西南典型礦區煤等溫吸附/解吸影響因素研究

張永強，韓志雄，薛海軍，2，路冠文

(1.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005；2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；3.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；4.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

煤孔隙表面對瓦斯具有很強的吸附能力，其吸附過程是一種物理吸附，且以游離態吸附為主。實驗證明，在儲層條件下，煤對氣相介質的吸附符合朗格繆爾單分子層吸附理論。因此，通過等溫吸附實驗來研究煤的吸附特征，并用吸附量表示煤對氣體的吸附能力[1-4]。其吸附能力除受煤孔、裂隙特征、煤質特征等自身因素影響外，還受溫度、壓力等外界條件的影響。學者對不同地區煤水分、灰分、固定碳、實驗溫度、壓力及變形、變質程度等因素對煤吸附性能的影響進行了大量的研究。田永東、牛國慶、劉貝通過對不同地區、不同時代、不同變質程度煤的等溫吸附/解吸實驗，認為煤的吸附性能受多方面因素的影響，吸附量隨著煤變質程度的增高而增大，與鏡質組含量呈正相關、與惰質組含量呈負相關；水分、溫度對煤的吸附能力有負面影響[5-7]。而鐘玲文認為變質程度對煤吸附能力具有控制作用，當Ro，max=0.46%～1.3%時，隨著煤變質程度的增高吸附量減少，Ro，max=1.3%～5.32%時，隨著煤變質程度的增高吸附量增加，Ro，max=5.0%左右時，吸附量達最高值[8]。蘇現波發現隨煤階的增高煤的吸附能力先后經歷了4個階段：快速增加階段(Ro，max<1.3%)、緩慢增加階段(Ro，max介于1.3% ～2.5%)、達到極大值階段(Ro，max介于2.5%～4.0%)和降低階段(Ro，max>4.0%)[9]。同時姚艷斌通過對華北重點礦區煤樣進行等溫吸附實驗，認為煤的吸附能力隨著鏡質組和惰質組含量總和的增大而增大，惰質組對煤吸附能力影響較大[10]。

張慶玲通過不同溫度條件下的等溫吸附實驗，認為實驗溫度對吸附量的影響不大。煤對甲烷的吸附能力隨壓力升高而增大，當壓力升到一定值時，煤的吸附能力達到飽和，吸附量不再增加[11]。而王偉認為吸附平衡瓦斯壓力和吸附量基本成線性相關關系[12]。郝世雄通過對不同固定碳質量分數煤樣進行吸附實驗，認為固定碳質量分數在70.17%～94.45%時，煤的吸附能力隨著固定碳質量分數呈開口向上的二次多項式關系[13]。而鐘玲文認為碳含量75%～87%階段，煤的吸附能力漸次降低，碳含量87.0%～93.4%階段，吸附能力增加，碳含量大于93.4%，吸附能力驟減[14]。屈爭輝、孟召平、路冠文通過對不同煤體結構煤樣的等溫吸附試驗，認為吸附能力隨變形程度的增大而增大[15-17]。

前人研究取得了豐碩的成果，但也存在不足，絕大多數研究實驗樣本數量有限，且缺乏系統采樣，各因素對煤吸附性能的影響仍存在一定分歧。同時西南地區是我國重要的煤炭資源基地，也是我國主要的煤層氣勘探區。同時煤的吸附解吸性能是煤儲層評價的關鍵參數，對煤與瓦斯突出預測以及圈定煤層氣富集區具有十分重要的意義。本文基于上述問題，通過系統采樣、測試，對影響煤吸附解吸性能的各因素進行了探討，以期對該地區礦井煤與瓦斯突出預測及煤層氣勘探開發選區提供依據。

1 試驗樣品與方法

本次研究選取西南地區代表性礦區，采集了不同變質、變形程度的煤樣，進行等溫吸附實驗之前，對煤樣進行了工業分析、鏡質組反射率、顯微組分的測定以及變形類型[14]的鑒定。其中貴州、四川地區煤主要以中等變質、弱變形、特低水分、中高揮發分、低～中灰煤為主，湖南、重慶地區煤主要以高變質、強變形、特低水分、低揮發分、低灰煤為主(表1)。

采用IS-100型氣體等溫吸附/解吸儀。試驗的過程按照《煤的甲烷吸附量測定方法(高壓容量法)》(MT/T 752—1997)標準執行，控溫精度0.1℃，重復性誤差小于±2%，吸附劑采用純度為99.99%的甲烷氣體。所有煤樣首先在試驗溫度25℃和壓力8MPa條件下進行等溫吸附/解吸實驗，然后對部分煤樣設置不同溫度、壓力條件進行等溫吸附/解吸實驗。

2 結果與討論

2.1 煤質特征對煤吸附性能的影響

2.1.1 變質程度對煤吸附性能的影響

煤變質程度與吸附量的關系如圖1所示，在中等變質煤階段，煤的吸附能力與變質程度呈正相關關系，而在高變質的無煙煤階段呈負相關關系，隨著煤變質程度的增高，吸附能力表現為呈先增大(Ro，max介于0.65%～1.52%)后降低(Ro，max大于1.52%)的倒“U”型關系。煤吸附量在Ro，max介于0.90%～1.20%之間最低，Ro，max在3.0%左右時出現高峰，這與前人研究所得結論基本一致[9]。這可能由于隨著煤由中變質階段向高變質階段演化，煤的孔面積和孔隙度先增大在減小[9，11]，進而表現為吸附能力隨煤變質程度的增高呈先增大后降低的關系。本次研究所采煤樣均為中高階煤級，對于低階煤變質程度對煤吸附能力的影響有待進一步研究。

2.1.2 顯微組分對煤吸附性能的影響

顯微組分是煤的主要物質組成部分，是影響煤吸附能力的一個重要因素。研究發現鏡質組發育更多微孔，微孔數量增加，吸附能力增大，而惰質組比鏡質組更親水，水分含量的增加使惰質組吸附性能下降，同時鏡質組孔隙和內表面積均大于其他組分[9]。

煤不同顯微組分含量與吸附量的關系如圖2—4所示，煤鏡質組含量與煤吸附量呈正相關關系，且煤的變質程度越高，其相關性越強，殼質組、惰質組含量與煤吸附量呈負相關關系。由表1可知，高變質階段煤，煤中惰質組及殼質組的含量明顯降低，其對吸附量的影響不大。因此，鏡質組含量越高，煤的吸附能力越強，殼質組、惰質組的存在降低了煤的吸附能力。高煤化階段，煤的吸附能力主要受煤中鏡質組含量的影響。

表1 樣品基礎數據統計表

圖1 煤變質程度與吸附量的關系

圖2 煤鏡質組含量與吸附量的關系

圖3 煤殼質組含量與吸附量的關系

2.1.3 水分對煤吸附/解吸性能的影響

煤中水分占據了煤中孔隙，降低了煤的吸附能力，這一點已得到共識[5-8]。煤水分含量與吸附量的關系如圖5所示，整體上隨著水分含量的增大，吸附量呈減小趨勢，這與前人研究得出的結論基本一致。同時不同地區煤中水分含量對煤吸附能力的影響不盡相同，表現為貴州、四川地區的煤吸附能力受水分的影響明顯強于湖南和重慶地區的煤。水分對煤解吸能力的影響表現為相識的特征(圖6)，水分的升高解吸能力呈降低的趨勢，同時貴州、四川地區煤的解吸能力受水分的影響明顯強于湖南和重慶地區煤。這可能是由于：①隨著煤化程度的增高，煤分子結構單元上極性基團以及水分子占據的煤孔隙減少，煤對水分的吸附能力降低，而CH4分子占據的煤孔隙相對增多，表現為煤的吸附能力增大；②煤中水分產生的毛細管力封堵了瓦斯釋放的通道，使得甲烷分子的運動受阻，從而導致解吸量減小，解吸率降低；③其他因素(如煤的變質)影響了水分對了不同地區煤的吸附、解吸的控制作用。

圖5 煤水分含量與吸附量的關系

圖6 煤水分與解吸量的關系

2.1.4 揮發分對煤吸附性能的影響

揮發分是指煤中有機質的可揮發的熱分解產物，揮發分產率在一定程度上反映了煤的變質程度。由表1，變質程度愈高，煤的揮發分產率愈低。煤揮發分含量與吸附量的關系如圖7所示，煤的吸附能力隨著煤中揮發分含量的增大，呈明顯的降低趨勢。由于煤中揮發分的主要成分為有機質熱分解產物，如一氧化碳、甲烷等可燃氣體及液體，揮發分含量越高，CH4吸附有機質的空間越少，導致煤對CH4的吸附能力越低。

圖7 煤揮發分含量與吸附量的關系

2.1.5 固定碳含量對煤吸附性能的影響

煤的固定碳是指從干煤的質量中減去揮發物與灰分的質量。煤的固定碳含量越高，煤中揮發分和灰分含量越低，煤固定碳含量與吸附量的關系如圖8所示，低-特高固定碳階段，煤的吸附能力隨著煤中固定碳含量的增大，呈明顯的增大的趨勢，這與煤的吸附能力隨煤中灰分、揮發分含量的增大而降低的結論一致。這主要是由于隨著固定碳質量分數的增高，煤中大分子的排列趨于規整，從而導致煤中孔比表面積、孔容比增大，有利于其吸附甲烷[13]。特低固定碳階段，煤的吸附能力隨著煤中固定碳含量的增大而降低，這可能是由于特低固定碳階段，灰分、揮發分等成分占優，抑制了固定碳對吸附性能的提升作用的。

圖8 煤固定碳含量與吸附量的關系

2.2 變形特征對煤吸附性能的影響

根據六盤水礦區大河邊礦4個不同變形類型煤樣繪制的等溫吸附解吸曲線(圖9)?？梢钥闯觯孩匐S著樣品變形程度的增大，煤的吸附能力總體上呈增大的趨勢；②不同變形程度煤初始吸附速率也不盡相同，表現為吸附速率隨著變形程度的增大而增大。

圖9 不同煤體結構等溫吸附解吸曲線

同時，在相同的吸附平衡壓力下，隨著變形程度的增大，煤體瓦斯解吸速率增大，解吸量增加。

這主要是由于煤的變形導致空隙率、中、大孔的體積及變質程度均有所增大[16-18]，氣體更易于吸附，導致吸附的瓦斯量增大，同時煤層卸壓釋放瓦斯的初速度以及累積解吸量也增加。

2.3 溫度對煤吸附性能的影響

煤體吸附瓦斯的過程是放熱過程，而瓦斯氣體的解吸過程是吸熱過程。隨著溫度的升高，解吸率增大，溫度降低抑制了解吸作用[16-18]。

選取了貴州六盤水礦區DHB-3樣品，實驗溫度條件分別為25℃、30℃、35℃，進行不同溫度條件下的等溫吸附解吸實驗(圖10)。隨著實驗溫度的升高，煤的吸附量變小，煤的吸附能力降低，實驗數據表現為煤的Langmuir常數a減小，同時解吸過程中煤的解吸率增大(表2)。說明溫度升高，甲烷分子活性增強，導致有機質對甲烷分子的吸附能力降低。

圖10 不同實驗溫度DHB-3樣吸附解吸曲線

溫度/℃吸附a/(m3?t-1)b/MPa解吸a/(m3?t-1)b/MPa解吸率/%2515.6913.1815.1651.6896.643015.1872.9014.6693.0396.593513.0882.8212.7882.8897.71

2.4 壓力對煤吸附性能的影響

研究認為吸附平衡瓦斯壓力越大，能夠進入煤體裂隙的瓦斯分子數量越多，吸附能力越大[11，20]。

不同壓力下煤的吸附量如圖11所示，煤的吸附能力隨實驗壓力升高而增大，且變形程度越高，吸附量受壓力變化的影響越大，當壓力升到一定值時，吸附量趨于穩定，且不再增加。這與多數學者得出的結論基本一致。

圖11 不同壓力下煤的吸附量

不同壓力條件煤的吸附量、解吸量、解吸率見表3，隨著解吸壓力的增大，煤的解吸率降低，且解吸速率也在減小。這可能是由于實驗壓力的增大，CH4分子間空隙變小，單位空間內CH4分子數量增多，煤孔、裂隙中CH4分子密度增大，同時部分CH4分子開始進入低壓條件下無法進入的微孔隙，導致解吸更加困難。

表3 不同壓力條件煤的吸附量、解吸量、解吸率統計表

3 結 論

1)煤的吸附/解吸性能受煤自身特征(變質程度、煤質、變形程度)及外界條件(實驗溫度、壓力)等多種因素的共同影響。

2)中變質階段，煤的吸附能力與變質程度呈正相關。高變質階段呈負相關，Ro，max在3%左右吸附能力最強。煤的吸附能力與鏡質組含量呈正相關，與惰質組、殼質組含量呈負相關，高煤化階段，吸附能力主要受煤中鏡質組含量的影響。煤中水分、揮發分的存在降低了煤的吸附性能，且水分對不同地區煤吸附能力的影響不盡相同。

低-特高固定碳階段，煤的吸附能力與固定碳含量呈正相關關系，特低固定碳階段，煤的吸附能力由于灰分、揮發分等成分含量的增大，抑制了固定碳對吸附性能的提升作用。

3)變形程度越高，吸附、解吸能力越強，初始吸附、解吸速率、解吸量越大。

4)溫度升高，吸附能力降低，解吸能力增強，解吸率增大；壓力升高，吸附能力增強，解吸能力減弱，當壓力升達到一定值時，吸附量趨于穩定。