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:A

Research the parse effect of experiment and mechanism

which gas among coal in low oscillate frequency condition

LI Shu-gang1,Zhao Yong1,Zhang Tian-jun2,Xu Hong-jie2

(1 School of Energy, Xi'an University of Science and Technology; Xi'an 710054,China

2 Dept. 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 and testing 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 bigness of disengage

quantity and the faster of parse speed.Low . Aim at phenomenon,adoptting the vibrancy of engine

theory and correlation knowledge about the desorption speed of gas. we expansion a series of

research. The result show: with the disturb ,the hole of coal turn small ,disadvantage desorption.

Therefore absorb parter molecule get miss out energy,because pervasion resistance turns large.the

slower of parse speed and the smaller of disengage quantity.without the low frequency disturb, the

hole of coal shape keep the same make for the gas desorption. absorb parter molecule does not get

miss out energy. Parse speed show fast.It makes out that frequency oscillate reduce the hole

density of coal model,increase the disengagement degree of firedamp molecule,that makes

firedamp molecule’s diffusion slower,and increases the adsorption site of coal model at the same

time,while the coal model’s disengage speed and disengage quantity become slower and smaller.

Keywords: low oscillate frequency;disengage quantity;molecule diffusion 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系列电荷放大器、CL—YD系列压电式压力传感器、CL—YD—3系列压电式力传感器和计算机4部分组成。

1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50～60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，激振力随时间的变化曲线。在试验过程中，为了8

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714 15 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。

05010015020025030002004006008001000时间t(s)压强P(KPa)0HZ10HZ20HZ30HZ

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 pressure get along and time curve adsorption pot

4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：

222213exp()ttnvvdQDvDntdtrr （1）

式中: D为扩散系数（2/cms）；π为圆周率；tQ为从开始到时间t时的累计解吸量（ml）；t为时间；vr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：

0FAAF （2）