加壓速率對(duì)不同變質(zhì)程度煤吸附性能的影響研究

姜黎明1,2，張浪1,2，汪東1,2，季文博1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；

2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

[摘要]為研究不同加壓速率對(duì)吸附性能的影響，采用美國(guó)康塔儀器公司研制的iSorb HP2高壓氣體吸附分析儀對(duì)門克慶礦、沙曲二礦、陽泉五礦3種不同煤階煤樣，進(jìn)行了不同加壓速率下的瓦斯吸附常數(shù)對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，加壓速率對(duì)瓦斯吸附常數(shù)影響非常明顯；對(duì)特定煤階煤樣，隨著加壓速率增大，吸附常數(shù)a有減小趨勢(shì)，吸附常數(shù)b有增大趨勢(shì)，煤階越高，瓦斯吸附常數(shù)受加壓速率的影響程度越大。因此，對(duì)于不同煤階煤樣，加壓速率應(yīng)適當(dāng)調(diào)整，以提高其指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的作用。

[關(guān)鍵詞]加壓速率；變質(zhì)程度；吸附性能；吸附常數(shù)

[中圖分類號(hào)]TD712[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[收稿日期]2014-08-12

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

[基金項(xiàng)目]國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05040-001-1)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB201206)

[作者簡(jiǎn)介]姜黎明(1989-)，女，山東單縣人，碩士研究生，助理工程師,從事礦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，張浪，汪東，等.加壓速率對(duì)不同變質(zhì)程度煤吸附性能的影響研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：17-19，29.

煤是一種具有復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，含有大量的孔隙，大到斷層、層理面等宏觀裂隙，小到分子或原子微觀缺陷。煤孔隙表面對(duì)瓦斯有較強(qiáng)的吸附能力，并且以物理吸附為主。在煤礦開采過程中，礦井瓦斯是導(dǎo)致煤與瓦斯突出的主要因素之一，同時(shí)也可作為煤層氣的來源，研究在不同物理結(jié)構(gòu)特性下煤的吸附規(guī)律，可獲得煤層中瓦斯運(yùn)移和聚集的規(guī)律，同時(shí)對(duì)于研究煤與瓦斯突出機(jī)理也十分重要。煤對(duì)氣體的吸附能力受多種因素的影響，等溫吸附試驗(yàn)獲得的Langmuir體積和壓力是在某一溫度下的吸附值，實(shí)驗(yàn)中最大的誤差來源是實(shí)驗(yàn)條件，主要包括溫度、壓力、水分、吸附氣體組分、吸附煤階以及煤的粒度等等。前人對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，陳青等探討了低壓點(diǎn)對(duì)吸附常數(shù)的影響；王文林等探討了吸附平衡時(shí)間對(duì)不同變質(zhì)程度煤的等溫吸附試驗(yàn)影響；李樹剛等研究了不同含水量對(duì)煤吸附甲烷的影響關(guān)系,并擬合出關(guān)系式；張曉東等研究了不同粒度對(duì)吸附常數(shù)的影響；張?zhí)燔姷妊芯苛藴囟葘?duì)煤吸附性能的影響；鐘玲文、張群等研究了煤在溫度和壓力綜合影響下的吸附性能；張慶玲等[8-9]論證了吸附相體積的校正問題；陳向軍等[10-11]研究了孔徑對(duì)不同變質(zhì)程度煤吸附常數(shù)的影響。目前，鮮見研究加壓速率對(duì)煤的吸附常數(shù)的影響，以及影響的機(jī)理。為此，對(duì)不同變質(zhì)程度煤的不同加壓速率進(jìn)行了吸附甲烷氣體實(shí)驗(yàn)，通過比較吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析加壓速率對(duì)吸附的影響。

1煤的工業(yè)分析

為了考察加壓速率對(duì)不同變質(zhì)程度煤吸附性能的影響程度，選擇門克慶礦3-1號(hào)煤(MKQ)、沙曲二礦4號(hào)煤(SQ)、陽泉五礦8號(hào)煤(YQ)的煤樣進(jìn)行不同加壓速率下的等溫吸附實(shí)驗(yàn)，各煤樣的工業(yè)組分測(cè)定結(jié)果如表1所示。采用煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤的甲烷吸附量測(cè)定方法(高壓容量法)》開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，為排除實(shí)驗(yàn)過程中的不規(guī)范操作和降低試驗(yàn)誤差，統(tǒng)一規(guī)范實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)置平行煤樣，并在同一條件下同時(shí)進(jìn)行測(cè)定。

表1　煤層煤樣的工業(yè)組分測(cè)定結(jié)果

2測(cè)定方法

2.1　實(shí)驗(yàn)原理

本次等溫吸附實(shí)驗(yàn)方法是容量法，其測(cè)定原理是：煤中大量的微孔內(nèi)表面具有表面能，當(dāng)氣體與內(nèi)表面接觸時(shí)，分子的作用力使甲烷或其他多種氣體分子在內(nèi)表面上發(fā)生濃集，稱為吸附。氣體分子濃集的數(shù)量漸趨增多，為吸附過程；氣體分子復(fù)返回自由狀態(tài)的氣相中，表面上氣體分子數(shù)量漸趨減少，為脫附過程。表面上氣體分子維持一定數(shù)量，吸附速率和脫附速率相等時(shí)，為吸附平衡。煤的吸附量一般用Langmuir單分子層氣體吸附模型來描述，煤的吸附氣體與游離氣體隨著壓力、溫度的改變可以相互轉(zhuǎn)化，在溫度一定的條件下，通過Langmuir方程來計(jì)算吸附量(Q)。即

(1)

(2)

式中，P為甲烷氣體的壓力，MPa；Q為在壓力P下煤的吸附量，cm3/g，VL為L(zhǎng)angmuir壓力，mL；PL為L(zhǎng)angmuir壓力，MPa；a為吸附常數(shù)，cm3/g，當(dāng)P→∞時(shí)，即為飽和吸附量；b為吸附常數(shù)，MPa-1。

2.2　實(shí)驗(yàn)方法

為了分析不同變質(zhì)程度煤樣在不同加壓速率下的吸附能力差異，對(duì)已選煤樣進(jìn)行瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)采用美國(guó)康塔儀器公司研制的iSorb HP2高壓氣體吸附分析儀，按照MT/T752-1997標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。iSorb HP2高壓氣體吸附分析儀主要用于對(duì)儲(chǔ)氣材料吸附機(jī)理進(jìn)行研究，可全自動(dòng)地得到材料從低壓到高壓全面的吸附解吸性質(zhì)的表征。其吸附質(zhì)為純度達(dá)99.99%的甲烷氣體，實(shí)驗(yàn)溫度為10～70℃，最高實(shí)驗(yàn)壓力為20MPa。此儀器的煤樣吸附解吸實(shí)驗(yàn)步驟為：

(1)煤樣制備。將實(shí)驗(yàn)煤樣粉碎并篩分為0.20～0.25mm，置于紅外干燥箱進(jìn)行干燥處理，約6h左右取出，立即放入干燥器內(nèi)冷卻保存。

(2)煤樣脫氣。用電子天平稱取3g精確到0.0001g的干燥煤樣裝入樣品池，把裝有煤樣的樣品池加裝墊片安裝在儀器上，并用活口扳手?jǐn)Q緊，保證其氣密性，在分析軟件中錄入煤樣的基本數(shù)據(jù)，并設(shè)置60℃的恒溫條件，進(jìn)行脫氣抽真空過程，脫氣進(jìn)行到文件設(shè)置的過程后自動(dòng)結(jié)束。

(3)煤樣吸附平衡。脫氣過程結(jié)束后設(shè)置吸附分析文件，對(duì)煤樣進(jìn)行30℃恒溫條件下的吸附分析。

(4)當(dāng)全過程的吸附試驗(yàn)結(jié)束后，即可進(jìn)行結(jié)果輸出，分析軟件將自動(dòng)錄入的信息進(jìn)行計(jì)算并顯示試驗(yàn)結(jié)果和吸附等溫曲線。

3測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)3個(gè)礦的煤樣在不同加壓速率下進(jìn)行吸附等溫測(cè)試，實(shí)驗(yàn)最大壓力為8MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為30℃，根據(jù)Langmuir 方程解算出煤樣的瓦斯吸附常數(shù)a，b值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖1～圖3和表2所示。

圖1　門克慶礦煤樣在不同加壓速率下的吸附等溫曲線

圖2　沙曲二礦煤樣在不同加壓速率下的吸附等溫曲線

圖3　陽泉五礦煤樣在不同加壓速率下的吸附等溫曲線

表2　不同加壓速率下煤樣的吸附常數(shù)

由圖1～圖3可知，門克慶礦、陽泉五礦煤樣的瓦斯吸附量在0～4MPa階段增長(zhǎng)迅速，在高壓階段趨于平緩，沙曲二礦煤樣的瓦斯吸附量增長(zhǎng)緩慢。說明煤樣的瓦斯吸附難易程度不同，門克慶礦、陽泉五礦煤樣容易吸附瓦斯，沙曲二礦煤樣不易吸附瓦斯。在實(shí)際的煤礦生產(chǎn)或瓦斯抽采過程中，對(duì)于不易解吸的煤，需要采取措施以利于瓦斯釋放。而壓力在0～4MPa之間時(shí)，加壓速率對(duì)3種不同變質(zhì)程度煤的影響程度不同，影響最大的是門克慶長(zhǎng)焰煤，其次是陽泉五礦長(zhǎng)焰煤，最后為沙曲二礦焦煤。根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)吸附常數(shù)a，b隨加壓速率變化的關(guān)系進(jìn)行擬合(見圖4～圖5)。由圖4可知，隨著加壓速率的增大，煤對(duì)甲烷的吸附量逐漸變小，a隨加壓速率的增大呈單調(diào)遞減趨勢(shì)。對(duì)吸附常數(shù)a與加壓速率的關(guān)系進(jìn)行擬合得到3類煤樣的擬合關(guān)系式。

門克慶礦長(zhǎng)焰煤：a=-0.03596x+25.94

沙曲二礦焦煤：a=-0.05027x+34.97

陽煤五礦無煙煤：a=-0.04337x+47.79

由圖5可知，吸附常數(shù)b與加壓速率之間沒有明顯的規(guī)律。

圖4　吸附常數(shù)a隨加壓速率的變化

圖5　吸附常數(shù)b隨加壓速率的變化

4結(jié)論

根據(jù)3種不同變質(zhì)程度的煤進(jìn)行的等溫吸附實(shí)驗(yàn)，煤樣在恒溫、不同加壓速率條件下對(duì)甲烷的吸附實(shí)驗(yàn)表明，不同變質(zhì)程度煤的吸附常數(shù)變化量的大小不同，隨著加壓速率的增加，煤對(duì)甲烷的吸附量逐漸減小，減小幅度與煤的變質(zhì)程度有一定關(guān)系。

(1)吸附常數(shù)a的大小順序?yàn)椋簾o煙煤﹥焦煤﹥長(zhǎng)焰煤；b的大小順序?yàn)椋簾o煙煤﹥焦煤﹥長(zhǎng)焰煤。經(jīng)過比較可知，門克慶礦長(zhǎng)焰煤、沙曲二礦焦煤以及陽泉五礦無煙煤等3種不同變質(zhì)程度煤的適用的加壓速率分別為：33.3Pa/s，100Pa/s和133.3Pa/s。

(2)吸附常數(shù)a隨加壓速率的增大而減小，變質(zhì)程度越高，加壓速率對(duì)a的影響越大。

(3)對(duì)吸附常數(shù)a與加壓速率的關(guān)系進(jìn)行擬合得到3種不同變質(zhì)程度煤樣的擬合關(guān)系式，分別為：門克慶礦長(zhǎng)焰煤，a=-0.03596x+25.94；沙曲二礦焦煤，a=-0.05027x+34.97；陽煤五礦無煙煤，a=-0.04337x+47.79。而吸附常數(shù)b與加壓速率之間沒有明顯的規(guī)律。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳青，楊宏民，王兆豐，等.高壓容量法測(cè)定吸附常數(shù)-低壓點(diǎn)對(duì)甲烷吸附常數(shù)測(cè)定結(jié)果的影響.煤礦安全，2012，43(9)：150-153.

[2]王文林，譚蓉暉，王兆豐.吸附平衡時(shí)間對(duì)瓦斯吸附常數(shù)測(cè)試的影響.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，32(5)：112-114.

[3]李樹剛，趙鵬翔，潘宏宇，等.不同含水量對(duì)煤吸附甲烷的影響.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(4)：125-130.

[4]張曉東，桑樹勛，秦勇，等.不同粒度的煤樣等溫吸附研究.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34(4)：112-114.

[5]張?zhí)燔?，許鴻杰，李樹剛，等.溫度對(duì)煤吸附性能的影響.煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(6)：153-158.

[6]鐘玲文，鄭玉柱，員爭(zhēng)榮，等.煤在溫度和壓力綜合影響下的吸附性能及氣含量預(yù)測(cè).煤炭學(xué)報(bào)，2002，27(6).

張群，崔永君，鐘玲文，等.煤吸附甲烷的溫度-壓力綜合吸附模型.煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(11)：179-184.

張慶玲,曹利戈.煤的等溫吸附測(cè)試中數(shù)據(jù)處理問題研究.煤炭學(xué)報(bào)，2003，28(2):131-135.

張慶玲，崔永君，曹利戈.煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)中各因素影響分析.煤田地質(zhì)與勘探，2004(2)：179-184.

[10]陳向軍，劉軍，王林，等.不同變質(zhì)程度煤的孔徑分布及其對(duì)吸附常數(shù)的影響.煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(2).

[11]李子文，林柏泉，郝志勇，等.煤體孔徑分布特征及其對(duì)瓦斯吸附的影響.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，42(6)：331-334.

[責(zé)任編輯：施紅霞]

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