煤中瓦斯吸附滲透理論及實驗研究＊

姚有利

（1.山西大同大學工學院，山西省大同市，037003；2.中國礦業大學 （北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京市海淀區，100083）

我國高瓦斯煤層普遍具有較高的吸附能力，這種窒息性和爆炸性的氣體往往又是造成煤礦井下發生重大瓦斯爆炸事故的根源，當其直接向空氣中排放時既浪費資源又會引起嚴重的環境污染。瓦斯吸附解吸和滲透規律是瓦斯抽采和瓦斯災害防治的基礎。本研究對于改進現有的抽采方法并提高抽采水平，對于煤與瓦斯的突出預測和煤礦瓦斯災害的防治均具有重要的理論意義和實際應用價值。

1 實驗方案

本實驗系統主要由通氣裝置、溫度控制系統、等溫吸附解吸系統和數據采集與處理系統組成，計算機采集與處理系統每秒鐘記錄一組罐內瓦斯壓力。因本套系統正在申請專利過程中，不便在此展開敘述。本文采用容量法并在實驗裝置中增設參考罐來測量瓦斯吸附解吸量，自制了3種不同粒度煤樣 （取自同一煤層），讓煤樣分別在不同壓力下進行吸附解吸實驗，然后進行分析比較。

實驗前做好煤樣的采集與制備工作、等溫吸附系統的氣密性檢查及樣品罐、參考罐及自由空間體積的測定。樣品罐用來放置待研究的煤樣，參考罐用來輔助測定自由空間體積和瓦斯吸附量。樣品罐體積和參考罐體積包括罐體積、接頭、閥門導氣管道的通徑體積之和。

2 實驗內容

2.1 實驗目的及步驟

該實驗的目的是研究恒定壓力下的煤體瓦斯動態吸附規律，建立煤的瓦斯吸附量數學模型。實驗的關鍵步驟是在實驗壓力下，每當樣品罐內初始壓力下降了一微小值△P 時，向樣品罐充入甲烷，使其壓力回復到初始壓力繼續吸附，如此循環充氣n次，計算在此過程中的累計瓦斯吸附量。

2.2 吸附量的計算

吸附量的計算分兩部分。

（1）第一部分是樣品罐與參考罐沒有貫通時的吸附量：

式中：Qj——第j 秒煤樣吸附甲烷量，ml／g；

Qj-1—— 第j-1秒煤樣吸附甲烷量，ml／g；

pj——第j 秒樣品罐自由空間瓦斯壓力，MPa；

pj-1—— 第j-1秒樣品罐自由空間瓦斯壓力，MPa；

vf——樣品罐的自由空間體積，ml；

P0——標準狀態大氣壓力，MPa；

G—— 煤樣質量，g；

T—— 試驗溫度，K；

T0——標準狀態溫度，即273K。

（2）第二部分是樣品罐與參考罐貫通瞬間的吸附量，即參考罐甲烷的減少量減去樣品罐自由空間甲烷的增加量，甲烷吸附量計算公式：

式中：Qi——第i秒煤樣吸附甲烷量，ml／g；

Qi-1——第i-1秒煤樣吸附甲烷量，ml／g；

Pir——第i秒參考罐內壓力，MPa；

Pir-1——第i-1秒參考罐內壓力，MPa；

Pi——第i次秒樣品罐自由空間壓力，MPa；

Pi-1——第i-1 秒樣品罐自由空間壓力，MPa；

Vr——參考罐體積，ml；

Vf——樣品罐的自由空間體積，ml。

3 實驗數據處理與分析

3.1 基本參數測定結果

吸附罐體積的測定可分為兩組：第一組吸附罐包括1號罐 （參考罐）和2號罐 （樣品罐），第二組吸附罐包括3 號罐 （樣品罐）和4 號罐 （參考罐）。罐體積測定結果如表1所示。3 種不同粒度煤樣自由空間體積測定結果如表2所示。

表1 罐體積測定結果 ml

表2 煤樣自由空間體積測定結果

3.2 吸附實驗實測曲線

通過軟件數據處理，發現在各個動態壓力點下吸附量曲線與吸附時間t的函數曲線f （t）=a ｛1-exp ［- （t／b）0.4］｝ （簡稱時間函數）比較吻合，通過調整a、b 值，得到如圖1 和圖2 所示1號煤樣1.5MPa動態壓力點的吸附量實測曲線與時間函數曲線擬合圖和吸附量與時間函數線性相關圖。

圖1 1號煤樣 （1.5 MPa）吸附量實測曲線與時間函數曲線擬合圖

圖2 吸附量與時間函數線性關系

吸附量與時間函數f （t）線性相關系數R2達到0.99以上，說明實測曲線與時間函數f （t）曲線擬合程度較高。由此得出瓦斯吸附數學模型：

式中：Q——煤樣累計吸附甲烷量，ml／g；

a、b——參數；

t——時間，s。

隨著時間的延長，瓦斯的吸附量趨于某一定值，該定值就是最大吸附量a，故a 的單位為ml／g，b單位為s。此公式適用于煤的初始吸附量為零的情況。

3.3 吸附量分析和吸附速率分析

為便于找出參數a、b與吸附量大小、粒度大小、吸附速率的關系，現將參數a、b值對比分析，相同粒度的煤樣在不同壓力下的吸附量與時間的函數曲線和不同粒度的煤樣在相同壓力下的吸附量與時間的函數曲線如圖3、圖4所示。

由圖3可知，對比分析2＃煤樣和3＃煤樣在不同壓力下a值的大小，在0.55MPa和1.5MPa壓力下，2＃煤樣 （粒度較大）對應的a 值分別為2.85和6.5，3＃煤樣 （粒度較?。腶值分別為2.68 和6.9，可以明顯看出相同粒度煤樣，壓力越大，a值越大，a 是與吸附壓力正相關的物理量。a的物理意義是煤的飽和吸附量，粒度小，則比表面積大，吸附量會增大，但是試驗數據顯示的差異過大，造成這種現象的原因可能是粒徑大的煤樣空隙大，試驗開始時刻，瓦斯向大的空隙流動，煤樣壓力不均勻，誤以為瓦斯被吸附了，繼續加壓，造成粒徑大的煤樣瓦斯吸附量和粒徑小的瓦斯吸附量差異比較大。

圖3 2號煤樣和3號煤樣在不同壓力下的吸附量對比圖

圖4 不同粒度的煤樣在相同壓力下的吸附量與時間的函數曲線對比 （1.5MPa）

由圖4可知，對比分析1＃、2＃、3＃煤樣在壓力為1.5 MPa下b 值分別為18、2、0.16，可以明顯看出粒度不同壓力相同的煤樣，粒徑越大，b值越大，并且相同粒徑不同壓力下b值不變，由此可得，b值是與煤體粒度有關的物理量，粒度的大小影響吸附達到平衡的所用時間長短，即影響吸附速率大小，粒度越小，達到吸附平衡所用時間越短，吸附速率越快，b值越小；反之，達到吸附平衡時間越長，吸附速率越慢，b值越大。

4 結論

（1）確定了實驗方案，采用容量法并在實驗裝置中增設參考罐的方案來間接測量瓦斯的吸附解吸量。

（2）設計采用定壓動態吸附解吸實驗法來測量瓦斯吸附解吸量。

（3）建立了煤的瓦斯吸附解吸量的數學模型。本實驗采用的是單一煤質的煤粉，因此此模型適用于破碎煤體的吸附解吸過程，是否適用于其他破碎或完整煤質的煤體，有待驗證。

（4）對等溫吸附實驗數據進行處理，分別得到3種不同粒度的煤樣在不同初始壓力下的壓力隨時間變化曲線和吸附解吸量隨時間的變化曲線，對比分析各種曲線，繪制定壓動態吸附解吸實驗曲線，得出了瓦斯吸附速率與煤體粒度之間存在關系為煤樣的粒度越小，吸附解吸速率就越大。

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