陳立偉，嚴(yán)越涵，趙明振，楊宏民，劉 媛

（1.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.國家能源集團神東煤炭分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；4.煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險救災(zāi)教育部工程研究中心，河南 焦作 454000）

1 引 言

煤中含有豐富的孔裂隙，是一種天然吸附劑[1]，對不同氣體表現(xiàn)的吸附能力不同[2-6]，其吸附性能除受外部因素(溫度、壓力)的影響外，還由自身的物理化學(xué)性質(zhì)決定，其中煤的含水量對吸附性能影響是一個重要因素，且影響較為復(fù)雜。王兆豐[7]認(rèn)為煤對瓦斯的吸附能力隨水分的增加逐漸降低，在水分影響煤的吸附量方面存在臨界水分，當(dāng)水分含量超過臨界值后將不再對吸附能力產(chǎn)生影響。李樹剛[8]等運用Langmuir 單分子層吸附理論，分析了煤對CH4吸附能力受其含水量的影響，結(jié)果表明:含水煤樣依然滿足Langmuir 單分子層吸附理論，吸附常數(shù)a，b與煤樣中含水量的變化之間存在著一定相關(guān)性。吳家浩等研究了水分對瓦斯的置換效應(yīng)，并對不同含水率條件下煤中瓦斯的置換解吸量、卸壓解吸量以及殘余瓦斯含量進行了測定，結(jié)果表明：水分能夠促進煤中吸附態(tài)瓦斯發(fā)生置換解吸，且含水率越大，置換解吸量越大；通過對學(xué)者研究內(nèi)容分析，在不同實驗條件不同含水率煤對氣體的吸附性結(jié)論也有所差異，而這樣的結(jié)論引發(fā)學(xué)者思考，在不同含水率煤中高壓注氣置換煤中CH4的規(guī)律應(yīng)值得探討。從注氣提高煤層氣采收率試驗成功至今，學(xué)者進行了很多干燥煤中注氣促排CH4的研究[9-12]。王兆豐、楊宏民、陳立偉等[13-18]認(rèn)為注氣促排煤中CH4的機理主要有置換吸附- 解吸作用、注氣氣流的載攜/驅(qū)替作用、注氣的稀釋擴散作用和膨脹增透作用等。其中弱吸附性氣體N2不能通過直接競爭吸附位來促使煤中CH4解吸出來，僅能通過注入氣體改變氣體分壓破壞原有平衡來實現(xiàn)；而強吸附性氣體CO2可以與煤表面吸附的CH4發(fā)生競爭吸附，使煤中CH4解吸出來[19-22]。隨著研究的深入，學(xué)者對干燥煤中注氣置換煤中CH4效應(yīng)的研究已經(jīng)提出許多重要的結(jié)論，而煤的含水量對置換效應(yīng)的影響如何，還需進一步研究。筆者以我國典型高瓦斯礦區(qū)的無煙煤為實驗對象，研究不同含水率煤樣N2置換CH4效應(yīng)的差異性。

2 實驗裝置與實驗方法

2.1 實驗裝置

該裝置主要由高壓供氣系統(tǒng)、恒溫吸附解吸系統(tǒng)、氣體組份分析系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等五部分構(gòu)成，且實驗裝置的安全性滿足試驗要求。該實驗裝置原理圖如圖1 所示。

圖1 N2 置換CH4 實驗裝置示意圖

2.2 實驗煤樣

實驗所用煤樣選自山西陽泉礦井的無煙煤。

原因一：無煙煤在實驗條件下解吸量和置換速度最大，為了使實驗效果更加明顯，因此選用無煙煤。原因二：實驗的目的意義就是解決礦井生產(chǎn)中遇到的難題，實驗結(jié)果可以對高瓦斯礦井突出煤層增透強抽方面起到一定的指導(dǎo)作用。

煤樣粒徑60～80 目，質(zhì)量均為180±0.01g，實驗溫度為恒溫20℃，煤樣參數(shù)如表1 所示。

表1 煤樣的工業(yè)分析結(jié)果

2.3 煤樣制備

將制備的顆粒煤放入鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)定溫度為105 ℃，干燥24 h 后放入干燥器皿中冷卻，加定量的水充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蛉缓箪o置48 h 制作成實驗所需含水率的樣煤。

2.4 實驗方法

實驗步驟：①檢查系統(tǒng)的氣密性，對系統(tǒng)抽真空，之后向裝有煤樣的吸附腔體充入CH4并使吸附平衡至目標(biāo)壓力；②高壓向煤樣腔體充入定量N2氣體；③待置換吸附平衡后，記錄數(shù)據(jù)并采集靜態(tài)氣樣并進行氣相色譜分析；④根據(jù)記錄和分析的數(shù)據(jù)進行相關(guān)計算、繪圖和分析工作。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 氣體在煤中的吸附規(guī)律

為研究不同含水率煤對氣體吸附性的影響，進行了不同含水率煤對CH4和N2的吸附實驗。在實驗時，向腔體中注入氣體，使其平衡在設(shè)定壓力，記錄注入前后儲氣容器壓力變化，最后計算出氣體在煤中的吸附量。

利用Langmuir 方程建立不同含水率煤樣中純CH4、N2的吸附等溫線如圖2 所示。

圖2 不同含水率煤中不同氣體的Langmuir 等溫吸附曲線

從圖2 可知，相同含水率煤中吸附N2的量小于CH4的量，隨著吸附平衡壓力的升高，煤吸附CH4和N2的量增加，吸附氣體量逐漸變緩。即氣體吸附能力CH4＞N2，此規(guī)律也符合前人的研究結(jié)果。分析認(rèn)為，系統(tǒng)內(nèi)氣體分子對煤表面撞擊的頻率隨壓力的增加而增加，導(dǎo)致煤體內(nèi)游離氣體的分壓力增加，由于在吸附過程中，氣體的游離態(tài)和吸附態(tài)始終處于動態(tài)平衡，從而使得吸附態(tài)氣體分子的數(shù)量增多。當(dāng)壓力較低時，有些氣體分子難以進入微孔隙中，隨著壓力增大，系統(tǒng)內(nèi)會發(fā)生微孔充填現(xiàn)象。吸附量增速隨壓力增大逐漸變緩的原因，壓力較大時，煤體內(nèi)達(dá)到游離相和吸附相兩相動態(tài)平衡所需要占據(jù)的吸附位點，比在低壓力狀態(tài)時多，而煤體中吸附位點的數(shù)量是固定不變的，故而隨壓力的增加，吸附量的增速變緩。

在0.75 MPa 前，吸附量增加的影響占主導(dǎo)地位。隨著吸附平衡壓力的升高，吸附氣體量逐漸變緩。0.75 MPa 以后，吸附能力高低占主導(dǎo)地位。因此N2的注置比隨著CH4預(yù)吸附平衡壓力的增加，呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢，轉(zhuǎn)折點0.75 MPa。

在相同吸附平衡壓力下，不同含水率煤吸附氣體的規(guī)律如圖3 所示。

圖3 不同吸附平衡壓力下煤中CH4 和N2 的吸附量隨含水程度的變化規(guī)律

從圖3 可知，在相同預(yù)吸附平衡壓力下，單位質(zhì)量煤對CH4和N2的吸附量隨著煤含水量的增加而逐漸較少。

分析原因，隨著含水量的增加，煤中水分子數(shù)量也隨之增加，水分子易與煤基質(zhì)表面斷裂的化學(xué)鍵及煤基質(zhì)內(nèi)部的親水性官能團結(jié)合，在一定程度上降低了煤的表面自由能，使CH4/N2－煤吸附系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)所釋放的熱量更少，并且，水與煤的分子作用力強于CH4/ N2，可以占據(jù)煤表面的有效吸附位，從而使含水煤吸附CH4/N2能力變?nèi)酢?/p>

3.2 不同含水率煤的CH4 解吸率

高壓注入是指當(dāng)煤樣室中CH4預(yù)吸附平衡壓力達(dá)到恒定時，利用活塞泵將更高壓力的等量置換源氣體送入煤樣室中，其目的是注入置換源氣體后使游離CH4的體積分?jǐn)?shù)降低，導(dǎo)致其在注入后的氣相中分壓降低，最終引起煤中CH4吸附量降低，游離量增加，表現(xiàn)為煤中CH4被置換出來。

為了研究高壓注入條件下不同含水率煤中N2置換CH4效果的差異性，選擇用CH4置換率來衡量注源氣體在不同含水率煤中CH4置換效果。CH4置換率是指注氣前后煤中吸附CH4量的變化量與注氣前煤吸附CH4量的比值，見式（1）。

式中：Rr,CH4為CH4的置換率，%；Q1,CH4，Q2,CH4分別為實驗前后煤中的CH4的吸附量cm3/g。

不同含水率煤進行高壓注入試驗后，CH4的置換量與置換率如圖4 所示。

圖4 不同含水率煤中CH4 置換量和置換率隨CH4 預(yù)吸附平衡壓力的變化規(guī)律

從圖4 可知，CH4的置換量和置換率均在CH4預(yù)吸附平衡壓力為0.75 MPa 前快速增加，之后驟降。這表明在該實驗壓力范圍內(nèi)，CH4預(yù)吸附平衡壓力為0.75 MPa 時具有很好的置換CH4的效果。

在不同含水率的煤中，CH4置換量和置換率隨CH4預(yù)吸附平衡壓力的變化規(guī)律存在0.75 MPa 的轉(zhuǎn)折點，且其他學(xué)者的研究中也出現(xiàn)了相似情況。呂寶艷于不同吸附能力的氣體對煤中CH4的置換效應(yīng)及其差異性研究一文中，楊宏民、劉媛等于高壓注入和等壓擴散條件下N2置換煤中CH4的研究一文中，都出現(xiàn)了類似的拐點。

但具體原因目前尚未知曉，后續(xù)將會針對這個問題，通過不同含水率、氣體種類、吸附平衡壓力等補充實驗，來探究其原因。

不同含水率煤進行不同高壓注入實驗后，CH4置換量和置換率如圖5 所示。

圖5 不同高壓注入下CH4 置換量和置換率隨煤的含水程度的變化規(guī)律

從圖5 可知，相同的CH4預(yù)吸附平衡壓力下，隨著煤的含水量加大，CH4的置換量減??；在煤中含水率0.75%到含水率3%這一范圍內(nèi)，CH4解吸率呈“下坡型”減小變化。

綜上分析，在高壓注入過程中，注入N2后腔體總體積不變，總壓力升高使游離CH4的體積分?jǐn)?shù)降低，導(dǎo)致CH4在注入N2后的氣相中分壓降低，最終引起煤中CH4吸附量降低，游離量增加，而游離的N2不斷吸附在煤上，直至建立新的平衡。另外N2作為一種吸附性氣體，必然會與CH4產(chǎn)生競爭吸附，煤樣空穴勢必會吸附少量N2，占據(jù)部分吸附空間，抑制了部分CH4被吸附。多種原因使吸附態(tài)CH4有向游離態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，從而解釋了注入高壓N2能使得CH4解吸出來的原因。

含水率高的煤中CH4置換率低，這是因為水分有抑制煤中CH4吸附解吸的作用，例如在CH4吸附平衡壓力為0.75 MPa 條件時，含水率為0.75% 煤的吸附CH4量（17.15 cm3/g）是含水率為1.5%煤（15.43 cm3/g）的1.11 倍，是含水率3% 煤（12.84 cm3/g）的1.34 倍；高含水率煤的水分子量多，水分子可以占據(jù)煤表面的有效吸附位，使煤吸附CH4能力變?nèi)?。最終表現(xiàn)為隨著含水程度的加大，CH4置換率減弱。

3.3 不同含水率煤的N2 注置比

為了研究注入N2對煤中吸附CH4的置換效率，用N2對煤中CH4置換注置比來表示，簡稱N2注置比，是指高壓注入平衡后的CH4置換量和注入N2量的比值，其從另一方面表征了單位體積的N2能夠置換煤中CH4的效率，反映氣體置換CH4的難易程度。見式（2）。

式中：Rr，N2為注置比，%；QN2為高壓注氣前的N2的注入量，cm3/g。

不同含水率煤進行高壓注入實驗后N2注置比如圖6 和如圖7 所示。

圖6 不同含水率煤中N2 注置比隨CH4 預(yù)吸附平衡壓力的變化規(guī)律

圖7 不同CH4 預(yù)吸附平衡壓力下N2 注置比隨煤的含水程度的變化規(guī)律

在高壓注入條件下相同含水率煤中，N2注置比隨著CH4預(yù)吸附平衡壓力的增加而先增加后降低；在相同CH4預(yù)吸附平衡壓力條件下，隨著煤含水率的的加大N2注置比減小。

對比分析高壓注入平衡后CH4置換量、CH4置換率和N2注置比發(fā)現(xiàn)。

提高注N2壓力可以使CH4的置換量和置換率先快速增加，再驟降接著下降緩慢，從而導(dǎo)致N2注置比同上現(xiàn)象相似。因此對井下注N2置換煤層CH4的工程技術(shù)來說，盲目提高高壓注入時的注氣壓力會造成N2的置換效率下降。

隨著煤含水量的增加，CH4置換量和N2注置比減少，且置換效率降低。即相同注氣條件下，高含水率煤置換量較小，且置換效率較低。

4 結(jié) 論

1）在相同含水率煤中，隨著注入壓力的增大，CH4和N2在煤中吸附量增加；隨著煤含水程度的加大，煤吸附CH4和N2的量減弱，且吸附N2的量小于CH4。

2）由圖5、圖6 分析可知高壓注入過程中，CH4置換率、N2的注置比均與煤的含水程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，CH4置換率、N2的注置比隨著CH4預(yù)吸附平衡壓力的增加，呈現(xiàn)先增加后下降趨勢，轉(zhuǎn)折點0.75 MPa（CH4預(yù)吸附平衡壓力）。

3）CH4的置換量、CH4置換率和N2注置比主要受N2注氣量、煤含水程度、煤對氣體吸附性、氣體間的“吸附競爭”和高壓注入引起的“分壓”作用影響。