煤吸附甲烷能力影響因素分析

摘 要：傳統的煤成氣理論認為，煤對甲烷的吸附能力主要受煤層溫度和壓力等因素的影響。近年來國內外的一些相關研究對該傳統理論提出了不同的看法。文章在總結前人研究成果的基礎上，從煤的粒徑、煤層溫度和壓力、煤中水類型及水含量和煤的顯微組分方面闡述了影響煤吸附甲烷的因素。一般認為，煤的主體是交聯的有機大分子網狀結構，網狀結構會促使煤巖表面發育大量的超微裂隙和氣孔構造，為甲烷提供更多的儲集場所。高壓和高溫會使煤巖表面產生許多裂紋與空隙，甲烷更容易賦存在裂紋與空隙中。高溫高壓也會加快煤的變質速率，煤變質程度越高，甲烷含量越大。高壓也會使甲烷在水中的溶解度變大，流水作用可以帶走大量的甲烷。另外，吸附在煤巖的裂隙與孔隙的水還會減弱煤對甲烷的吸附能力。

關鍵詞：煤；甲烷；溫度；壓力；顯微組分；吸附能力

引言

傳統的煤成氣理論認為，煤對甲烷吸附能力主要受煤層溫度和壓力等因素影響。隨著近年來國內外的一些相關研究，這一傳統理論不斷得到完善。如李樹剛等[1]、陳學習等[2]和張天軍等[3]將煤樣放在溫度不變，不同含水量的條件下進行試驗發現，隨著含水量增加，煤對甲烷的吸附量不斷減少；藺亞兵等[4]認為，在恒溫下，煤級不同會導致煤吸附甲烷的含量不同，這主要是由于溫度變化引起煤巖粒徑發生變化；張時音等[5]則認為，煤級不同會導致煤巖孔隙結構發生變化，從而影響吸附擴散系數，當煤巖表面過渡孔和微孔的數量增多時，吸附擴散速率就會變小。許滿貴等[6]發現，壓力也會影響煤體吸附能力，壓力大會使煤巖粒徑大小發生劇烈的變化，煤的吸附量也會隨之發生變化。可以看出，煤對甲烷吸附能力是受多種因素的影響。為此，筆者依照近十年來的文獻資料，對該領域的研究進展與成果進行總結，并根據其發展的趨勢提出自己的看法。

1 煤的粒徑對煤體吸附能力的影響

煤孔隙表面對甲烷具有很強的吸附能力，其中物理吸附占主導，甲烷的吸附量與煤的孔隙體積以及孔隙表面積的大小有關[7]。對煤的吸附機理及特性進行研究，可以為煤和煤成氣勘探開發提供重要的理論依據。前人對粒徑影響煤體吸附性能的研究發現，在煤體孔隙的比表面積中，微孔的吸附是最主要的[8]。張天軍等[7]采集幾種高瓦斯礦井的煤樣，分別制成了粒徑大小不同的五種試樣，使用WY-98B吸附常數測定儀，在同一溫度下進行試驗，發現煤的粒徑在0.096 0.150mm的范圍內時，隨著粒徑的變小煤的吸附量增大。理論上認為，煤對甲烷的吸附能力與孔隙度、空隙比表面積和微孔比表面積均呈正相關關系。煤的比表面積增大是由于粒徑減小，比表面積增大使甲烷吸附位增多，甲烷吸附量變大，但當粒度過小時，顆粒內部空間遭到破壞，煤的比表面積就不會發生顯著變化，甲烷的吸附量就不會有改變。此外，煤巖顆粒的分選性也會影響煤體吸附能力，如果煤巖顆粒分選性差，顆粒間被大量的泥質或砂質充填，會阻塞煤巖的孔隙和裂隙，吸附能力下降[9]。筆者通過前期研究認為，煤中的粒徑還受到煤巖的結構影響。煤主體是交聯的有機大分子網狀結構，網狀結構會使煤巖表面產生許多裂隙和氣孔構造，為甲烷提供大量的儲存空間。同時，煤巖表面的網狀結構可以增加甲烷分子和碳分子之間剩余的表面自由力，當氣體分子碰到煤表面時，其中一部分就被吸附。

2 煤層的溫度和壓力對吸附能力的影響

甲烷的臨界溫度是196.6K，臨界壓力是4.54MPa，在常溫下為超臨界氣體，即使高壓也不可液化，它的吸、脫附平衡是典型的不可冷凝氣體吸附平衡，形成超臨界氣體吸附，稱為高壓吸附。大量實驗證明，等溫情況下煤巖不同壓力的吸附解吸現象基本符合朗格繆爾（Langmuir）等溫吸附方程。在高壓狀態下，煤對甲烷的吸附符合朗格繆爾（Langmuir）方程。

隨著煤層埋藏深度不斷增加，溫度與壓力是煤吸附甲烷主要影響因素。煤層壓力增大時會促使煤化學反應，導致煤巖中部分烷基側鏈斷裂，斷裂的側鏈烷基與氫結合易生成以甲烷為主的烷烴。高溫和高壓會使煤巖表面產生許多裂紋與空隙，甲烷更容易賦存在裂紋與空隙中。除此之外，高溫高壓可能會加快煤的變質速率，煤的變質程度越高，含氧官能團越少，含氧官能團減少會增強煤的的疏水性，儲存在裂隙和孔隙中的水量變小為甲烷提供更多的賦存場所。

3 煤中水類型及水含量對吸附能力的影響

水在煤中主要以兩種形態存在，即游離態和化合態。李樹剛等[1]利用WY-98B型瓦斯常數測定儀進行實驗，結果表明，煤巖中含水量越大，煤對甲烷的吸附量越小。降文萍等[16]運用量子化學MP2計算方法，研究結果表明，甲烷分子在煤表面吸水方式使煤表面對水分子的吸附勢阱遠大于甲烷分子的吸附勢阱，煤對甲烷的吸附量隨煤中水分的含量增加而減小。值得注意的是，地下水與甲烷共存于煤層之中，由于地下水的運移，一方面驅動著裂隙和孔隙中甲烷的運移；另一方面又帶動溶解于水中的甲烷一起流動。盡管甲烷在水中的溶解度很小，但是在地下深處壓力特別大的地方，甲烷能大量溶解水里，特別是在地下水交換活躍的地區，水能從煤層中帶走大量的甲烷氣體，使甲烷含量明顯減少。同時，水吸附在煤巖的裂隙和孔隙中，使煤巖的表面張力變大，特別是水中溶解了大量可溶性物質元素使表面張力更大，導致甲烷進入煤巖的孔隙的阻力變大，減弱了煤對甲烷的吸附能力。因此，地下水的活動不利于煤對甲烷的吸附。

4 煤的顯微組分對吸附能力的影響

鏡質組與殼質組和惰質組相比，氧含量較高，氫含量中等，揮發分中等，碳含量低。在高溫高壓的環境中，鏡質組可生成少量的油和較多的甲烷。雖然前人研究發現，在一定條件下，惰質組吸附能力高于鏡質組，但是鏡質組中的均質鏡質體裂隙發育，并且鏡質體的網狀結構發育，可以為甲烷提供很好地儲集場所。同時，一個甲烷分子是由一個碳原子和四個氫原子組成，因此要產生大量的甲烷必須要有足夠的氫原子，而鏡質組中氫含量比惰質組中的高，則在一定條件下，鏡質組中的氫原子與碳原子結合形成甲烷后，消耗大量的氫原子，為甲烷提供儲存空間。

5 結束語

雖然國內近年來在煤對甲烷吸附能力的影響因素的研究領域里取得了豐碩的成果，該領域的理論體系得到不斷地完善，但這些成果基本都是在定性的研究煤對甲烷吸附能力的影響。此外，植物從死亡、堆積到變質成煤再到生氣要經歷漫長的地質歷史時期。由于自然過程的影響因素復雜，加之時間的漫長性與空間的廣泛性以及現代實驗技術水平的限制，在地球科學中有時很難進行與自然界一致的真實實驗，因此，目前得出煤對甲烷吸附的各種影響因素有很大的誤差。筆者認為應注重煤化學、煤巖學煤、煤中礦物學和地質構造學的綜合研究，在研究各影響甲烷吸附能力的因素的基礎上，建立模糊綜合評價模型，定量評價煤對甲烷的吸附能力，可以有效地預測煤層中吸附氣的含量。

參考文獻

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作者簡介：馮松寶（1982-），男，安徽宣城人，博士，講師，主要從事有機地球化學、油氣成藏研究。