现煤与瓦斯突出过程不是一个绝热过程，而是一个接近绝热过程的多变过程［18-20］，并提出了瓦斯膨胀能公式：
式中：W 为瓦斯膨胀能，J／g；P0 为初始气体压力，MPa；V 为参与突出发动的瓦斯体积，cm3；P 为最终瓦斯压力，MPa；m 为瓦斯气体多变指数，无量纲，取1.31。
在煤与瓦斯突出的过程中，随着环境气体压力降低，瓦斯在不同的环境压力下进行解吸，为煤与瓦斯突出提供能量。 根据瓦斯突出过程中瓦斯解吸环境压力的不同进行模拟测试，研究逐级降压解吸过程中解吸瓦斯膨胀能变化特性。
为了满足试验需要，开发了一套试验设备，该设备能够实现煤样恒温吸附，实时记录数据，在恒定的压力下进行甲烷带压解吸，自动记录甲烷解吸量数据。
该瓦斯解吸试验平台包括真空脱气系统、高压注气系统、恒温系统、背压系统、气体计量系统和数据采集装置，装置原理如图1 所示。
图1 试验装置示意
Fig.1 Schematic of experimental device
沁水盆地是我国最大的煤层气开采基地，该区域煤层为优质的无烟煤，其中3 号煤层瓦斯含量高达12.6～21.3 m3／t，煤质较硬，属于典型的高变质无烟煤。 试验煤样采用沁水盆地晋城矿区3 号煤层煤样，将采集的煤样制备成直径为1～3 mm 的粒煤，置入105 ℃的烘干箱内进行干燥后装入密封容器内备用。 对采集的煤样采用高压容量法进行吸附常数的测定，结果见表1。
表1 试验煤样吸附常数
Table 1 Experimental coal sample adsorption constant
吸附常数吸附常数a／（mL·g-1）吸附常数b／MPa-1测定结果40.971.03
以《煤的工业分析方法》为标准对煤样进行工业分析，结果见表2。
表2 试验煤样工业分析
Table 2 Proximate analysis results of test coal samples
工业分析Mad／%Aad／%Vad／%煤样1.509.474.03
试验温度为30 ℃，吸附平衡压力为0.5、1、1.5、2、2.5 MPa。
1）首先对系统以及干燥好的煤样进行抽真空处理，抽完真空后向参考缸内充入瓦斯，记录初始压力后打开参考缸与煤样罐连接的阀门；煤样开始吸附瓦斯后，实时记录煤样罐内瓦斯压力，直到煤样在设定的压力下吸附平衡。
2）常压解吸试验时，打开煤样罐与解吸测量装置阀门，使游离气体进入气袋，当煤样罐压力表降为0 时，迅速旋转三通并启动计时装置，使解吸的瓦斯进入计量装置，解吸过程中每30 s 读取计量装置内的累计解吸量，试验直至在背压系统设定压力下1 h内的解吸量小于0.06 mL／g 时结束，视为煤样不再解吸。
3）逐级降压解吸试验时，打开煤样罐与解吸测量装置阀门，使游离气体进入气袋，当煤样罐压力表降低0.5 MPa 时，迅速旋转三通并启动计时装置，使解吸的瓦斯进入计量装置，解吸过程中每30 s 读取计量装置内的累计解吸量，试验直至在背压系统设定压力下1 h 内的解吸量小于0.06 mL／g 时结束，视为此阶段煤样解吸完成，然后再次降低0.5 MPa 进行解吸试验，直到试验完成。 降压解吸顺序为2.5 MPa→2 MPa→1.5 MPa→1 MPa→0.5 MPa→0。
内能是系统的一种固有的属性，一切系统都具有内能，系统具有的内能越多，系统越不稳定。 瓦斯突出事故发生前，瓦斯主要以吸附态储存在煤层中，可以根据气体内能公式计算出煤中吸附瓦斯具有的能量。 气体内能E 计算公式如下：
式中：i 为分子自由度，三原子及多原子分子为6，无量纲；n 为气体的物质的量，mol；R 为理想气体常数，8.314 J／K；T 为气体温度，K。
根据气体内能公式，计算出的煤中吸附瓦斯内能见表3，得到的瓦斯内能随瓦斯压力变化曲线如图2 所示。
图2 瓦斯内能
Fig.2 Gas internal energy
表3 瓦斯内能
Table 3 Gas internal energy
瓦斯压力／MPa 瓦斯吸附量／（cm3·g-1） 瓦斯内能／（J·g-1）0.512.543.81 1.018.515.63 1.521.456.52 2.023.357.11 2.525.477.74
由表3 和图2 可知，随着瓦斯吸附平衡压力的升高，瓦斯吸附量增大，瓦斯内能升高。 吸附平衡压力越大，瓦斯吸附量越大，瓦斯内能也越大，能量越大的体系越不稳定，因此煤层瓦斯压力大的矿井，煤层中吸附瓦斯具有较大的内能，体系稳定性较差，在外界扰动下易于发生煤与瓦斯突出事故。
对不同吸附平衡压力下的煤样进行常压解吸，得到不同瓦斯压力下的瓦斯解吸量曲线如图3所示。
图3 常压环境下瓦斯解吸量
Fig.3 Gas desorption volume in atmospheric pressure
由图3 可以看出，相同的温度下，随着瓦斯吸附平衡压力的升高，瓦斯解吸量逐渐增大，在解吸过程的前期瓦斯大量解吸，随着时间的推移，瓦斯解吸量越来越小。 众多煤与瓦斯突出事故表明，煤与瓦斯突出过程是一个短暂的过程，突出的主要阶段的持续时间为前30 s 左右［21］，整个煤与瓦斯突出过程的持续时间为3 ～96 s，因此计算解吸瓦斯膨胀能时，使用第1 分钟的瓦斯解吸量进行计算［22］。 在常压解吸环境下，根据不同瓦斯吸附平衡压力下的第1分钟瓦斯解吸量，结合瓦斯膨胀能计算公式（1），计算的常压解吸下解吸瓦斯膨胀能见表4。 不同瓦斯吸附平衡压力下瓦斯膨胀能曲线如图4 所示。
由表4 和图4 可以看出，高瓦斯吸附平衡压力下第1 分钟瓦斯解吸量大于低瓦斯吸附平衡压力下的解吸量；煤层中瓦斯压力越高，瓦斯膨胀能越大，煤与瓦斯突出危险性越高。 随着瓦斯吸附平衡压力升高，常压解吸环境下解吸瓦斯膨胀能随之增大，且相邻瓦斯吸附平衡压力下解吸瓦斯膨胀能差值随着瓦斯吸附平衡压力的增大而增大，差值最大达到0.74 J／g，瓦斯吸附平衡压力越高，解吸瓦斯膨胀能增长幅度越大。
表4 常压环境下解吸瓦斯膨胀能
Table 4 Desorption gas expansion energy in atmospheric pressure environment
瓦斯压力／MPa第1 分钟解吸量／（cm3·g-1）解吸瓦斯膨胀能／（J·g-1）阶段差值／（J·g-1）0.51.810.31—1.02.620.640.33 1.53.531.070.43 2.04.521.600.53 2.55.862.340.74
图4 常压环境下解吸瓦斯膨胀能
Fig.4 Desorption gas expansion energy in atmospheric pressure environment
对2.5 MPa 吸附平衡压力下的煤样，以0.5 MPa为压差，按照2.5 MPa→2 MPa→1.5 MPa→1 MPa→0.5 MPa→0 的顺序进行逐级降压解吸，得到的逐级降压环境下瓦斯解吸量曲线如图5 所示。
图5 逐级降压环境下瓦斯解吸量
Fig.5 Gas desorption volume in a step-by-step depressurization environment
根据逐级降压环境下各个降压阶段第1 分钟的瓦斯解吸量，结合瓦斯膨胀能计算公式，计算出每个降压阶段的瓦斯膨胀能见表5，得到逐级降压环境下解吸瓦斯膨胀能曲线如图6 所示。
表5 逐级降压环境下解吸瓦斯膨胀能
Table 5 Gas expansion energy in a step-by-step depressurization environment
瓦斯压力／MPa解吸压力／MPa第1 分钟解吸量／（cm3·g-1）各个阶段膨胀能／（J·g-1）解吸瓦斯膨胀能／（J·g-1）0.501.810.310.31 10.50.810.230.54 1.510.910.360.90 21.50.950.401.30 2.521.020.511.81
图6 逐级降压环境下解吸瓦斯膨胀能
Fig.6 Gas expansion energy in a step-by-step depressurization environment
由表5 和图6 可以看出，高瓦斯吸附平衡压力下第1 分钟瓦斯解吸量大于低瓦斯吸附平衡压力下瓦斯解吸量；随着瓦斯压力的升高，解吸瓦斯膨胀能增大，且随着瓦斯吸附平衡压力的升高，相邻瓦斯吸附平衡压力下解吸瓦斯膨胀能的差值随着瓦斯吸附平衡压力的升高而增大，差值最大为0.51 J／g。
两种不同解吸方式下，各个瓦斯吸附平衡压力的解吸瓦斯膨胀能、瓦斯内能如图7 所示，常压解吸、降压解吸各个阶段解吸瓦斯膨胀能差值见表6。
表6 降压解吸、常压解吸能量对比
Table 6 Energy comparison between decompression desorption and atmospheric pressure desorption
瓦斯压力／MPa降压解吸膨胀能／（J·g-1）常压解吸膨胀能／（J·g-1）瓦斯膨胀能差值／（J·g-1）0.50.310.310 1.00.540.640.10 1.50.901.070.17 2.01.301.600.30 2.51.822.340.52
图7 瓦斯膨胀能、瓦斯内能对比
Fig.7 Comparison of gas expansion energy and gas internal energy
由表6 和图7 可知，2 种解吸方式下，瓦斯膨胀能变化的趋势大致相同，均是随着瓦斯吸附平衡压力的增加，瓦斯膨胀能增大，且2 种解吸方式下的瓦斯膨胀能均远小于煤中瓦斯具有的内能。 在0.5 MPa吸附平衡压力下，2 种解吸方式解吸瓦斯膨胀能相同，原因是二者试验的瓦斯吸附平衡压力与解吸压力相同。 在瓦斯吸附平衡压力升至1 MPa后，常压解吸瓦斯膨胀能大于降压解吸瓦斯膨胀能，且2 种解吸方式下解吸瓦斯膨胀能差值随着瓦斯吸附平衡压力的升高而增大，吸附平衡压力2.5 MPa时差值达0.52 J／g，常压解吸瓦斯膨胀能比降压解吸瓦斯膨胀能高出28.6%。 降压环境下环境压力对解吸瓦斯膨胀能起到一定程度的抑制作用，且环境气体压力越高，抑制效果越明显。
煤与瓦斯突出发动是煤岩-瓦斯系统状态失衡释放能量的过程，系统积聚的突出潜能越多，突出危险性越强。 瓦斯突出的强弱可通过瓦斯能及弹性能等潜在突出能量积累值与煤体破碎所需消耗能量之比Ro来表示［23］，即
式中：Vp为破坏区煤体体积，m3；ei 为突出潜能；ee为单位煤体的弹性潜能，J；eg 为瓦斯通过膨胀做功所贡献的突出能，J；eb为单位体积煤体破碎功，J。
由公式（3）可知，解吸瓦斯膨胀能直接影响煤与瓦斯突出倾向。 在突出发生过程中，若巷道内较为畅通，解吸的气体能够及时排出，在一定程度上会加剧突出强度，反之，对减弱突出强度具有一定的意义。 降低解吸瓦斯膨胀能是防治煤与瓦斯突出的一种技术途径。 为此，在工程实践中，常常要求突出危险工作面在掘进时，前方设置防突栅栏，突出的煤岩受到防突栅栏阻挡，充填满巷道，使解吸的瓦斯不能快速排出巷道，增加了巷道内气体压力，起到降低瓦斯膨胀能的作用，以此达到降低突出强度的目的。
1）煤中瓦斯吸附平衡压力越大，吸附瓦斯量越大，煤中吸附瓦斯内能越大，体系稳定性越差，在外界扰动下易于发生煤与瓦斯突出事故。
2）吸附平衡压力相同时，常压环境下解吸瓦斯膨胀能高于降压环境下解吸瓦斯膨胀能，且随着吸附平衡压力升高，二者的差值逐渐增大，在2.5 MPa吸附平衡压力下差值达到0.52 J／g，常压环境下解吸瓦斯膨胀能比降压环境下解吸瓦斯膨胀能高28.6%。
3）降压环境下环境压力对解吸瓦斯膨胀能起到一定程度的抑制作用，且环境气体压力越高，抑制效果越明显。 降低解吸瓦斯膨胀能可作为一种防治煤与瓦斯突出技术途径。
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