沁水盆地寺河煤矿煤岩吸附甲烷规律实验研究

张振兵，邱小龙，袁月琴，李向峰，郝 琦，王 军

(贵州省地质矿产开发局 一一三地质大队，贵州 六盘水 553001)

沁水盆地寺河煤矿煤岩吸附甲烷规律实验研究

张振兵，邱小龙，袁月琴，李向峰，郝 琦，王 军

(贵州省地质矿产开发局 一一三地质大队，贵州 六盘水 553001)

煤储层具有大量的裂隙和孔隙，使煤岩具有很大的比表面积，为煤中甲烷的吸附提供了必要条件。采用自主研发的煤层气吸附装置，通过对沁水盆地寺河煤矿不同粒径煤粉的吸附性模拟实验，总结了不同粒径煤粉在吸附甲烷12 h内的吸附规律，计算出其中吸附气量，研究了吸附速率、吸附量的变化规律。研究认为：吸附的前10 min，吸附量占总吸附量的40%～60%，煤粉粒径越小，所占的比例越大，吸附越快；不同粒径煤粉的吸附量为15.1～29.1 mL/g，煤粉粒径越小，单位质量煤粉吸附量越大。通过对煤岩吸附规律的深入研究，为沁水盆地煤层气的勘探开发提供技术支持。

吸附速率；吸附量；比表面积；煤岩；甲烷；沁水盆地

煤层气是一种赋存在煤中的非常规天然气，开发和利用煤层气资源不仅能缓解我国能源紧张的局势，还能有效地减少瓦斯事故的发生率，是绿色、安全、清洁的后备能源。煤层气以游离态和吸附态赋存，其中主要以吸附的状态分布在煤岩基质中[1-10]。前人在Langmuir理论基础之上进行了大量的甲烷吸附规律研究[11-16]，但对煤岩中甲烷吸附规律的深入研究还较少。本文以沁水盆地寺河煤矿煤岩为研究对象，选取不同尺寸的煤岩颗粒为实验样品，测试分析了不同尺寸煤岩颗粒的吸附规律，旨在为煤层气的勘探、开发提供技术支撑。

1 实验

1.1 样品及实验条件

本实验以沁水盆地寺河煤矿煤岩为研究对象，根据实验的要求将煤块粉碎，对不同尺寸的煤岩颗粒进行实验，实验样品编号及基本性质见表1。

为了模拟现场实际条件下的甲烷吸附状态，实验采用高纯度的甲烷气体，甲烷吸附压力为5 MPa，实验温度25 ℃，吸附时间12 h。

1.2 实验设备及方法

实验使用的煤岩吸附仪(型号为CBMXF-1)为成都理工大学自主研发的实验装置，该装置具有恒温功能, 能将整个实验过程中温度恒定在25 ℃；主要由压力容器、测试容器、计量容器、回压阀、数据采集系统组成。

表1 实验样品

实验方法采用高压容量法。主要实验过程包括以下几个步骤：(1) 首先进行气密性检测，并进行压力容器罐死体积(自由体积)的确定；(2)开启数据采集系统，启动恒温设备；(3)接通甲烷气瓶，在5 MPa下吸附甲烷12 h；(4)吸附甲烷后，导出吸附数据，打开放空阀将甲烷缓慢排出并点燃，清洗压力容器。

2 实验结果及分析

2.1 吸附速率随吸附时间的变化规律

实验测试了4种不同粒径的煤粉在相同吸附条件下的吸附速率(图1)。研究发现，在吸附的前10 min，煤粉粒径越小，吸附速率越大，后期煤粉粒径对煤岩吸附速率影响较小。主要是由于煤粉破碎后，煤岩孔隙空间破坏，煤粉中甲烷的吸附空间减小，因此不同粒径煤粉后期的吸附速率相差不大。

2.2 不同粒径煤粉吸附量

通过煤粉吸附量计算，得到不同粒径煤粉吸附量(表2)。从表2中可以看出，煤粉粒径越小，煤岩比表面积越大，单位质量煤粉吸附量越大，总体来说不同粒径煤粉的吸附量在15.1～29.1 mL/g。

分析吸附前10 min的压力降，计算吸附的前10min的吸附量，统计分析得到吸附前10min的吸附量占总吸附量的40%～60%(图2)。

图1 不同粒径煤粉吸附速率对比

样品编号吸附初始压力/MPa吸附12h后压力/MPa煤粉吸附量/(mL·g-1)J3-15.4464.8415.1J3-25.2184.7625.4J3-35.1174.8526.2J3-45.3264.8929.1

分析最后吸附30 min的压力变化，计算出了最后30 min内吸附量(表3)。可以看出，粒径越大，吸附达到饱和的时间也越长，但是总体上煤岩的吸附主要集中在前10 min，后期吸附较少，可以认为煤岩是准饱和吸附。

2.3 不同比表面积下甲烷吸附速率

煤粉粒径越小，煤岩中的孔隙和裂隙破坏越多，使煤岩表面裸露的面积增大，比表面积也随之增大。根据实验数据，统计了甲烷与不同粒径煤粉接触时的吸附速率，随着比表面积增大，在单位时间内，甲烷的吸附速率也增大，且呈指数关系变化(图3)。

3 结论

(1)通过测试4种不同粒径的煤粉在相同吸附条件下的吸附速率，实验数据对比发现，在吸附的前10 min，煤粉粒径越小，吸附速率越大，后期煤粉粒径对煤岩吸附速率影响较小。

图2 不同粒径煤粉前10 min的吸附量占总吸附量百分比

样品编号最后30min吸附容器中的压力降/MPa最后30min煤粉吸附量/(mL·g-1)最后30min单位质量煤粉吸附速率/(mL·g-1·min-1)J3-10.45.680.006J3-20.34.410.005J3-30.23.800.004J3-40.22.910.003

图3 吸附速率随比表面积变化规律

(2)通过吸附压力降低计算，得到不同粒径煤粉吸附12 h的单位质量甲烷的吸附量为15.1～29.1 mL/g；煤粉粒径越小，煤岩比表面积越大，单位质量煤粉吸附量越大。

(3)随着比表面积增大，在单位时间内，甲烷的吸附速率也增大，且呈指数关系变化。

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(编辑 徐文明)

Experimental study on methane adsorption of coal bed from Sihe Mine in Qinshui Basin

Zhang Zhenbing, Qiu Xiaolong, Yuan Yueqin, Li Xiangfeng, Hao Qi, Wang Jun

(Brigade 113, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Exploration & Development, Liupanshui, Guizhou 553001, China)

Due to abundant racks and pores, coal bed has a huge specific surface area which provides the necessary conditions for the adsorption of methane in coal. A case study was made in the Sihe Mine in the Qinshui Basin. Using the self-developed CBM adsorption experiment instrument, the absorption rules (including rate and amount) within 12 h of methane in coal of different sizes were studied. The absorption amount during the prior 10 minutes accounts for 40%-60% of total absorption amount. Moreover, the smaller the coal particle is, the bigger proportion the small particle accounts for, the faster the methane is absorbed. The adsorption capacities for different coal sizes range from 15.1 to 33.6 mL/g. The smaller the coal particle is, the more methane is absorbed in coal per unit. The study of the adsorption law of coal bed provides technological supports for the exploration and development of the Qinshui Basin.

adsorption rate; adsorption amount; specific surface area; coal; methane; Qinshui Basin

1001-6112(2014)05-0656-03

10.11781/sysydz201405656

2014-01-05；

2014-08-05。

张振兵(1966—)，男，工程师，从事煤田地质勘探工作。E-mail: 1240180798@qq.com。

TE132.2

A