宋慧杰

(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

煤的吸附特征與其孔隙結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，不同的實(shí)驗(yàn)方法獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差別，一方面是實(shí)驗(yàn)儀器自身的誤差，另一方面是吸附質(zhì)氣體的種類。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的煤吸附氣體的研究。劉紀(jì)坤[1]通過(guò)低溫液氮吸附法對(duì)阜康氣煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試，采用FHH模型對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行分形維數(shù)計(jì)算，運(yùn)用高壓容量法測(cè)定煤樣的吸附特性，分析了氣煤的分形維數(shù)與瓦斯吸附性能的關(guān)系。洪林[2]利用物理化學(xué)吸附儀，開(kāi)展煤樣氮?dú)馕皆囼?yàn)，采用非線性擬合法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)微孔填充理論和多分子層吸附原理，對(duì)煤的微孔填充與介孔表面吸附之間的分界點(diǎn)進(jìn)行了分析。李希建[3]以貴州地區(qū)6個(gè)典型礦井突出煤作為研究對(duì)象，采用高壓容量法測(cè)試了6個(gè)煤樣的吸附能力。郭德勇[4]采集平頂山礦區(qū)不同變形程度構(gòu)造煤樣品，通過(guò)高分辨透射電鏡圖像和拉曼光譜獲取了構(gòu)造煤的晶格條紋特征和結(jié)構(gòu)缺陷類型，借助分子模擬對(duì)比了構(gòu)造煤中分子結(jié)構(gòu)缺陷的形成能量和吸附能量差異，探討了結(jié)構(gòu)缺陷的形成機(jī)制。程波[5]應(yīng)用高壓容量法分析了多個(gè)突出煤樣煤層內(nèi)軟分層的形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)特征，開(kāi)展了軟、硬分層煤樣吸附瓦斯性能參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，探討了軟煤、硬煤吸附性能的差異性。近些年，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)引進(jìn)到研究煤的孔隙及吸附中，如韓光等[6]基于核磁共振技術(shù)分析了不同煤樣吸附甲烷的特征；楊明等[7]采用三種實(shí)驗(yàn)(核磁、低溫氮吸附、壓汞)手段對(duì)煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。本文基于核磁共振技術(shù)對(duì)不同煤樣吸附甲烷的特征進(jìn)行研究，得到了不同煤的吸附規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)步驟

本文對(duì)5組煤樣進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 裝氣：將高純度甲烷氣體注入到樣品罐，并測(cè)定其體積；

2) 煤樣制備：按要求篩分煤樣，用于實(shí)驗(yàn)；

3) 裝樣：將篩分好的煤樣裝入樣品腔中；

4) 密封性測(cè)試：采用稀有氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的氣密性進(jìn)行檢驗(yàn)；

5) 開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

2 分析方法

2.1 吸附量計(jì)算

在室溫條件下，對(duì)煤樣進(jìn)行甲烷吸附實(shí)驗(yàn)，得到核磁共振數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)與甲烷吸附量之間存在如下關(guān)系：

甲烷的標(biāo)線換算方程為：

y=ax+b

式中：a、b為擬合系數(shù)；x為波峰的相對(duì)面積；y為甲烷摩爾質(zhì)量，mol。

甲烷吸附量計(jì)算公式如下：

q=22.4×1 000 y/m

式中：q為甲烷的吸附量，mol/g；m為煤樣的質(zhì)量，g；y為甲烷的摩爾質(zhì)量，mol。

2.2 標(biāo)線方程的建立

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了甲烷的信號(hào)量，如圖1所示。從圖1可以看出，T2譜圖中只存在1個(gè)波峰，說(shuō)明甲烷在樣品腔中是以氣體形式存在的。隨著壓力的逐漸增大，吸附甲烷的信號(hào)量增強(qiáng)，波峰變寬，所形成的面積也逐漸增大。根據(jù)圖1中的數(shù)據(jù)，結(jié)合甲烷吸附量換算公式，可以計(jì)算甲烷信號(hào)和其吸附量之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖1 不同壓力下甲烷T2波譜

圖2 標(biāo)線擬合

3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)獲得了不同壓力下煤樣的吸附譜圖。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以對(duì)不同弛豫時(shí)間內(nèi)的吸附情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可看出，隨著壓力的升高，4種條件下的T2譜圖的半峰寬逐漸增大，壓力越高，甲烷的核磁信號(hào)強(qiáng)度越高，其吸附量也越大。1～5號(hào)煤樣的波峰均在0.1～1 ms和10～100 ms，在100～1 000 ms位置的波峰的半峰寬比較小。3種波峰位置反映了煤中的小孔、中孔和大孔的吸附情況。

利用前面擬合得到的甲烷吸附標(biāo)線換算方程，對(duì)不同壓力下的氣體吸附量進(jìn)行換算，并與常規(guī)方法數(shù)據(jù)對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

表1 本文計(jì)算的吸附量與常規(guī)方法對(duì)比分析 m3/t

從表1可以看出，當(dāng)壓力從1.6 MPa增加到6.7 MPa時(shí)，1號(hào)煤樣甲烷的吸附量從5.94 m3/t增加到10.87 m3/t，常規(guī)方法的吸附量在5.07～10.16 m3/t，二者相差0.71～0.87 m3/t；2號(hào)煤樣的吸附量為6.93～12.4 m3/t，而常規(guī)法為7.54～11.96 m3/t，二者相差0.44～0.61 m3/t；3號(hào)煤樣的吸附量為7.97～15.62 m3/t，與常規(guī)法吸附量相差0.06～0.67 m3/t；4號(hào)煤樣的吸附量在8.69 ～16.72 m3/t，常規(guī)法吸附量在7.94～17.76 m3/t，二者相差0.75～1.04 m3/t；5號(hào)煤樣的吸附量在8.84 ～18.33 m3/t，常規(guī)法吸附量在8.74～19.24 m3/t，二者相差0.1～0.91 m3/t。不同壓力下吸附量誤差為1.1%～5.7%，最大吸附量相差1.04 m3/t。從誤差角度來(lái)看，本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可靠。為進(jìn)一步分析不同壓力下煤的吸附規(guī)律，繪制了5種煤的吸附等溫線，如圖4所示。

圖4 不同煤樣吸附等溫線

從圖4可看出，當(dāng)壓力固定不變時(shí)，甲烷吸附量與壓力成正比，由低到高順次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)。壓力升高過(guò)程中，1號(hào)和2號(hào)的吸附等溫線與其他3種煤的吸附等溫線不同，3～5號(hào)煤的吸附等溫線表現(xiàn)出明顯的兩階段特征：第一階段為快速吸附，第二階段為緩慢吸附。在第一階段內(nèi)甲烷吸附量平均增加46.43%；后5個(gè)壓力點(diǎn)范圍內(nèi)，甲烷的吸附量緩慢增加，壓力每升高1 MPa，甲烷吸附量平均增加13.87%.壓力從1.6 MPa增大到6.7 MPa的過(guò)程中，1號(hào)、2號(hào)的吸附量變化緩慢，甲烷的吸附量平均增加率分別為6.45%、7.52%.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)核磁共振實(shí)驗(yàn)分析了不同煤樣對(duì)甲烷的吸附特性，實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與常規(guī)方法得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，證明了實(shí)驗(yàn)的可靠性。通過(guò)分析氣體吸附等溫線，確定了煤吸附氣體主要分為兩個(gè)階段，快速吸附階段和緩慢吸附階段?？焖傥诫A段，氣體吸附量增長(zhǎng)率是緩慢吸附階段增長(zhǎng)率的多倍。后續(xù)我們將對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，以便有更多的發(fā)現(xiàn)。