溫度及含水量對(duì)煤吸附甲烷特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

林海飛，姚 飛，李樹(shù)剛，趙鵬翔，潘紅宇，成連華，李 莉

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安710054;2.山西和順天池能源有限責(zé)任公司，山西晉中032700)

近年來(lái)，越來(lái)越多的礦井進(jìn)入深部開(kāi)采階段，導(dǎo)致煤層瓦斯含量增大，瓦斯災(zāi)害也日益嚴(yán)重［1－2］。為防治瓦斯災(zāi)害，制定科學(xué)合理的瓦斯抽采方案，需要準(zhǔn)確測(cè)定煤層原始瓦斯含量等參數(shù)［3］。測(cè)定煤層瓦斯含量主要有直接法與間接法，前者由于試樣在采集過(guò)程中的瓦斯損失量補(bǔ)償方法影響因素較多，使測(cè)定值與實(shí)際值相比有一定誤差［4－5］。因此目前煤礦現(xiàn)場(chǎng)一般采用間接法，但是煤體瓦斯吸附的影響因素及程度仍存在諸多問(wèn)題［6－7］。本文采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析法，研究水分、溫度等對(duì)煤吸附解吸瓦斯的影響，這對(duì)于完善間接法測(cè)定瓦斯含量具有重要意義。

1 煤樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 煤樣的制作

選取山西某礦 (煤樣1)及陜西某礦 (煤樣2)的原煤作為本次實(shí)驗(yàn)的煤樣。從井下采集新鮮煤樣后，對(duì)原煤樣進(jìn)行粉碎，篩分成60～80目;把煤樣放入干燥箱中干燥3h，然后稱取一定重量的干煤樣。進(jìn)行不同含水量實(shí)驗(yàn)的煤樣，采用將干煤樣人工加濕方法實(shí)現(xiàn)，即將加濕后的煤樣充分?jǐn)嚢韬螅M(jìn)行稱重，計(jì)算其含水量。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院生產(chǎn)的WY－98B型瓦斯吸附常數(shù)測(cè)定儀，稱取制備好的煤樣30g左右，裝入儀器吸附罐中，放好密封圈。吸附平衡時(shí)間為3～7h，初始吸附壓力0.7～5.5MPa。煤樣1進(jìn)行不同溫度的煤吸附甲烷實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為20℃，30℃，40℃，50℃;煤樣2進(jìn)行不同含水量的煤吸附甲烷實(shí)驗(yàn)，含水量為0%，1%，2.1%，6.1%，實(shí)驗(yàn)溫度30℃。

2 溫度對(duì)煤吸附甲烷的影響

2.1 甲烷吸附實(shí)驗(yàn)及其等溫線

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出不同溫度下煤樣的吸附等溫線(圖1)，其擬合方程如表1所示 (表中X為甲烷吸附量，p為甲烷壓力)。由表1可知，煤樣1在不同溫度下吸附等溫線可用Langmuir方程來(lái)描述。

圖1 不同溫度下的吸附等溫線

表1 不同溫度下的吸附等溫線擬合方程

2.2 溫度與吸附常數(shù)a，b的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將吸附常數(shù)a，b值隨溫度t變化的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)吸附常數(shù)a，b隨溫度t的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，其擬合關(guān)系式見(jiàn)表2。

圖2 吸附常數(shù)a，b隨溫度t的變化

表2 吸附常數(shù)a，b與溫度t關(guān)系式

根據(jù)以上擬合結(jié)果可見(jiàn)，溫度 t在［20℃，50℃］范圍內(nèi)變化時(shí)，可以認(rèn)為常數(shù)a，b隨溫度t變化的關(guān)系近似滿足如下關(guān)系式:

式中，C0，C1，D0，D1是根據(jù)煤樣在不同溫度條件下實(shí)驗(yàn)擬合得到的常數(shù)項(xiàng)，由煤體自身性質(zhì)決定。

由于煤對(duì)甲烷吸附主要以物理吸附為主，其吸附速度越快，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)越易達(dá)到平衡，且為放熱過(guò)程。所以，針對(duì)同一種煤體，a值隨溫度升高，逐漸降低，而b值隨溫度升高，逐漸增大。

2.3 溫度影響校正系數(shù)的確定

基于不同溫度條件下吸附常數(shù)a和b值，分別計(jì)算出在甲烷壓力為1MPa，2MPa，3MPa，4MPa，5MPa，6MPa時(shí)的吸附甲烷量 X1，X2，X3，X4，X5和X6，以30℃的校正系數(shù)為1，求出不同溫度和甲烷壓力下的溫度影響校正系數(shù)值如表3所示。

表3 不同溫度和甲烷壓力下的溫度影響校正系數(shù)

由表3可知，相同甲烷壓力下，甲烷吸附量皆隨溫度的增加而減小，即溫度影響校正系數(shù)逐漸變小。圖3為溫度校正系數(shù)隨溫度的變化，圖中點(diǎn)為在該溫度條件下校正系數(shù)的平均值。由圖3可知，隨溫度t的增加溫度校正系數(shù)ηt呈減小趨勢(shì)，溫度校正系數(shù)ηt隨溫度t變化的關(guān)系近似滿足如下關(guān)系式:

式中，A0，A1是根據(jù)曲線擬合得到的常數(shù)項(xiàng)，由煤體自身性質(zhì)所決定常數(shù)。

圖3 溫度校正系數(shù)隨溫度的變化

3 含水量對(duì)煤吸附瓦斯的影響

3.1 不同含水量的等溫吸附曲線

圖4所示為煤樣2在不同含水量條件下的等溫吸附曲線 (擬合方程見(jiàn)表4，表中X為甲烷吸附量，p為甲烷壓力)。由表4可知，不同含水量下的吸附等溫線可近似用Langmuir方程來(lái)表示。由圖4可得到，相同甲烷壓力下，甲烷吸附量隨含水量增加而減小，主要原因是含有一定水分時(shí)，煤表面對(duì)水的吸附能力高于甲烷，水分在煤表面比甲烷優(yōu)先吸附，占據(jù)了一定的煤表面空間，減少了甲烷吸附空間，降低了甲烷的吸附量。

圖4 不同含水量下的等溫吸附曲線

表4 不同含水量下的吸附等溫線擬合方程

3.2 含水量與吸附常數(shù)a，b的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)吸附常數(shù)a，b值隨含水量變化的關(guān)系進(jìn)行擬合作圖，結(jié)果如圖5所示。由圖可見(jiàn)隨含水量的升高煤對(duì)甲烷的吸附量變小，煤的Langmuir常數(shù)a隨含水量的增大而單調(diào)遞減。而吸附常數(shù)b值隨含水量W沒(méi)有可以遵循的固定關(guān)系式。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)吸附常數(shù)a隨含水量W的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，其擬合關(guān)系式見(jiàn)式 (4)。

圖5 吸附常數(shù)a，b隨含水量的變化

綜上可知，吸附常數(shù)a隨含水量W變化的關(guān)系近似滿足如下關(guān)系式:

式中，B0，B1是煤樣在不同平衡水分條件下根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合得到的常數(shù)，由煤自身性質(zhì)所決定。

3.3 水分影響校正系數(shù)的確定

基于煤樣2不同含水量的吸附常數(shù)a和b值，分別計(jì)算出在甲烷壓力為1MPa，2MPa，3MPa，4MPa，5MPa，6MPa時(shí)的吸附甲烷量X1，X2，X3，X4，X5和X6，以干煤樣的校正系數(shù)為1，求出不同含水量和不同甲烷壓力下的水分影響校正系數(shù)值如表5所示。

由表5可知，在相同甲烷壓力下，甲烷吸附量隨含水量的增加而減小，即水分影響校正系數(shù)逐漸變小。為得出含水量和水分校正系數(shù)的關(guān)系式，根據(jù)某一含水量下的平均水分校正系數(shù)ηw，在1/ηw－W坐標(biāo)系中作圖，得出煤樣2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)值，如圖6所示。由圖看出，各試驗(yàn)點(diǎn)分布呈一條經(jīng)過(guò)縱坐標(biāo)為1的直線，其表達(dá)式如式 (6)所示。

表5 不同含水量和甲烷壓力下的溫度影響校正系數(shù)

圖6 水分校正系數(shù)的倒數(shù)隨含水量的變化

式中，K0是根據(jù)曲線擬合得到的常數(shù)，由煤自身性質(zhì)所決定。

4 溫度及含水量對(duì)煤層瓦斯含量的影響

4.1 溫度對(duì)煤層瓦斯含量的影響

根據(jù)煤體吸附甲烷含量隨溫度的變化規(guī)律及溫度影響校正系數(shù)的表達(dá)式，并結(jié)合Langmuir等溫吸附方程，進(jìn)而得出在相同壓力條件下，煤層瓦斯含量隨溫度的變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 溫度與煤層瓦斯含量的關(guān)系

如圖7中所反映的變化規(guī)律，煤層瓦斯含量與溫度之間存在負(fù)指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，結(jié)合公式 (3)可得，煤層瓦斯含量與溫度影響校正系數(shù)之間滿足如下關(guān)系式:

式中，Q為煤層瓦斯含量，m3/t;Q20為在煤層瓦斯壓力一定條件下，在20℃進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)的煤樣吸附甲烷量，m3/t。

4.2 含水量對(duì)煤層瓦斯含量的影響

綜合煤體吸附甲烷量隨含水量的變化規(guī)律、水分影響校正系數(shù)及Langmuir方程，進(jìn)而得出在相同壓力條件下，煤層瓦斯含量隨水分的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 含水量與煤層瓦斯含量的關(guān)系

由圖8結(jié)合公式 (6)可得，煤層瓦斯含量與水分影響校正系數(shù)之間滿足如下關(guān)系式:

式中，Q0為在煤層瓦斯壓力一定條件下，干燥煤樣進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)的吸附甲烷量，m3/t。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)不同溫度條件下的煤吸附甲烷實(shí)驗(yàn)得出，吸附常數(shù)a隨著溫度升高而降低，兩者呈負(fù)指數(shù)關(guān)系;吸附常數(shù)b隨著溫度的升高而增大，兩者呈正指數(shù)關(guān)系。

(2)在分析不同含水量煤樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出煤樣含水量與吸附常數(shù)a之間呈一次線性關(guān)系，而與吸附常數(shù)b之間沒(méi)有固定的關(guān)系式。

(3)溫度校正系數(shù)隨溫度升高而降低，兩者之間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系;水分校正影響系數(shù)的倒數(shù)與煤樣含水量之間呈線性遞增變化。

(4)得到煤層瓦斯含量與溫度及水分之間的變化規(guī)律及其與溫度影響校正系數(shù)及水分影響校正系數(shù)之間的關(guān)系式。

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