超声热效应下型煤中气体解吸规律试验研究*

     作者：吴  迪，徐  军，肖晓春，丁  鑫，王  磊

    （辽宁工程技术大学力学与工程学院.辽宁 阜新123000）

    摘要：为了研究超声热效应对于气体解吸的影响规律，利用自行研制的具备施加超声功能的吸附解吸装置，对吸附饱和氮气的型煤试件开展超声热效应下的气体解吸试验。利用试验数据，拟合出了不同氮气压力下超声热效应作用过程中温度变化方程，解吸量方程及解吸速率方程一同时，对解吸量方程和解吸速率方程进行了试验数据验证。结果表明：超声热效应作用能够有效地提高型煤试样的温度，提高氮气的解吸130. 9%—145. 8%。验证结果相对误差集中在5%以内，拟合方程能够反映出超声热效应作用过程中解吸量及解吸速率的变化情况。

    关键词：超声热效应；氮气解吸；温度变化；解吸速率；型煤试件

    中图分类号：X936    文献标志码：A    doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2015. 10. 001

    0  引言

    由于我国煤炭资源中赋存大量煤层气，导致在煤矿生产中存在许多隐患，煤矿安全生产很难得以保证。煤矿中的颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系，颗粒体系的多孔特性使得气体在其内部的渗流、吸附、解吸都具有不同于其他类型多孔介质的特征。特别是由不同粒径的煤岩颗粒经过长期积压形成的煤样，它不仅具有煤岩的一些特点，还具备颗粒物质的某些特性。对于非晶体非金属颗粒体系，较差的结构规律性引起声子较强的非弹性散射及导热系数的显著下降，但是，当不同粒径的煤岩颗粒挤压在一起使得大孔和

中孔被压缩，形成一个内部存在大量微孔隙的整体时，在吸附解吸和热传导方面会表现的更优于其他孔隙介质。而超声学[4]是声学发展过程中最为活跃的一个分支，它不仅在一些传统的工农业技术中获得较为广泛的应用，而且已渗透到生物、医疗、国防及航空航天等高技术领域。近年来，随着功率超声的发展，超声技术的运用越来越广泛。主要包括超声抽采和超声提取等，而超声抽采技术的重要组成部分就是利用超声热效应与煤层瓦斯压力一起向煤层纵深传播，转化为煤层系统的热能，提高系统的温度，进而提高煤层气的抽采率。本次试验基于超声技术，从超声热效应角度对型煤试样进行气体解吸规律研究，试验结果对于煤层气开采和预防煤与瓦斯突出提供试验基础和理论依据。

    1  超声热效应促进解吸机理研究

    声波传递本身是绝热的，但当物体基质中有声波通过时，基质会产生压缩和膨胀的变化。对于被压缩的基质来说，体积缩小温度会相应提高；同理，对于体积膨胀的基质来说，体积变大使得温度降低。因此，两者处于动态平衡。单个煤岩颗粒在尺度上与整个颗粒煤岩试样间的差距足够大，故此时可以将颗粒煤岩试样看成非均匀的连续介质，当其内部有热量产生时，导致相邻的被压缩的煤基质和膨胀的煤基质以及被压缩的气体和产生膨胀的气体之间存在温度梯度，而温度梯度的存在使得部分热量从高温区向低温区流动，产生了过程不可逆的热传导。温度的升高，加速了气体分子的热运动，使其有足够的能力逃脱范德华力的束缚，从而从微孔隙内壁解吸下来。因此，温度升高是促进气体解吸的主要因素。

    对试样取一个边长为C0小的立方体积元M，密度为ρ0，如图1。设声波以v0=c0速度通过该体积元，时间为t，由声学理论可得瞬时的平均声能密度可用有效声压表示为，声强可由有效声压和能量分别表示为

    因

    所以

    式中：Pe为有效声压；为角频率；A为振幅；U、I分别为超声波发生器工作时的电压和电流，Ee为有效输出能量；c0为声波速度.而热传导部分的平均有效声能密度为

    式中，α为有效热传导吸收系数。

    由Fourier定律知道，温度场内任意一点的热流密度q，其方向与温度梯度方向相反，大小等于材料导热系数与温度梯度的乘积：

    式中：e为有效的表观导热系数；T为热力学温度。

    理论推导过程中将介质看成连续均匀介质，对于固体和气体间的对流，可通过有效热传导吸收系数和有效的表观导热系数来控制。

    2超声热效应影响的颗粒煤岩中气体解吸试验研究

    超声热效应解吸试验采用28kHz的超声波发生器，超声波发生器工作电压110V，分0.8A、1A和1. 2A 3个档位，实验时调于中档(110W)。由于气体的吸附解吸是在煤层中进行并且原煤试件之间存在孔隙度的差异，为了便于多组试验数据的比较，因此试验煤样选用自制型煤，昕用的型煤为70mm×150mm，是由粒径在0.075~0.25mm间的煤岩颗粒和少量松香压制而成。由于型煤试样的宽高比为0. 467，导致在压制的过程中存在明显的粮仓效应。超声作用后，在热效应作用下部分较小的颗粒发生了膨胀，同时产生了一些孑L隙，这些孔隙的出现为解吸的气体提供了运移通道。底部有钻孔放置热电偶，量程0—200oC，误差±0.1℃，便于监测整个试验过程中的温度变化，如图2所示。

    2.1  超声热效应试验方案及试验结果

    考虑到甲烷气在试验过程中存在一定的危险性，因此本次试验采用分子尺寸和被吸附解吸能力与甲烷气相近的氮气作为试验气体。首先向腔体中充入氮气，注入压力分布别为：0. SMPa、1.OMPa.1. 5MPa、2.OMPa、2.SMPa．吸附时间为1440min．认为型煤试件达到吸附饱和状态。吸附完成后释放掉游离态的氮气。对无超声作用的试验方案在释放掉游离的氮气之后记录数据，每100mL记录一次解吸气体所需时间；对有超声作用的试验方案在释放掉游离的氮气后，打开超声波发生器，调于中档进行超声作用，同时开始记录解吸气体量，见表1。

    图3为试验过程中吸附阶段和解吸阶段的温度变化情况。

    图3(a)为充入氮气后不同观测时间记录的离散温度变化点，在0min、240min、720min及1440min各记录一次温度。图3(b)选取氮气压力为2. 5MPa，有超声作用解吸过程中温度变化情况及对试验的拟合结果。图3(a)中吸附开始时所测温度为室温，在通入氮气之后由于氮气的注入压力致使煤试件产生压缩，因此温度在试验初始阶段有所上升；随着时间增加，在240min后由于吸附逐渐趋于平缓，导致所测温度略显下降。图3(b)显示随着超声作用时间的增加，监测得的温度也逐渐升高，在300min后趋于平稳，关闭超声波发生器。试验方案中解吸温度范围为23.2~28. 5oC。

    2.2超声热效应试验结果分析

    图4为氮气在不同压力条件下，有超声热效应作用和无超声热效应作用气体解吸量和解吸速率变化曲线。从图中可以看出，试验的解吸量在一定时间后不再增加，即解吸处于动态平衡中。当型煤试样内部温度升高时，气体的解吸量及解吸速率均要高于无超声热效应作用的。有超声作用时，声波会引起部分煤岩颗粒的压缩与膨胀从而产生热效应，而热效应则会加速氮气分子的热运动，使得氮气分子逃脱范德华力的束缚，从微孔隙内壁解吸出来。随着氮气注入压力的增大，氮气的解吸量均有所增加，如表1所示。图4中超声热效应引起的气体解吸结束时间要早于无超声热效应作用的气体解吸，因此温度的升高可以提高气体的解吸速率。

    为了进一步研究不同注气压力下气体的解吸量、解吸速率和温度及时间之间的关系，对0. 5MPa、1. 5MPa和2.5MPa氮气压力下的超声热效应作用结果进行拟合，而1.0MPa和2.OMPa氮气压力下的试验结果作为验证数据。

    式中：Qp(p，t)为解吸量；t为解吸时间；Ap、Bp为与氮气注入压力相关的相关参数。

    式中：vP(p，q)为解吸速率；q为解吸量；Cp、Dp和Ep为与氮气注入压力相关的相关参数。

    式中：T(t)为温度；t为超声作用时间；ao，a1，…，a5为相关拟合常数。

    2.3解吸量及解吸速率拟合方程的试验数据验证

    对于式(6)，当_P=lMPa时，A1.0=1090. 06796，B1.o=0.09328：当P=2MPa时，A2.0=1594. 97797,B2.0=0.10296。表2和表3为随机抽取的相关数据验证结果。

    对于式(7)，当P=lMPa时，C1.o=-0.45955，D1.o=127. 46223, E1.o=188. 63579；当P=2MPa时，C2.0=一0.2036,D2.0=187.88335,E2.0=270. 67503。表4和表5为随机抽取的相关数据验证结果。

    由表5数据可以看出，解吸量和解吸速率的计算值与实测值之间的相对误差主要集中在5%以内。所以，对式(6)和式(7)进行的试验数据验证的结果能够体现氮气在不同注入压力下，超声热效应作用过程中解吸量、解吸速率的变化。

    3结论

    1)得出了超声热效应作用下型煤试样内部热传导控制方程。

    2)超声作用于颗粒煤岩试样产生了温度升高的现象，氮气的解吸量和解吸速率在超声热效应影响下都有了不同程度的提高，解吸量增长率区间为130. 9%～145. 8%；并根据物理试验结果，拟合出了超声热效应作用下时间一解吸量方程、解吸量一解吸速率方程和时间一温度方程。

    3)由试验结果可以得出，超声热效应作用能够有效促进吸附的气体解吸，验证结果的相对误差集中在5%以内，拟合公式能够揭示超声热效应作用过程中，氮气的解吸量及解吸速率的变化规律，而这种利用超声技术提高气体解吸的方法可以在相关的油、气开采等领域加以利用。