加壓速率對不同變質程度煤吸附性能的影響研究

加壓速率對不同變質程度煤吸附性能的影響研究

姜黎明1,2，張浪1,2，汪東1,2，季文博1,2

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；

2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

[摘要]為研究不同加壓速率對吸附性能的影響，采用美國康塔儀器公司研制的iSorb HP2高壓氣體吸附分析儀對門克慶礦、沙曲二礦、陽泉五礦3種不同煤階煤樣，進行了不同加壓速率下的瓦斯吸附常數對比測試。結果表明，加壓速率對瓦斯吸附常數影響非常明顯；對特定煤階煤樣，隨著加壓速率增大，吸附常數a有減小趨勢，吸附常數b有增大趨勢，煤階越高，瓦斯吸附常數受加壓速率的影響程度越大。因此，對于不同煤階煤樣，加壓速率應適當調整，以提高其指導現場應用的作用。

[關鍵詞]加壓速率；變質程度；吸附性能；吸附常數

[中圖分類號]TD712[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-08-12

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.005

[基金項目]國家科技重大專項資助項目(2011ZX05040-001-1)；國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2012CB201206)

[作者簡介]姜黎明(1989-)，女，山東單縣人，碩士研究生，助理工程師,從事礦井瓦斯防治方面的研究。

Influence of Pressurization Rate on Absorption Property of

Coal with Different Metamorphic Degrees

JIANG Li-ming1,2, ZHANG Lang1,2, WANG Dong1,2, JI Wen-bo1,2

(1.Safety Branch, Coal Science & Technology Research Institute Co., Ltd., Beijing 100013, China;

2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining & Clean Utilization, Beijing 100013, China)

Abstract:In order to research the influence of different pressurization rates on absorption property, iSorb HP2 high-pressure gas absorption analyzer developed by U.S.Kangta Corporation was applied to testing methane absorption constant of 3 coal-ranks specimen from Menkeqing, Shaqu and Yangquan under different pressurization rates.Results showed that the influence of pressurization rate on methane absorption constant was obvious.For special coal-rank specimen, with rate increasing, absorption constant a decreased and b increased.The larger the coal-rank was, influence degree was larger.Therefore, for different coal-rank specimen, pressurization rate should be changed suitably to preferably guide practice.

Keywords:pressurization rate; metamorphic degree; absorption property; absorption constant

[引用格式]姜黎明，張浪，汪東，等.加壓速率對不同變質程度煤吸附性能的影響研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：17-19，29.

煤是一種具有復雜孔隙結構的多孔介質，含有大量的孔隙，大到斷層、層理面等宏觀裂隙，小到分子或原子微觀缺陷。煤孔隙表面對瓦斯有較強的吸附能力，并且以物理吸附為主。在煤礦開采過程中，礦井瓦斯是導致煤與瓦斯突出的主要因素之一，同時也可作為煤層氣的來源，研究在不同物理結構特性下煤的吸附規律，可獲得煤層中瓦斯運移和聚集的規律，同時對于研究煤與瓦斯突出機理也十分重要。煤對氣體的吸附能力受多種因素的影響，等溫吸附試驗獲得的Langmuir體積和壓力是在某一溫度下的吸附值，實驗中最大的誤差來源是實驗條件，主要包括溫度、壓力、水分、吸附氣體組分、吸附煤階以及煤的粒度等等。前人對此進行了深入的研究，陳青等探討了低壓點對吸附常數的影響；王文林等探討了吸附平衡時間對不同變質程度煤的等溫吸附試驗影響；李樹剛等研究了不同含水量對煤吸附甲烷的影響關系,并擬合出關系式；張曉東等研究了不同粒度對吸附常數的影響；張天軍等研究了溫度對煤吸附性能的影響；鐘玲文、張群等研究了煤在溫度和壓力綜合影響下的吸附性能；張慶玲等[8-9]論證了吸附相體積的校正問題；陳向軍等[10-11]研究了孔徑對不同變質程度煤吸附常數的影響。目前，鮮見研究加壓速率對煤的吸附常數的影響，以及影響的機理。為此，對不同變質程度煤的不同加壓速率進行了吸附甲烷氣體實驗，通過比較吸附實驗結果，分析加壓速率對吸附的影響。

1煤的工業分析

為了考察加壓速率對不同變質程度煤吸附性能的影響程度，選擇門克慶礦3-1號煤(MKQ)、沙曲二礦4號煤(SQ)、陽泉五礦8號煤(YQ)的煤樣進行不同加壓速率下的等溫吸附實驗，各煤樣的工業組分測定結果如表1所示。采用煤炭行業標準《煤的甲烷吸附量測定方法(高壓容量法)》開展相關的實驗，為排除實驗過程中的不規范操作和降低試驗誤差，統一規范實驗條件和設置平行煤樣，并在同一條件下同時進行測定。

表1　煤層煤樣的工業組分測定結果

2測定方法

2.1　實驗原理

本次等溫吸附實驗方法是容量法，其測定原理是：煤中大量的微孔內表面具有表面能，當氣體與內表面接觸時，分子的作用力使甲烷或其他多種氣體分子在內表面上發生濃集，稱為吸附。氣體分子濃集的數量漸趨增多，為吸附過程；氣體分子復返回自由狀態的氣相中，表面上氣體分子數量漸趨減少，為脫附過程。表面上氣體分子維持一定數量，吸附速率和脫附速率相等時，為吸附平衡。煤的吸附量一般用Langmuir單分子層氣體吸附模型來描述，煤的吸附氣體與游離氣體隨著壓力、溫度的改變可以相互轉化，在溫度一定的條件下，通過Langmuir方程來計算吸附量(Q)。即

(1)

(2)

式中，P為甲烷氣體的壓力，MPa；Q為在壓力P下煤的吸附量，cm3/g，VL為Langmuir壓力，mL；PL為Langmuir壓力，MPa；a為吸附常數，cm3/g，當P→∞時，即為飽和吸附量；b為吸附常數，MPa-1。

2.2　實驗方法

為了分析不同變質程度煤樣在不同加壓速率下的吸附能力差異，對已選煤樣進行瓦斯吸附實驗，試驗采用美國康塔儀器公司研制的iSorb HP2高壓氣體吸附分析儀，按照MT/T752-1997標準進行。iSorb HP2高壓氣體吸附分析儀主要用于對儲氣材料吸附機理進行研究，可全自動地得到材料從低壓到高壓全面的吸附解吸性質的表征。其吸附質為純度達99.99%的甲烷氣體，實驗溫度為10～70℃，最高實驗壓力為20MPa。此儀器的煤樣吸附解吸實驗步驟為：

(1)煤樣制備。將實驗煤樣粉碎并篩分為0.20～0.25mm，置于紅外干燥箱進行干燥處理，約6h左右取出，立即放入干燥器內冷卻保存。

(2)煤樣脫氣。用電子天平稱取3g精確到0.0001g的干燥煤樣裝入樣品池，把裝有煤樣的樣品池加裝墊片安裝在儀器上，并用活口扳手擰緊，保證其氣密性，在分析軟件中錄入煤樣的基本數據，并設置60℃的恒溫條件，進行脫氣抽真空過程，脫氣進行到文件設置的過程后自動結束。

(3)煤樣吸附平衡。脫氣過程結束后設置吸附分析文件，對煤樣進行30℃恒溫條件下的吸附分析。

(4)當全過程的吸附試驗結束后，即可進行結果輸出，分析軟件將自動錄入的信息進行計算并顯示試驗結果和吸附等溫曲線。

3測試結果及分析

對3個礦的煤樣在不同加壓速率下進行吸附等溫測試，實驗最大壓力為8MPa，實驗溫度為30℃，根據Langmuir 方程解算出煤樣的瓦斯吸附常數a，b值。實驗結果分別如圖1～圖3和表2所示。

圖1　門克慶礦煤樣在不同加壓速率下的吸附等溫曲線

圖2　沙曲二礦煤樣在不同加壓速率下的吸附等溫曲線

圖3　陽泉五礦煤樣在不同加壓速率下的吸附等溫曲線

表2　不同加壓速率下煤樣的吸附常數

由圖1～圖3可知，門克慶礦、陽泉五礦煤樣的瓦斯吸附量在0～4MPa階段增長迅速，在高壓階段趨于平緩，沙曲二礦煤樣的瓦斯吸附量增長緩慢。說明煤樣的瓦斯吸附難易程度不同，門克慶礦、陽泉五礦煤樣容易吸附瓦斯，沙曲二礦煤樣不易吸附瓦斯。在實際的煤礦生產或瓦斯抽采過程中，對于不易解吸的煤，需要采取措施以利于瓦斯釋放。而壓力在0～4MPa之間時，加壓速率對3種不同變質程度煤的影響程度不同，影響最大的是門克慶長焰煤，其次是陽泉五礦長焰煤，最后為沙曲二礦焦煤。根據表2的實驗結果，對吸附常數a，b隨加壓速率變化的關系進行擬合(見圖4～圖5)。由圖4可知，隨著加壓速率的增大，煤對甲烷的吸附量逐漸變小，a隨加壓速率的增大呈單調遞減趨勢。對吸附常數a與加壓速率的關系進行擬合得到3類煤樣的擬合關系式。

門克慶礦長焰煤：a=-0.03596x+25.94

沙曲二礦焦煤：a=-0.05027x+34.97

陽煤五礦無煙煤：a=-0.04337x+47.79

由圖5可知，吸附常數b與加壓速率之間沒有明顯的規律。

圖4　吸附常數a隨加壓速率的變化

圖5　吸附常數b隨加壓速率的變化

4結論

根據3種不同變質程度的煤進行的等溫吸附實驗，煤樣在恒溫、不同加壓速率條件下對甲烷的吸附實驗表明，不同變質程度煤的吸附常數變化量的大小不同，隨著加壓速率的增加，煤對甲烷的吸附量逐漸減小，減小幅度與煤的變質程度有一定關系。

(1)吸附常數a的大小順序為：無煙煤﹥焦煤﹥長焰煤；b的大小順序為：無煙煤﹥焦煤﹥長焰煤。經過比較可知，門克慶礦長焰煤、沙曲二礦焦煤以及陽泉五礦無煙煤等3種不同變質程度煤的適用的加壓速率分別為：33.3Pa/s，100Pa/s和133.3Pa/s。

(2)吸附常數a隨加壓速率的增大而減小，變質程度越高，加壓速率對a的影響越大。

(3)對吸附常數a與加壓速率的關系進行擬合得到3種不同變質程度煤樣的擬合關系式，分別為：門克慶礦長焰煤，a=-0.03596x+25.94；沙曲二礦焦煤，a=-0.05027x+34.97；陽煤五礦無煙煤，a=-0.04337x+47.79。而吸附常數b與加壓速率之間沒有明顯的規律。

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[責任編輯：施紅霞]

地質與勘測