楊英杰，武德堯，郭勇義，謝建林，2，菅 潔（．太原科技大學環(huán)境與安全學院，太原030024；2．太原理工大學礦業(yè)工程學院，太原030024）

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＊溫度變化對煤體瓦斯吸附量影響規(guī)律的實驗研究

楊英杰1，武德堯1，郭勇義1，謝建林1，2，菅 潔1
（1．太原科技大學環(huán)境與安全學院，太原030024；2．太原理工大學礦業(yè)工程學院，太原030024）

摘 要：通過對含瓦斯煤層瓦斯氣體溫度場分布規(guī)律研究，提出了煤層中總的瓦斯含量方程中α值的假設與猜想。經過實驗，分別研究了定壓條件與升壓條件下溫度改變對煤與瓦斯吸附的影響規(guī)律，得到煤體在不同溫度下瓦斯的吸附以及滲流規(guī)律。實驗應用WY98－A型瓦斯吸附解吸儀器，通過研究煤與瓦斯吸附在溫度改變的環(huán)境下的規(guī)律，以及所選煤樣在吸附飽和后隨溫度變化的函數(shù)關系，并對瓦斯吸附的飽和吸附量進行了數(shù)學擬合，得到其函數(shù)關系式。為煤層瓦斯儲量計算，及不同階段瓦斯抽采量計算提供了科學依據(jù)。

關鍵詞：飽和吸附量；瓦斯熱采；吸附解吸曲線

煤體是一種天然的吸附劑，CH4分子將會被煤表面分子多余的自由引力場所吸引，使得煤體中的CH4分子主要集中在物理吸附上［1］，這種物理吸附平衡狀態(tài)可以通過升溫使其迅速向解吸態(tài)轉化。多年來，國內外學者針對煤體瓦斯的吸附特性進行了深入的研究，涵蓋了煤體瓦斯飽和吸附量的確定以及吸附理論模型和影響因子等方面。其中，梁冰［2］通過改變溫度場下煤體瓦斯的吸附情況對朗格繆爾方程中的a，b值進行了研究與分析，指出a值隨溫度升高逐漸降低，b值無明顯變化；許江、張丹丹［3］等研究認為，煤體內部結構的改變是由于溫度的升高所導致，進而對煤體吸附瓦斯的效果也產生了一定的作用，從而增加了煤體孔隙中游離瓦斯的含量；周世寧和林柏泉［4］、趙陽升［5］等學者在地應力和溫

度對煤體瓦斯的吸附、解吸、滲流作用方面也進行了深入研究，取得了大量成果。這些研究都對針對煤體瓦斯飽和吸附量展開研究，但由于我國煤層瓦斯賦存地質條件的復雜性，使得單靠一種理論或者模型很難定量描述瓦斯吸附與解吸的微觀過程，從而也影響了煤層瓦斯儲量及瓦斯抽采量的計算，對煤層瓦斯的熱采的理論基礎研究則更為關鍵。研究溫度改變對于瓦斯吸附量的影響規(guī)律，將有助于解決由此產生的問題。

由氣體狀態(tài)方程和朗格繆爾方程可知，煤層中的瓦斯含量c可以由下式計算：

通過以上式子可以看出式中的α值是影響煤體吸附變化的一個重要因素，本實驗將重點研究α值隨溫度變化的關系。

1　實驗方法及流程

實驗室所選煤樣采自山西霍州李雅莊煤礦，采用圖1所示的煤樣瓦斯吸附實驗裝置。將采集到的煤樣經過初步的篩選后，利用采樣器將煤樣封閉取回實驗室以備實驗。其中實驗氣體采用純度（質量分數(shù)）為99．99%的甲烷氣。實驗過程為保證安全，實驗室配備機械通風設備。

WY－98A型吸附常數(shù)測定儀硬件主要由吸附裝置（圖1）、計算機以及管件、附屬電纜等組成。整個過程主要通過計算機的傳感系統(tǒng)將壓力、溫度以電信號的方式傳給計算機，最后通過計算機的對數(shù)據(jù)的收集，相應的軟件進行計算得到一定的數(shù)據(jù)。

儀器主要采用高壓條件下對煤樣的甲烷吸附量

圖1　溫度改變條件下瓦斯吸附試驗裝置圖

展開測定：即首先將煤樣進行干燥處理，并測定好吸附罐的體積，然后按照需要將裝入吸附罐內，打開真空泵對吸附罐內的煤樣進行脫氣，使罐內達到真空狀態(tài)，接著將甲烷氣體充入吸附罐內，直到吸附罐內的壓力平衡為止，時刻監(jiān)測吸附罐內充入的甲烷體積。平衡狀態(tài)下通過用吸附罐內充入的甲烷體積減去吸附罐內殘留的甲烷體積，即為吸附罐內煤樣的吸附體積，最后將每一次得到的吸附體積連接后即為吸附等溫線。

1．1 實驗煤樣的處理

1）煤樣選自掘進面原始煤層，在去除矸石后，將煤樣采用四分法分好后，取出實驗所需的量，其余裝袋備用。

2）將實驗煤樣利用球磨機粉碎，隨后通過篩網(wǎng)取0．17～0．25mm間顆粒100g放入坩堝內。

3）將坩堝內的煤樣放入干燥箱中，使其1h內保持在恒溫100℃下，隨后使煤樣在干燥箱內自動冷卻。

4）將干燥好后的煤樣約22g裝入吸附罐內的煤樣罐，并將煤樣罐擰緊，保持密封。1．2 脫氣

將脫氣閥打開，充氣閥關閉，使煤樣罐與真空泵充分連接后，將煤樣罐置于70℃恒溫水浴中脫氣6 h使煤樣罐保持真空狀態(tài)。

1．3 低壓吸附

脫氣結束后，先將水浴溫度降低到20℃后打開充氣閥，關閉脫氣閥以及罐一與罐二的閥口，使得充氣罐內的壓力達到1．8MPa左右，隨后關閉充氣閥，打開罐一的閥口，使充氣罐內的甲烷氣體涌入罐一中直至1MPa，隨后關閉罐一閥口，對罐二同樣進行以上操作。操作結束后，使得水浴溫度一直保持20℃，當吸附的平衡時間大于8h以上，且低壓環(huán)境下煤樣吸附速度小于等于1mL／h時，可認為煤樣已達到吸附平衡，此時記錄吸附罐內煤樣的吸附體積。

1．4 升壓吸附

將低壓吸附完成的煤樣罐重復開始的操作，使得煤樣罐內的壓力分次升至1．84，2．6，3．4，4．2，5，5．8MPa，每次操作必須保證煤樣罐一直保持在20℃水浴內，并且不得少于4h，實驗中隨時觀測吸附罐的壓力表變化，直到變化值在1h內始終小于等于0．05kg／m2，那么這時的吸附即可認為達到平衡狀態(tài)。此時分別記錄下每次升壓后吸附罐內吸入甲烷的體積。

1．5 升溫吸附

同上述吸附方法相同，只是在每次操作是分別將水浴溫度由20℃，每隔5℃，逐次提升至45℃，記錄每次溫度環(huán)境下煤樣罐內在不同壓力條件下甲烷的吸附量。

2　實驗結果

2．1 相同壓力不同溫度下煤樣吸附實驗結果

煤樣被充分抽真空后通過水浴加熱將煤樣溫度從20℃開始逐步升溫至45℃，分析相同壓力條件下煤樣的吸附特性。從圖2中可以看到隨著溫度的升高，實驗煤樣在1．84 MPa下甲烷吸附量呈現(xiàn)遞減的趨勢。

圖2　不同溫度下煤樣瓦斯飽和吸附量

2．2 不同壓力不同溫度下煤樣吸附實驗結果

如圖3－圖8所示。

圖3　20℃下煤樣甲烷吸附等溫線

圖4　25℃下煤樣甲烷吸附等溫線

圖5　30℃下煤樣甲烷吸附等溫線

圖6　35℃下煤樣甲烷吸附等溫線

圖7　40℃下煤樣甲烷吸附等溫線

圖8　45℃下煤樣甲烷吸附等溫線

3　實驗結果分析

煤體中瓦斯的流動主要是由孔隙擴散、裂隙滲流、煤粒表面吸附瓦斯飽和后在裂隙中的擴散、煤粒表面瓦斯的解吸。根據(jù)瓦斯的流動可以更清楚的了解到煤粒瓦斯的解吸與擴散過程，而煤粒內的孔隙與裂隙之間的瓦斯交換量也更直觀的由瓦斯的流動所決定。試驗通過溫度場的變化對煤粒瓦斯吸附量的影響可以更好的驗證了瓦斯解吸量和瓦斯?jié)B流通道變化共同作用的規(guī)律。

1）定壓升溫測定瓦斯吸附量實驗時，根據(jù)曲線圖的變化可以明顯看出隨著溫度的升高煤體瓦斯的飽和吸附量呈現(xiàn)出遞減的狀態(tài)，這是因為溫度升高后煤與瓦斯的吸附平衡條件發(fā)生了變化，瓦斯的吸附速度小于解吸速度，從而使整體的平衡狀態(tài)朝向解吸方向進行，并且溫度越高，吸附與解吸速度變化愈大，在圖2中表現(xiàn)為35℃后瓦斯飽和吸附量急劇下降。

2）從圖3－圖8中可看到，瓦斯的吸附等溫線均成指數(shù)函數(shù)的變化關系，這為飽和吸附量的擬合提供了方向，并且吸附量在8～10mL左右均出現(xiàn)明顯的拐點，不同溫度下出現(xiàn)拐點的壓力條件不同，這是由于在壓力作用下吸附解吸平衡遭到破壞后有一個迅速的調整期，按照BET吸附理論的觀點，多分子層吸附時，第一層分子吸附的吸附勢大，其后逐漸減小，并且吸附的梯度也減小。由吸附曲線反推解吸曲線后將能夠為煤層瓦斯熱采不同溫度下采用經濟科學的抽采壓力的提供理論參考。

4　結論

通過實驗研究了不同溫度下煤樣瓦斯的吸附解吸實驗規(guī)律。通過實驗過程驗證了吸附解吸理論，并對瓦斯吸附的飽和吸附量進行了數(shù)學擬合，得到

其函數(shù)關系為a＝a0e－0．005（t－t0）．并提出和解釋了瓦

斯吸附解吸過程中的拐點，為煤層瓦斯熱采時采用合適的壓力及溫度提供理論支持。

參考文獻：

［1］ 楊濤．煤體瓦斯吸附解吸過程溫度變化實驗研究及機理分析［D］．北京：中國礦業(yè)大學，2014．

［2］ 梁冰．溫度對煤的瓦斯吸附性能影響的試驗研究［J］．黑龍江礦業(yè)學院學報，2000（10）：20－22．

［3］ 許江，張丹丹，彭守建，等．溫度對含瓦斯煤力學性質影響的試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2011（30）：2730－2736．

［4］ 周世寧，林柏泉．煤層瓦斯賦存與流動理論［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1999．

［5］ 趙陽升，胡耀青．孔隙瓦斯作用下煤體有效應力規(guī)律的試驗研究［J］．巖土工程學報，1995（17）：26－31．

［6］ 趙陽升．多孔介質多場耦合作用及其工程響應［M］．北京：科學出版社，2010：253－254．

（編輯：張愛絨）

Experiment Study on Effects of Temperature Variation on Coal Gas Adsorption Capacity

YANG Yingjie1，WU Deyao1，GUO Yongyi1，XIE Jianlin1，2，JIAN Jie1
（1．College of Environment and Safety，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan030024，China；2．College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan030024，China）

Abstract：On the analysis of gas temperature distribution of coal seam gas，assumption and conjecture ofαvalue in the overall equation of gas content were proposed．In the condition of constant pressure and increasing pressure，the experiment obtained the coal and gas adsorption and seepage law at different temperatures．WY98Agas adsorption／desorption instrument was used in the experiment．By setting different temperatures，the experiment studiedαvalue in function relationship between the coal sample saturated adsorption and the temperature，and conducted mathematical fitting for the saturated adsorption，and finally obtained the function relationship，which could provide a scientific basis for the calculation of the gas content in coal seam and quantity of drainage at different stages．

Key words：saturation adsorption capacity；gas thermal recovery；adsorption－desorption curve

作者簡介：楊英杰（1989－），男，山西臨汾人，碩士生，主要從事瓦斯吸附理論的研究，（Tel）13935199733，（E－mail）497607453＠qq．com通訊聯(lián)系人：郭勇義，男，博士，教授，主要從事煤礦通風安全工程及理論研究，（E－mail）guoyy＠tyut．edu．cn

基金項目：山西省科技攻關項目資助：綜采工作面及兩巷粉塵運于多規(guī)律與除塵技術裝備研究（20130322008－03）；校研究生創(chuàng)新項目：煤層瓦斯含量受溫度場改變影響研究（20134017）；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（xj2014014）；山西省青年基金（2011021023－1）；山西省科技重大專項基金資助：基于人－機－環(huán)聯(lián)動煤礦井下生產過程監(jiān)測預警及重大事故救援指揮集成研究（20121101001）

收稿日期：＊2014－01－02

文章編號：1007－9432（2015）03－0332－04

DOI：10．16355／j．cnki．issn1007－9432tyut．2015．03．017

文獻標識碼：A

中圖分類號：TD712．3