西南典型矿区煤等温吸附/解吸影响因素研究

张永强，韩志雄，薛海军，2，路冠文

(1.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005；2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；3.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；4.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

煤孔隙表面对瓦斯具有很强的吸附能力，其吸附过程是一种物理吸附，且以游离态吸附为主。实验证明，在储层条件下，煤对气相介质的吸附符合朗格缪尔单分子层吸附理论。因此，通过等温吸附实验来研究煤的吸附特征，并用吸附量表示煤对气体的吸附能力[1-4]。其吸附能力除受煤孔、裂隙特征、煤质特征等自身因素影响外，还受温度、压力等外界条件的影响。学者对不同地区煤水分、灰分、固定碳、实验温度、压力及变形、变质程度等因素对煤吸附性能的影响进行了大量的研究。田永东、牛国庆、刘贝通过对不同地区、不同时代、不同变质程度煤的等温吸附/解吸实验，认为煤的吸附性能受多方面因素的影响，吸附量随着煤变质程度的增高而增大，与镜质组含量呈正相关、与惰质组含量呈负相关；水分、温度对煤的吸附能力有负面影响[5-7]。而钟玲文认为变质程度对煤吸附能力具有控制作用，当Ro，max=0.46%～1.3%时，随着煤变质程度的增高吸附量减少，Ro，max=1.3%～5.32%时，随着煤变质程度的增高吸附量增加，Ro，max=5.0%左右时，吸附量达最高值[8]。苏现波发现随煤阶的增高煤的吸附能力先后经历了4个阶段：快速增加阶段(Ro，max<1.3%)、缓慢增加阶段(Ro，max介于1.3% ～2.5%)、达到极大值阶段(Ro，max介于2.5%～4.0%)和降低阶段(Ro，max>4.0%)[9]。同时姚艳斌通过对华北重点矿区煤样进行等温吸附实验，认为煤的吸附能力随着镜质组和惰质组含量总和的增大而增大，惰质组对煤吸附能力影响较大[10]。

张庆玲通过不同温度条件下的等温吸附实验，认为实验温度对吸附量的影响不大。煤对甲烷的吸附能力随压力升高而增大，当压力升到一定值时，煤的吸附能力达到饱和，吸附量不再增加[11]。而王伟认为吸附平衡瓦斯压力和吸附量基本成线性相关关系[12]。郝世雄通过对不同固定碳质量分数煤样进行吸附实验，认为固定碳质量分数在70.17%～94.45%时，煤的吸附能力随着固定碳质量分数呈开口向上的二次多项式关系[13]。而钟玲文认为碳含量75%～87%阶段，煤的吸附能力渐次降低，碳含量87.0%～93.4%阶段，吸附能力增加，碳含量大于93.4%，吸附能力骤减[14]。屈争辉、孟召平、路冠文通过对不同煤体结构煤样的等温吸附试验，认为吸附能力随变形程度的增大而增大[15-17]。

前人研究取得了丰硕的成果，但也存在不足，绝大多数研究实验样本数量有限，且缺乏系统采样，各因素对煤吸附性能的影响仍存在一定分歧。同时西南地区是我国重要的煤炭资源基地，也是我国主要的煤层气勘探区。同时煤的吸附解吸性能是煤储层评价的关键参数，对煤与瓦斯突出预测以及圈定煤层气富集区具有十分重要的意义。本文基于上述问题，通过系统采样、测试，对影响煤吸附解吸性能的各因素进行了探讨，以期对该地区矿井煤与瓦斯突出预测及煤层气勘探开发选区提供依据。

1 试验样品与方法

本次研究选取西南地区代表性矿区，采集了不同变质、变形程度的煤样，进行等温吸附实验之前，对煤样进行了工业分析、镜质组反射率、显微组分的测定以及变形类型[14]的鉴定。其中贵州、四川地区煤主要以中等变质、弱变形、特低水分、中高挥发分、低～中灰煤为主，湖南、重庆地区煤主要以高变质、强变形、特低水分、低挥发分、低灰煤为主(表1)。

采用IS-100型气体等温吸附/解吸仪。试验的过程按照《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》(MT/T 752—1997)标准执行，控温精度0.1℃，重复性误差小于±2%，吸附剂采用纯度为99.99%的甲烷气体。所有煤样首先在试验温度25℃和压力8MPa条件下进行等温吸附/解吸实验，然后对部分煤样设置不同温度、压力条件进行等温吸附/解吸实验。

2 结果与讨论

2.1 煤质特征对煤吸附性能的影响

2.1.1 变质程度对煤吸附性能的影响

煤变质程度与吸附量的关系如图1所示，在中等变质煤阶段，煤的吸附能力与变质程度呈正相关关系，而在高变质的无烟煤阶段呈负相关关系，随着煤变质程度的增高，吸附能力表现为呈先增大(Ro，max介于0.65%～1.52%)后降低(Ro，max大于1.52%)的倒“U”型关系。煤吸附量在Ro，max介于0.90%～1.20%之间最低，Ro，max在3.0%左右时出现高峰，这与前人研究所得结论基本一致[9]。这可能由于随着煤由中变质阶段向高变质阶段演化，煤的孔面积和孔隙度先增大在减小[9，11]，进而表现为吸附能力随煤变质程度的增高呈先增大后降低的关系。本次研究所采煤样均为中高阶煤级，对于低阶煤变质程度对煤吸附能力的影响有待进一步研究。

2.1.2 显微组分对煤吸附性能的影响

显微组分是煤的主要物质组成部分，是影响煤吸附能力的一个重要因素。研究发现镜质组发育更多微孔，微孔数量增加，吸附能力增大，而惰质组比镜质组更亲水，水分含量的增加使惰质组吸附性能下降，同时镜质组孔隙和内表面积均大于其他组分[9]。

煤不同显微组分含量与吸附量的关系如图2—4所示，煤镜质组含量与煤吸附量呈正相关关系，且煤的变质程度越高，其相关性越强，壳质组、惰质组含量与煤吸附量呈负相关关系。由表1可知，高变质阶段煤，煤中惰质组及壳质组的含量明显降低，其对吸附量的影响不大。因此，镜质组含量越高，煤的吸附能力越强，壳质组、惰质组的存在降低了煤的吸附能力。高煤化阶段，煤的吸附能力主要受煤中镜质组含量的影响。

表1 样品基础数据统计表

图1 煤变质程度与吸附量的关系

图2 煤镜质组含量与吸附量的关系

图3 煤壳质组含量与吸附量的关系

2.1.3 水分对煤吸附/解吸性能的影响

煤中水分占据了煤中孔隙，降低了煤的吸附能力，这一点已得到共识[5-8]。煤水分含量与吸附量的关系如图5所示，整体上随着水分含量的增大，吸附量呈减小趋势，这与前人研究得出的结论基本一致。同时不同地区煤中水分含量对煤吸附能力的影响不尽相同，表现为贵州、四川地区的煤吸附能力受水分的影响明显强于湖南和重庆地区的煤。水分对煤解吸能力的影响表现为相识的特征(图6)，水分的升高解吸能力呈降低的趋势，同时贵州、四川地区煤的解吸能力受水分的影响明显强于湖南和重庆地区煤。这可能是由于：①随着煤化程度的增高，煤分子结构单元上极性基团以及水分子占据的煤孔隙减少，煤对水分的吸附能力降低，而CH4分子占据的煤孔隙相对增多，表现为煤的吸附能力增大；②煤中水分产生的毛细管力封堵了瓦斯释放的通道，使得甲烷分子的运动受阻，从而导致解吸量减小，解吸率降低；③其他因素(如煤的变质)影响了水分对了不同地区煤的吸附、解吸的控制作用。

图5 煤水分含量与吸附量的关系

图6 煤水分与解吸量的关系

2.1.4 挥发分对煤吸附性能的影响

挥发分是指煤中有机质的可挥发的热分解产物，挥发分产率在一定程度上反映了煤的变质程度。由表1，变质程度愈高，煤的挥发分产率愈低。煤挥发分含量与吸附量的关系如图7所示，煤的吸附能力随着煤中挥发分含量的增大，呈明显的降低趋势。由于煤中挥发分的主要成分为有机质热分解产物，如一氧化碳、甲烷等可燃气体及液体，挥发分含量越高，CH4吸附有机质的空间越少，导致煤对CH4的吸附能力越低。

图7 煤挥发分含量与吸附量的关系

2.1.5 固定碳含量对煤吸附性能的影响

煤的固定碳是指从干煤的质量中减去挥发物与灰分的质量。煤的固定碳含量越高，煤中挥发分和灰分含量越低，煤固定碳含量与吸附量的关系如图8所示，低-特高固定碳阶段，煤的吸附能力随着煤中固定碳含量的增大，呈明显的增大的趋势，这与煤的吸附能力随煤中灰分、挥发分含量的增大而降低的结论一致。这主要是由于随着固定碳质量分数的增高，煤中大分子的排列趋于规整，从而导致煤中孔比表面积、孔容比增大，有利于其吸附甲烷[13]。特低固定碳阶段，煤的吸附能力随着煤中固定碳含量的增大而降低，这可能是由于特低固定碳阶段，灰分、挥发分等成分占优，抑制了固定碳对吸附性能的提升作用的。

图8 煤固定碳含量与吸附量的关系

2.2 变形特征对煤吸附性能的影响

根据六盘水矿区大河边矿4个不同变形类型煤样绘制的等温吸附解吸曲线(图9)。可以看出：①随着样品变形程度的增大，煤的吸附能力总体上呈增大的趋势；②不同变形程度煤初始吸附速率也不尽相同，表现为吸附速率随着变形程度的增大而增大。

图9 不同煤体结构等温吸附解吸曲线

同时，在相同的吸附平衡压力下，随着变形程度的增大，煤体瓦斯解吸速率增大，解吸量增加。

这主要是由于煤的变形导致空隙率、中、大孔的体积及变质程度均有所增大[16-18]，气体更易于吸附，导致吸附的瓦斯量增大，同时煤层卸压释放瓦斯的初速度以及累积解吸量也增加。

2.3 温度对煤吸附性能的影响

煤体吸附瓦斯的过程是放热过程，而瓦斯气体的解吸过程是吸热过程。随着温度的升高，解吸率增大，温度降低抑制了解吸作用[16-18]。

选取了贵州六盘水矿区DHB-3样品，实验温度条件分别为25℃、30℃、35℃，进行不同温度条件下的等温吸附解吸实验(图10)。随着实验温度的升高，煤的吸附量变小，煤的吸附能力降低，实验数据表现为煤的Langmuir常数a减小，同时解吸过程中煤的解吸率增大(表2)。说明温度升高，甲烷分子活性增强，导致有机质对甲烷分子的吸附能力降低。

图10 不同实验温度DHB-3样吸附解吸曲线

温度/℃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 压力对煤吸附性能的影响

研究认为吸附平衡瓦斯压力越大，能够进入煤体裂隙的瓦斯分子数量越多，吸附能力越大[11，20]。

不同压力下煤的吸附量如图11所示，煤的吸附能力随实验压力升高而增大，且变形程度越高，吸附量受压力变化的影响越大，当压力升到一定值时，吸附量趋于稳定，且不再增加。这与多数学者得出的结论基本一致。

图11 不同压力下煤的吸附量

不同压力条件煤的吸附量、解吸量、解吸率见表3，随着解吸压力的增大，煤的解吸率降低，且解吸速率也在减小。这可能是由于实验压力的增大，CH4分子间空隙变小，单位空间内CH4分子数量增多，煤孔、裂隙中CH4分子密度增大，同时部分CH4分子开始进入低压条件下无法进入的微孔隙，导致解吸更加困难。

表3 不同压力条件煤的吸附量、解吸量、解吸率统计表

3 结 论

1)煤的吸附/解吸性能受煤自身特征(变质程度、煤质、变形程度)及外界条件(实验温度、压力)等多种因素的共同影响。

2)中变质阶段，煤的吸附能力与变质程度呈正相关。高变质阶段呈负相关，Ro，max在3%左右吸附能力最强。煤的吸附能力与镜质组含量呈正相关，与惰质组、壳质组含量呈负相关，高煤化阶段，吸附能力主要受煤中镜质组含量的影响。煤中水分、挥发分的存在降低了煤的吸附性能，且水分对不同地区煤吸附能力的影响不尽相同。

低-特高固定碳阶段，煤的吸附能力与固定碳含量呈正相关关系，特低固定碳阶段，煤的吸附能力由于灰分、挥发分等成分含量的增大，抑制了固定碳对吸附性能的提升作用。

3)变形程度越高，吸附、解吸能力越强，初始吸附、解吸速率、解吸量越大。

4)温度升高，吸附能力降低，解吸能力增强，解吸率增大；压力升高，吸附能力增强，解吸能力减弱，当压力升达到一定值时，吸附量趋于稳定。