软煤层瓦斯恒温吸附特性实验研究*

许满贵，孟然，魏攀，徐经苍

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054;2.陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西澄城715200)

软煤层瓦斯恒温吸附特性实验研究*

许满贵1，孟然1，魏攀1，徐经苍2

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054;2.陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西澄城715200)

∶煤层瓦斯吸附特性的研究是掌握煤层瓦斯涌出规律的前提，也是防治煤矿瓦斯事故灾害的基础。为了能够准确掌握软煤层对瓦斯的吸附特性，文中采用HCA型高压容量吸附法，对软煤体瓦斯恒温吸附过程进行实验研究，并与硬煤体进行对比，从而得出软煤层瓦斯吸附特性规律。结果表明∶软煤的吸附常数a和b均稍大于硬煤，软煤对温度的变化较硬煤更为敏感，软、硬煤的吸附常数a，b值均与温度T成二次函数关系，且软、硬煤的等量吸附热均随吸附量的增大而增大，软煤的增加幅度要远大于硬煤的增加幅度。该研究结果为研究软煤层瓦斯赋存规律、优化煤矿瓦斯治理技术、保障煤矿安全生产提供理论依据。

∶软煤层;瓦斯;恒温吸附

0 引言

煤体因其本身具有发达的孔隙结构而成为一种天然吸附剂，约有80%的瓦斯以吸附态存在于煤体孔(裂)隙中［1-2］。煤体吸附瓦斯的本质是煤孔隙表面分子与瓦斯分子间相互吸引的结果［3-4］。煤体中的瓦斯存在浓度梯度和压力梯度，压力梯度引起瓦斯在孔隙中的渗流，渗流发生在煤颗粒间孔隙和煤基质渗流孔隙中，并在孔隙表面形成气膜［5-6］;浓度梯度引起瓦斯由高浓度向低浓度的扩散，扩散作用使得瓦斯分子穿过气膜，以填充原子和空位机理［7-8］到达煤体基质大分子孔隙网络中，从而形成了瓦斯在煤体中的渗流-扩散过程。煤体中瓦斯压力的变化影响着煤体对瓦斯吸附量的大小，瓦斯吸附量与瓦斯压力的关系可用Langmuir吸附方程来表示。澄合矿区东区西卓煤矿、合阳公司煤矿、山阳煤矿瓦斯基础参数测定结果表明煤层坚固性系数小，放散初速度大，采掘过程中，吸附瓦斯涌出量大、瓦斯涌出规律复杂，瓦斯治理难度大，严重威胁到井下作业人员的人身和财产安全。文中基于Langmuir单分子层吸附理论，对澄合矿区东、西区5#煤层软、硬煤吸附瓦斯过程进行恒温吸附实验，通过对比软、硬煤体吸附特征，研究软煤层吸附特性影响因素及其影响规律，从而揭示软煤层吸附瓦斯特性规律，为进一步深入研究软煤层瓦斯涌出规律和适用的瓦斯治理技术奠定基础。

1 软、硬煤恒温吸附实验

1.1 煤样采集与制备

实验所用煤样取自澄合矿务局合阳公司煤矿和董家河煤矿，均属于石炭二叠系的5#煤层，每个煤样不少于1 kg，按照文献［9］将煤样粉碎、筛选，装入磨口瓶中密封加签备用。煤样工业分析及坚固性系数，放散初速度测定结果见表1.可以看出软煤层f值明显小于硬煤，Δp大于硬煤，软煤瓦斯放散初速度较快，反映出软煤初始暴露时煤层瓦斯涌出的速度较大。

表1 煤样工业分析结果Tab.1 Results of the industrial analysis

1.2 实验装置

依据文献［10］，实验所用设备为重庆研究院的HCA型高压容量法吸附装置，该装置由真空烘干系统、脱气系统、充气系统、吸附系统、监测系统、控制计算软件等构成。其中，脱气系统由罗茨真空泵机组、热偶真空计、超级恒温器和真空脱气箱组成;吸附系统由吸附罐、压力传感器、恒温水浴槽和膜合气压计组成;监测系统由数据采集仪、数据传输线及HCA软件组成。装置测试的工作温度为0～40℃，压力范围为0～8 MPa，相对误差＜5%，其吸附实验装置系统如图1所示。

图1 吸附实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of adsorption test device

1.3 实验方法

采集的软、硬煤样用粉碎机进行粉碎，软煤粉碎时间不宜过长，然后用标准筛筛选出粒径为60～80目的煤样，经恒温干燥6 h，将处理好的干燥煤样装入吸附罐抽真空8 h.按照设定压力向罐中充入瓦斯，使罐内达到吸附平衡。一部分瓦斯以吸附态存在于煤体中，仍有一部分以游离态处于死空间体积中，充入罐中的瓦斯总量与处于死空间体积中游离瓦斯量的差值即为吸附瓦斯量。

2 实验结果分析

将制备好的煤样分别在30，45，60℃条件下进行恒温吸附实验，实验结果见表2.

表2 不同条件下煤样吸附瓦斯量Tab.2 Adsorbed quantity of gas in different conditions

2.1 软、硬煤瓦斯吸附量比较

表2中实验拟合度均在0.99以上，表明实验结果符合Langmuir吸附理论。观察表2中软、硬煤的吸附常数测定结果，在相同温度条件下，软煤的吸附常数a值大于硬煤，吸附常数b值稍大于硬煤。a值表示吸附剂的极限吸附量，b值反映达到极限吸附量的快慢程度，也即意味软煤吸附瓦斯速度比硬煤快，而且吸附量也大。据实验结果绘制出不同温度条件下恒温吸附曲线，如图2所示。

从图2可以看出，当温度一定时，煤样对瓦斯的吸附量随瓦斯压力升高而增大，当压力升到一定值时，煤的吸附量达到饱和，这是因为瓦斯压力的升高使得在煤体孔隙内单位体积中瓦斯分子数增加，瓦斯分子与煤体表面撞击几率增大，与煤体表面分子间吸引力增强，引起瓦斯吸附量的增多，而当压力到达极限条件时，煤体孔隙表面已被瓦斯分子完全覆盖，煤体孔隙内部吸附位占有率基本不变，达到极限吸附量;当瓦斯压力一定时，随着温度的升高，煤的瓦斯吸附量逐渐降低，这是因为随着温度的升高，瓦斯分子热运动速率加快，分子活化能增大［11］，分子运动稳定性变差，抑制了煤样对瓦斯的吸附。

图2 煤样恒温吸附曲线Fig.2 Curve of isothermal adsorption of coal samples

对比图2中30℃时软、硬煤的恒温吸附曲线，软煤在第一个平衡点的瓦斯吸附量达14 m3/t以上，此时硬煤是11.7 m3/t，在压力小于1 MPa范围内，软煤吸附曲线斜率明显大于硬煤。斜率越大，表明吸附过程越容易达到极限吸附量，从中可以看出软煤更容易达到极限吸附量，斜率也反映出软煤压力梯度变化比硬煤大，表明在增加相同瓦斯压力条件下，对应的软煤瓦斯吸附量大于硬煤的瓦斯吸附量。随着瓦斯压力的增高，软、硬煤瓦斯吸附量的增量逐渐减小。从图2中还可以看出，在相同的温度梯度下，软煤的瓦斯吸附量大于硬煤，这表明软煤对温度的变化更为敏感。

2.2 软、硬煤吸附常数比较

根据煤样吸附实验中不同温度下的瓦斯吸附常数，对软、硬煤样吸附常数a，b随温度的变化关系进行拟合，拟合曲线如图3所示，拟合关系式见表3.

表3 吸附常数与温度的拟合关系Tab.3 Fitting relationship between the adsorption constants and temperatures

图3 煤样吸附常数随温度变化关系Fig.3 Relationship between the adsorption constants and temperatures

结合拟合曲线及拟合方程可以看出，软、硬煤的吸附常数a，b值均与温度T成二次函数关系，随着温度的升高，吸附常数a值和b值均逐渐降低。这是因为煤对瓦斯的吸附过程是放热过程，温度的升高加剧了瓦斯分子的无规则运动，煤体内部自由空间气压变大，瓦斯分子自由程变大，越容易脱离煤体基质表面，使得吸附过程受阻，造成极限吸附量减少，达到极限吸附量的速率降低。

对比软、硬煤吸附常数的变化趋势可知，在相同温度梯度变化下，软煤吸附常数a值和b值的变化程度均大于硬煤，这也反映出软煤的吸附性能比硬煤强，并随着温度的升高，软、硬煤的a值和b值的变化量均逐渐减小。

2.3 软、硬煤等量吸附热比较

Clausius-Clapeyron方程适用于纯物质间的两相平衡体系，可以计算出吸附剂的吸附热大小，吸附热是对一个特定吸附体系的基本表征。在煤体孔隙表面与瓦斯分子之间存在的吸附平衡与纯物质间的两相平衡相似，利用Clausius-Clapeyron方程从热力学角度探寻软、硬煤吸附热的差异，研究软、硬煤体表面与瓦斯分子的相互作用关系。

得到不同温度下软、硬煤的吸附参数，固定吸附量，在有无限小量的瓦斯分子被煤体吸附后释放出来的热量即为等量吸附热，它是吸附过程瞬间的焓值变化［12-13］，计算公式如下

式中qst为等量吸附热，kJ/mol;f为逸度，MPa;T为温度，℃.

不定积分变形为

式中C为常数。

式(3)表明ln f与T-1成线性关系，对ln f与T-1进行线性拟合，求出线性拟合关系式Y=A+ BX，所得斜率B与气体常数R的乘积即为不同吸附量下的等量吸附热，计算结果如图4所示。

图4 软、硬煤等量吸附热计算结果Fig.4 Results of isosteric heat of adsorption in soft and hard coal

从图4可知，在一定吸附量下，软、硬煤的等量吸附热均随温度的升高而增大，这是因为温度升高使得煤体表面捕获瓦斯分子需要的吸附势能增大［14］，导致在低温时本能捕获瓦斯分子的煤体表面不能再吸附瓦斯分子，引起等量吸附热的增加;在一定温度下，软、硬煤的等量吸附热均随吸附量的增多而变大，但增加的幅度不同，软煤的增加幅度要远大于硬煤的增加幅度，这是因为等量吸附热主要受煤体表面与被吸附瓦斯分子间作用力的影响，软煤的吸附性能强，瓦斯分子在软煤体孔隙表面覆盖率高，煤体表面与瓦斯分子间力的作用效果在软煤中会更加突出，造成随着吸附量的增多，软煤的等量吸附热变化更为明显。

2.4 瓦斯防治的建议

从软、硬煤恒温吸附特性实验中可知，软、硬煤层瓦斯吸附特性受多种因素影响，温度和瓦斯压力对软、硬煤吸附瓦斯过程的影响尤为明显，结合地热梯度概念及文献［15］，在一定埋深条件下，瓦斯压力对煤吸附特性的影响度大于温度对煤吸附特性的影响度，这也体现出卸压瓦斯抽采是目前软煤层瓦斯抽采主要方法之一。另外，软煤孔隙连通性比硬煤好，在煤矿防治瓦斯事故灾害过程中，硬煤宜采用以改善煤体孔隙连通性为主的防治措施，如水力压裂等，而软煤宜采用以卸压为主的防治措施，如水力冲孔等。

3 结论

1)通过对比软、硬煤样坚固性系数及放散初速度测定结果可知软煤f值小于硬煤，Δp大于硬煤，表明软煤瓦斯放散初速度大于硬煤，反映出软煤初始暴露时煤层瓦斯涌出的速度较大;

2)不同温度条件下六组实验煤样的恒温吸附曲线拟合度R2值均大于0.99，符合《煤的甲烷量吸附测定方法(高压容量法)》规定的拟合精度要求，表明实验数据真实可靠;

3)基于Langmuir单分子层吸附理论，进行了软、硬煤瓦斯恒温吸附实验，得出软煤吸附常数a值和b值均大于硬煤，软、硬煤的吸附常数a，b值均与温度T成二次函数关系，且软煤对温度的变化比硬煤更为敏感;

4)软、硬煤的等量吸附热均随吸附量及温度的增大而变大，软煤的增加幅度要远大于硬煤的增加幅度。

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Characteristics ofmethane isothermal adsorption test in soft coal seam

XU Man-gui1，MENG Ran1，WEIPan1，XU Jing-cang2

(1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.Shannxi Chenghe Mining Co.，Ltd.，Chengcheng 715200，China)

∶Research on the characteristics ofmethane adsorption in coal is not only the premise of studying the gas emission law in coal seam，but the foundation of preventingmine from gas accident.In order tomaster the adsorption characteristics of soft coal to gas accurately，this paper adopts the absorption device of the HCA high pressure volumetricmethod to study gas isothermal adsorption in soft coal and then compared with that in hard coal.The results show that adsorption constants of soft coal are little more than that of hard coal，they are all quadratic functions of temperatures，soft coal ismore sensitive to temperature than hard coal and their isosteric heat of adsorption increase with elevate temperature，but the increasing extent in soft coal is higher than that in hard coal.The research rusults provide the theoretical basis for studying gas occurrence regularity in soft coal，optimizing gas control technology and guaranteeing coalmine safety production.

∶soft coal seam;gas;isothermal adsorption

∶TD 712

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0303

∶1672-9315(2015)03-0292-06

∶2015-01-20责任编辑∶刘洁

∶国家自然科学基金(51104118);陕西省教育厅科学研究计划(11JK0774)

∶许满贵(1971-)，男，陕西宝鸡人，教授，E-mail∶191551709@qq.com