煤中瓦斯吸附渗透理论及实验研究＊

姚有利

（1.山西大同大学工学院，山西省大同市，037003；2.中国矿业大学 （北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京市海淀区，100083）

我国高瓦斯煤层普遍具有较高的吸附能力，这种窒息性和爆炸性的气体往往又是造成煤矿井下发生重大瓦斯爆炸事故的根源，当其直接向空气中排放时既浪费资源又会引起严重的环境污染。瓦斯吸附解吸和渗透规律是瓦斯抽采和瓦斯灾害防治的基础。本研究对于改进现有的抽采方法并提高抽采水平，对于煤与瓦斯的突出预测和煤矿瓦斯灾害的防治均具有重要的理论意义和实际应用价值。

1 实验方案

本实验系统主要由通气装置、温度控制系统、等温吸附解吸系统和数据采集与处理系统组成，计算机采集与处理系统每秒钟记录一组罐内瓦斯压力。因本套系统正在申请专利过程中，不便在此展开叙述。本文采用容量法并在实验装置中增设参考罐来测量瓦斯吸附解吸量，自制了3种不同粒度煤样 （取自同一煤层），让煤样分别在不同压力下进行吸附解吸实验，然后进行分析比较。

实验前做好煤样的采集与制备工作、等温吸附系统的气密性检查及样品罐、参考罐及自由空间体积的测定。样品罐用来放置待研究的煤样，参考罐用来辅助测定自由空间体积和瓦斯吸附量。样品罐体积和参考罐体积包括罐体积、接头、阀门导气管道的通径体积之和。

2 实验内容

2.1 实验目的及步骤

该实验的目的是研究恒定压力下的煤体瓦斯动态吸附规律，建立煤的瓦斯吸附量数学模型。实验的关键步骤是在实验压力下，每当样品罐内初始压力下降了一微小值△P 时，向样品罐充入甲烷，使其压力回复到初始压力继续吸附，如此循环充气n次，计算在此过程中的累计瓦斯吸附量。

2.2 吸附量的计算

吸附量的计算分两部分。

（1）第一部分是样品罐与参考罐没有贯通时的吸附量：

式中：Qj——第j 秒煤样吸附甲烷量，ml／g；

Qj-1—— 第j-1秒煤样吸附甲烷量，ml／g；

pj——第j 秒样品罐自由空间瓦斯压力，MPa；

pj-1—— 第j-1秒样品罐自由空间瓦斯压力，MPa；

vf——样品罐的自由空间体积，ml；

P0——标准状态大气压力，MPa；

G—— 煤样质量，g；

T—— 试验温度，K；

T0——标准状态温度，即273K。

（2）第二部分是样品罐与参考罐贯通瞬间的吸附量，即参考罐甲烷的减少量减去样品罐自由空间甲烷的增加量，甲烷吸附量计算公式：

式中：Qi——第i秒煤样吸附甲烷量，ml／g；

Qi-1——第i-1秒煤样吸附甲烷量，ml／g；

Pir——第i秒参考罐内压力，MPa；

Pir-1——第i-1秒参考罐内压力，MPa；

Pi——第i次秒样品罐自由空间压力，MPa；

Pi-1——第i-1 秒样品罐自由空间压力，MPa；

Vr——参考罐体积，ml；

Vf——样品罐的自由空间体积，ml。

3 实验数据处理与分析

3.1 基本参数测定结果

吸附罐体积的测定可分为两组：第一组吸附罐包括1号罐 （参考罐）和2号罐 （样品罐），第二组吸附罐包括3 号罐 （样品罐）和4 号罐 （参考罐）。罐体积测定结果如表1所示。3 种不同粒度煤样自由空间体积测定结果如表2所示。

表1 罐体积测定结果 ml

表2 煤样自由空间体积测定结果

3.2 吸附实验实测曲线

通过软件数据处理，发现在各个动态压力点下吸附量曲线与吸附时间t的函数曲线f （t）=a ｛1-exp ［- （t／b）0.4］｝ （简称时间函数）比较吻合，通过调整a、b 值，得到如图1 和图2 所示1号煤样1.5MPa动态压力点的吸附量实测曲线与时间函数曲线拟合图和吸附量与时间函数线性相关图。

图1 1号煤样 （1.5 MPa）吸附量实测曲线与时间函数曲线拟合图

图2 吸附量与时间函数线性关系

吸附量与时间函数f （t）线性相关系数R2达到0.99以上，说明实测曲线与时间函数f （t）曲线拟合程度较高。由此得出瓦斯吸附数学模型：

式中：Q——煤样累计吸附甲烷量，ml／g；

a、b——参数；

t——时间，s。

随着时间的延长，瓦斯的吸附量趋于某一定值，该定值就是最大吸附量a，故a 的单位为ml／g，b单位为s。此公式适用于煤的初始吸附量为零的情况。

3.3 吸附量分析和吸附速率分析

为便于找出参数a、b与吸附量大小、粒度大小、吸附速率的关系，现将参数a、b值对比分析，相同粒度的煤样在不同压力下的吸附量与时间的函数曲线和不同粒度的煤样在相同压力下的吸附量与时间的函数曲线如图3、图4所示。

由图3可知，对比分析2＃煤样和3＃煤样在不同压力下a值的大小，在0.55MPa和1.5MPa压力下，2＃煤样 （粒度较大）对应的a 值分别为2.85和6.5，3＃煤样 （粒度较小）对应的a值分别为2.68 和6.9，可以明显看出相同粒度煤样，压力越大，a值越大，a 是与吸附压力正相关的物理量。a的物理意义是煤的饱和吸附量，粒度小，则比表面积大，吸附量会增大，但是试验数据显示的差异过大，造成这种现象的原因可能是粒径大的煤样空隙大，试验开始时刻，瓦斯向大的空隙流动，煤样压力不均匀，误以为瓦斯被吸附了，继续加压，造成粒径大的煤样瓦斯吸附量和粒径小的瓦斯吸附量差异比较大。

图3 2号煤样和3号煤样在不同压力下的吸附量对比图

图4 不同粒度的煤样在相同压力下的吸附量与时间的函数曲线对比 （1.5MPa）

由图4可知，对比分析1＃、2＃、3＃煤样在压力为1.5 MPa下b 值分别为18、2、0.16，可以明显看出粒度不同压力相同的煤样，粒径越大，b值越大，并且相同粒径不同压力下b值不变，由此可得，b值是与煤体粒度有关的物理量，粒度的大小影响吸附达到平衡的所用时间长短，即影响吸附速率大小，粒度越小，达到吸附平衡所用时间越短，吸附速率越快，b值越小；反之，达到吸附平衡时间越长，吸附速率越慢，b值越大。

4 结论

（1）确定了实验方案，采用容量法并在实验装置中增设参考罐的方案来间接测量瓦斯的吸附解吸量。

（2）设计采用定压动态吸附解吸实验法来测量瓦斯吸附解吸量。

（3）建立了煤的瓦斯吸附解吸量的数学模型。本实验采用的是单一煤质的煤粉，因此此模型适用于破碎煤体的吸附解吸过程，是否适用于其他破碎或完整煤质的煤体，有待验证。

（4）对等温吸附实验数据进行处理，分别得到3种不同粒度的煤样在不同初始压力下的压力随时间变化曲线和吸附解吸量随时间的变化曲线，对比分析各种曲线，绘制定压动态吸附解吸实验曲线，得出了瓦斯吸附速率与煤体粒度之间存在关系为煤样的粒度越小，吸附解吸速率就越大。

［1］ 于不凡，王佑安等.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 ［M］.煤炭工业出版社，2000

［2］ 俞启香.矿井瓦斯防治 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1992

［3］ 周薄岗，李圆江.特殊煤层综放开采抽放瓦斯技术分析 ［J］.煤矿安全，2003 （6）

［4］ 房耀洲，刘明举等.我国煤矿事故特征及对策研究［J］.煤炭技术，2007 （12）

［5］ 周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论 ［M］.北京：煤炭工业出版社，1999

［6］ 陈昌国，辜敏，鲜学福.煤层甲烷吸附与解吸的研究发展 ［J］.中国煤层气，1998（1）

［7］ 姚春雨，陈国奇，陈飞.残存瓦斯含量测定过程中瓦斯吸附常数a、b值的合理性选取分析 ［J］.中国煤炭，2012 （8）

［8］ 周理，李明，周亚平.超临界甲烷在高表面活性炭上的吸附测量及其理论分析［J］.中国科学，2000 （1）

［9］ 邬剑明，闫凯，郭凯.不同孔隙应力下瓦斯吸附与解吸初速率研究 ［J］.中国煤炭，2010（4）

［10］ 刘海燕等.甲烷在高比面活性炭上的脱附行为的研究 ［J］.天然气化工，1999 （3）

［11］ 温斌等.甲烷在特制活性炭上的吸附性能 ［J］.应用化学，1999 （3）