加压速率对不同变质程度煤吸附性能的影响研究

加压速率对不同变质程度煤吸附性能的影响研究

姜黎明1,2，张浪1,2，汪东1,2，季文博1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；

2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

[摘要]为研究不同加压速率对吸附性能的影响，采用美国康塔仪器公司研制的iSorb HP2高压气体吸附分析仪对门克庆矿、沙曲二矿、阳泉五矿3种不同煤阶煤样，进行了不同加压速率下的瓦斯吸附常数对比测试。结果表明，加压速率对瓦斯吸附常数影响非常明显；对特定煤阶煤样，随着加压速率增大，吸附常数a有减小趋势，吸附常数b有增大趋势，煤阶越高，瓦斯吸附常数受加压速率的影响程度越大。因此，对于不同煤阶煤样，加压速率应适当调整，以提高其指导现场应用的作用。

[关键词]加压速率；变质程度；吸附性能；吸附常数

[中图分类号]TD712[文献标识码]A

[收稿日期]2014-08-12

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

[基金项目]国家科技重大专项资助项目(2011ZX05040-001-1)；国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB201206)

[作者简介]姜黎明(1989-)，女，山东单县人，硕士研究生，助理工程师,从事矿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，张浪，汪东，等.加压速率对不同变质程度煤吸附性能的影响研究[J].煤矿开采，2015，20(1)：17-19，29.

煤是一种具有复杂孔隙结构的多孔介质，含有大量的孔隙，大到断层、层理面等宏观裂隙，小到分子或原子微观缺陷。煤孔隙表面对瓦斯有较强的吸附能力，并且以物理吸附为主。在煤矿开采过程中，矿井瓦斯是导致煤与瓦斯突出的主要因素之一，同时也可作为煤层气的来源，研究在不同物理结构特性下煤的吸附规律，可获得煤层中瓦斯运移和聚集的规律，同时对于研究煤与瓦斯突出机理也十分重要。煤对气体的吸附能力受多种因素的影响，等温吸附试验获得的Langmuir体积和压力是在某一温度下的吸附值，实验中最大的误差来源是实验条件，主要包括温度、压力、水分、吸附气体组分、吸附煤阶以及煤的粒度等等。前人对此进行了深入的研究，陈青等探讨了低压点对吸附常数的影响；王文林等探讨了吸附平衡时间对不同变质程度煤的等温吸附试验影响；李树刚等研究了不同含水量对煤吸附甲烷的影响关系,并拟合出关系式；张晓东等研究了不同粒度对吸附常数的影响；张天军等研究了温度对煤吸附性能的影响；钟玲文、张群等研究了煤在温度和压力综合影响下的吸附性能；张庆玲等[8-9]论证了吸附相体积的校正问题；陈向军等[10-11]研究了孔径对不同变质程度煤吸附常数的影响。目前，鲜见研究加压速率对煤的吸附常数的影响，以及影响的机理。为此，对不同变质程度煤的不同加压速率进行了吸附甲烷气体实验，通过比较吸附实验结果，分析加压速率对吸附的影响。

1煤的工业分析

为了考察加压速率对不同变质程度煤吸附性能的影响程度，选择门克庆矿3-1号煤(MKQ)、沙曲二矿4号煤(SQ)、阳泉五矿8号煤(YQ)的煤样进行不同加压速率下的等温吸附实验，各煤样的工业组分测定结果如表1所示。采用煤炭行业标准《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》开展相关的实验，为排除实验过程中的不规范操作和降低试验误差，统一规范实验条件和设置平行煤样，并在同一条件下同时进行测定。

表1　煤层煤样的工业组分测定结果

2测定方法

2.1　实验原理

本次等温吸附实验方法是容量法，其测定原理是：煤中大量的微孔内表面具有表面能，当气体与内表面接触时，分子的作用力使甲烷或其他多种气体分子在内表面上发生浓集，称为吸附。气体分子浓集的数量渐趋增多，为吸附过程；气体分子复返回自由状态的气相中，表面上气体分子数量渐趋减少，为脱附过程。表面上气体分子维持一定数量，吸附速率和脱附速率相等时，为吸附平衡。煤的吸附量一般用Langmuir单分子层气体吸附模型来描述，煤的吸附气体与游离气体随着压力、温度的改变可以相互转化，在温度一定的条件下，通过Langmuir方程来计算吸附量(Q)。即

(1)

(2)

式中，P为甲烷气体的压力，MPa；Q为在压力P下煤的吸附量，cm3/g，VL为Langmuir压力，mL；PL为Langmuir压力，MPa；a为吸附常数，cm3/g，当P→∞时，即为饱和吸附量；b为吸附常数，MPa-1。

2.2　实验方法

为了分析不同变质程度煤样在不同加压速率下的吸附能力差异，对已选煤样进行瓦斯吸附实验，试验采用美国康塔仪器公司研制的iSorb HP2高压气体吸附分析仪，按照MT/T752-1997标准进行。iSorb HP2高压气体吸附分析仪主要用于对储气材料吸附机理进行研究，可全自动地得到材料从低压到高压全面的吸附解吸性质的表征。其吸附质为纯度达99.99%的甲烷气体，实验温度为10～70℃，最高实验压力为20MPa。此仪器的煤样吸附解吸实验步骤为：

(1)煤样制备。将实验煤样粉碎并筛分为0.20～0.25mm，置于红外干燥箱进行干燥处理，约6h左右取出，立即放入干燥器内冷却保存。

(2)煤样脱气。用电子天平称取3g精确到0.0001g的干燥煤样装入样品池，把装有煤样的样品池加装垫片安装在仪器上，并用活口扳手拧紧，保证其气密性，在分析软件中录入煤样的基本数据，并设置60℃的恒温条件，进行脱气抽真空过程，脱气进行到文件设置的过程后自动结束。

(3)煤样吸附平衡。脱气过程结束后设置吸附分析文件，对煤样进行30℃恒温条件下的吸附分析。

(4)当全过程的吸附试验结束后，即可进行结果输出，分析软件将自动录入的信息进行计算并显示试验结果和吸附等温曲线。

3测试结果及分析

对3个矿的煤样在不同加压速率下进行吸附等温测试，实验最大压力为8MPa，实验温度为30℃，根据Langmuir 方程解算出煤样的瓦斯吸附常数a，b值。实验结果分别如图1～图3和表2所示。

图1　门克庆矿煤样在不同加压速率下的吸附等温曲线

图2　沙曲二矿煤样在不同加压速率下的吸附等温曲线

图3　阳泉五矿煤样在不同加压速率下的吸附等温曲线

表2　不同加压速率下煤样的吸附常数

由图1～图3可知，门克庆矿、阳泉五矿煤样的瓦斯吸附量在0～4MPa阶段增长迅速，在高压阶段趋于平缓，沙曲二矿煤样的瓦斯吸附量增长缓慢。说明煤样的瓦斯吸附难易程度不同，门克庆矿、阳泉五矿煤样容易吸附瓦斯，沙曲二矿煤样不易吸附瓦斯。在实际的煤矿生产或瓦斯抽采过程中，对于不易解吸的煤，需要采取措施以利于瓦斯释放。而压力在0～4MPa之间时，加压速率对3种不同变质程度煤的影响程度不同，影响最大的是门克庆长焰煤，其次是阳泉五矿长焰煤，最后为沙曲二矿焦煤。根据表2的实验结果，对吸附常数a，b随加压速率变化的关系进行拟合(见图4～图5)。由图4可知，随着加压速率的增大，煤对甲烷的吸附量逐渐变小，a随加压速率的增大呈单调递减趋势。对吸附常数a与加压速率的关系进行拟合得到3类煤样的拟合关系式。

门克庆矿长焰煤：a=-0.03596x+25.94

沙曲二矿焦煤：a=-0.05027x+34.97

阳煤五矿无烟煤：a=-0.04337x+47.79

由图5可知，吸附常数b与加压速率之间没有明显的规律。

图4　吸附常数a随加压速率的变化

图5　吸附常数b随加压速率的变化

4结论

根据3种不同变质程度的煤进行的等温吸附实验，煤样在恒温、不同加压速率条件下对甲烷的吸附实验表明，不同变质程度煤的吸附常数变化量的大小不同，随着加压速率的增加，煤对甲烷的吸附量逐渐减小，减小幅度与煤的变质程度有一定关系。

(1)吸附常数a的大小顺序为：无烟煤﹥焦煤﹥长焰煤；b的大小顺序为：无烟煤﹥焦煤﹥长焰煤。经过比较可知，门克庆矿长焰煤、沙曲二矿焦煤以及阳泉五矿无烟煤等3种不同变质程度煤的适用的加压速率分别为：33.3Pa/s，100Pa/s和133.3Pa/s。

(2)吸附常数a随加压速率的增大而减小，变质程度越高，加压速率对a的影响越大。

(3)对吸附常数a与加压速率的关系进行拟合得到3种不同变质程度煤样的拟合关系式，分别为：门克庆矿长焰煤，a=-0.03596x+25.94；沙曲二矿焦煤，a=-0.05027x+34.97；阳煤五矿无烟煤，a=-0.04337x+47.79。而吸附常数b与加压速率之间没有明显的规律。

[参考文献]

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张庆玲,曹利戈.煤的等温吸附测试中数据处理问题研究.煤炭学报，2003，28(2):131-135.

张庆玲，崔永君，曹利戈.煤的等温吸附实验中各因素影响分析.煤田地质与勘探，2004(2)：179-184.

[10]陈向军，刘军，王林，等.不同变质程度煤的孔径分布及其对吸附常数的影响.煤炭学报，2013，38(2).

[11]李子文，林柏泉，郝志勇，等.煤体孔径分布特征及其对瓦斯吸附的影响.中国矿业大学学报，2013，42(6)：331-334.

[责任编辑：施红霞]

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