水分對(duì)煤吸附瓦斯特性影響及微觀機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究＊

閆 凱 趙 東

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西省太原市，030024）

水分對(duì)煤吸附瓦斯特性影響及微觀機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究＊

閆 凱1趙 東2

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西省太原市，030024）

針對(duì)以往研究都無(wú)法充分說明不同含水率下的煤對(duì)瓦斯吸附能力的差異以及水與瓦斯共同作用下的吸附微觀機(jī)理，從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，結(jié)合微觀氣液二相流的相關(guān)理論，通過分析得出，相同初始?jí)毫ο碌亩ㄈ菸?，吸附速率隨含水率的增加而降低，干燥時(shí)的吸附速率是含水2%時(shí)的22倍；且不同含水率下吸附量隨時(shí)間的變化服從對(duì)數(shù)分布，在含水率1%前后結(jié)果不同。

含水塊煤 含水率 瓦斯吸附 微觀機(jī)理 實(shí)驗(yàn)研究

煤是一種孔隙、裂隙發(fā)育的多孔介質(zhì)，成煤過程中伴隨著大量煤層氣的產(chǎn)生，且煤層氣在煤中主要是吸附態(tài)存在。

之前有學(xué)者對(duì)含水煤對(duì)瓦斯的吸附性、煤對(duì)水的吸附及吸附微觀理論等方面進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)一確定了水分對(duì)不同煤種吸附性影響的修正系數(shù)，文獻(xiàn)二對(duì)煤吸附水的微觀機(jī)理進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)三對(duì)水影響煤吸附甲烷的能力進(jìn)行了理論分析。但這些研究都無(wú)法充分說明不同含水率下的煤對(duì)瓦斯吸附能力的差異以及水與瓦斯共同作用下的吸附微觀機(jī)理。因此，本文從含水塊煤對(duì)瓦斯的吸附實(shí)驗(yàn)入手，來研究含水煤的吸附能力，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反演吸附機(jī)理，進(jìn)而對(duì)水與瓦斯共同作用下的吸附微觀機(jī)理加以分析，得出的結(jié)論更具有說服力，同時(shí)得到的結(jié)論對(duì)于不同含水煤層的瓦斯抽采具有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)用煤樣取自西山屯蘭礦，屬中等變質(zhì)程度、揮發(fā)分為25%、中等粘結(jié)性的焦煤，裂隙發(fā)育較完全。用大型巖石鉆樣機(jī)加工成?100 mm×50 mm的圓柱形試件。

實(shí)驗(yàn)裝置的主要參數(shù)如下：不銹鋼圓柱形瓦斯吸附罐，容積為?100 mm×150 mm，用以存放煤樣以及吸附瓦斯；瓦斯貯氣罐，容積為3.8 L，用以向吸附罐注入瓦斯，并根據(jù)壓力變化測(cè)量瓦斯注入量；真空泵，抽氣速率0.5 L／s，極限壓力600 Pa；手動(dòng)式高壓注水泵，用以對(duì)煤樣進(jìn)行注水；天平及相關(guān)儀表。實(shí)驗(yàn)開始前先測(cè)定所用煤樣放于吸附罐中的剩余體積，依據(jù) 《煤的甲烷吸附量測(cè)定方法》（MT／T 752-1997）測(cè)得剩余體積是0.15 L。

實(shí)驗(yàn)過程：（1）干燥煤樣的吸附。將制作好的煤樣110℃下烘干24 h，確保水分完全蒸發(fā)，稱重后放入吸附罐中，注入6 MPa的氮?dú)鈾z查氣密性，之后用真空泵抽氣至極限壓力并保持1 h，穩(wěn)定到相應(yīng)的真空度后關(guān)閉真空泵，開啟瓦斯貯氣罐并記錄初始?jí)毫?，注?0 s后關(guān)閉并記錄終止壓力，對(duì)整個(gè)過程的壓力變化值予以記錄，吸附12 h后停止，確保吸附充分完全，干燥煤樣吸附的流程見圖1。（2）飽和含水率下煤樣的吸附。抽真空后用高壓注水泵注水，注水24 h確保水充分浸潤(rùn)煤樣后停止，取出煤樣并稱重，得到此時(shí)的含水率是2%，而后注氣并記錄，同樣吸附12 h。（3）各不飽和含水率下煤樣的吸附。取出煤樣自然風(fēng)干4 g水后重復(fù)上述過程，之后每蒸發(fā)一次水分，重復(fù)一次吸附過程。如此進(jìn)行6種不同的不飽和含水率下的吸附實(shí)驗(yàn)，含水率分別為1.70%、1.41%、1.11%、0.88%、0.67%和0.34%。

圖1 干燥煤樣吸附的流程圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)狀況下，注入吸附罐的瓦斯體積是根據(jù)瓦斯貯氣罐的壓降來計(jì)算，與吸附罐中的游離瓦斯體積之差即是吸附瓦斯體積。貯氣罐的注氣初始?jí)毫εc終止壓力之差即為壓降，貯氣罐的容積是3.8 L，室溫恒為20℃，由理想氣體狀態(tài)方程得：

式中：Q0——吸附瓦斯體積，L；

Q1——注入吸附罐的瓦斯體積，L；

Q2——吸附罐中的游離瓦斯體積，L；

P1——瓦斯貯氣罐的壓降，Pa；

P2——吸附終止時(shí)吸附罐內(nèi)的氣體壓力，Pa；

Pm——常溫下大氣壓，Pa；

V1——貯氣罐的容積，L；

V2——吸附罐的剩余體積，L；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，K；

T1——室溫，K。

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 相關(guān)體積計(jì)算結(jié)果

2.2 不同含水率下吸附速率分析

吸附速率是指吸附量隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系式，干燥時(shí)反映了常態(tài)下的吸附速率，伴隨含水率的增加，吸附速率會(huì)發(fā)生一定的變化，但逐漸下降最終趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)不會(huì)變。因此，本文采用吸附速率對(duì)比曲線來分析不同含水率下吸附速率之間的差異。

繪制不同含水率下時(shí)間-壓力曲線，如圖2所示。通過比較各含水曲線并與干燥曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的增加，吸附速率逐漸變緩，干燥時(shí)吸附罐壓力由1.291 MPa降至0.185 MPa，下降1.106 MPa；而含水2%時(shí)只由1.324 MPa降至1.274 MPa，下降0.05 MPa，僅僅為干燥時(shí)的1／22；介于兩者之間的含水率，壓力下降值也介于兩者之間，并且隨含水率的增加而降低。由于起始?jí)毫ο嗤?，各曲線呈一定梯度分布且互不交叉，說明對(duì)于同等條件下的定容吸附，水對(duì)瓦斯吸附速率影響較大，當(dāng)處于飽和含水狀態(tài)時(shí)，吸附速率曲線近乎為直線，由此得出含水的多少直接決定吸附的快慢。

圖2 不同含水率下時(shí)間-壓力曲線

假定以1／2初始?jí)毫?.66 MPa時(shí)的終止壓力為分界線，將吸附速率曲線分為上、下兩部分，由表1及圖2看出，分界線上是含水率大于1%的4條曲線，此時(shí)瓦斯游離量均大于吸附量；線下是小于1%的4條曲線，而此時(shí)吸附量大于游離量。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的飽和含水率是2%，而1%恰好是半飽和含水率，由此可以預(yù)測(cè)半飽和含水率是煤樣吸附量或者游離量占主要成分的分界線。

2.3 吸附量與含水率之間的函數(shù)關(guān)系式推導(dǎo)

由表1的數(shù)據(jù)可以繪制出含水率-吸附量函數(shù)關(guān)系的特征點(diǎn)，見圖3，再由點(diǎn)擬合函數(shù)關(guān)系式。由于本次實(shí)驗(yàn)使用同一煤樣，各項(xiàng)物理參數(shù)均確定，因此只需討論含水率對(duì)吸附量的影響。因1%半飽和含水率是吸附與游離占主導(dǎo)的分界線，特征點(diǎn)近似成線性分布，構(gòu)造函數(shù)并擬合得如下結(jié)果：

式中：Q0——吸附瓦斯體積，L；

W——含水率，%。

經(jīng)計(jì)算得出擬合相關(guān)度R2=0.9825，相關(guān)度很高，由于實(shí)驗(yàn)過程的隨機(jī)性、不確定性，產(chǎn)生了相關(guān)的誤差，所以本函數(shù)關(guān)系式作為含水塊煤在不同含水率下的吸附量計(jì)算公式是符合要求的，得出水分影響塊煤吸附瓦斯量的校正公式：

式中：η——水分影響塊煤吸附瓦斯量的校正率，%。

文獻(xiàn)一得出的水分影響粉煤的校正公式：

式中：Vr——揮發(fā)分含量，%。

2.4 不同含水率下吸附量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式推導(dǎo)

繪制不同含水率下時(shí)間-吸附量函數(shù)關(guān)系的特征點(diǎn)。理論上定容吸附中吸附量隨時(shí)間的變化是一個(gè)先快后慢，而后逐漸變緩，最后趨于平衡且時(shí)間較長(zhǎng)并保持增加的變化過程，大致服從對(duì)數(shù)分布，用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合。先前提及本實(shí)驗(yàn)用煤為大塊煤樣，裂隙、揮發(fā)分均已確定，因此只有含水率一個(gè)變量，建立在前人研究的基礎(chǔ)上用如下半經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：k——裂隙發(fā)育與揮發(fā)分常量；

t——吸附時(shí)間，min；

a——與含水率有關(guān)的變量。

經(jīng)過對(duì)各擬合式的參數(shù)修正得出與含水率相關(guān)的函數(shù)關(guān)系式：

擬合曲線趨勢(shì)如圖4所示，此式進(jìn)一步驗(yàn)證了半飽和含水率1%是吸附結(jié)果的重要分界線。

3 以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的吸附微觀機(jī)理研究

氣液二相流孔隙的存在性，實(shí)驗(yàn)中得到了孔隙中水分的蒸發(fā)與孔隙的連通原理，即水分的蒸發(fā)路徑是大裂隙—小裂隙—大孔—中孔—小孔—微孔，由左至右儲(chǔ)存的水分也是逐步減少的，大裂隙存有的水分最多，微孔存有的水分最少。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，1%含水率以內(nèi)吸附能力較強(qiáng)，吸附完成較快；1%以上吸附能力較弱，吸附完成較慢，一直處于微量的吸附狀態(tài)中；由此推斷1%是微孔蒸發(fā)水分的臨界含水率，以上沒有微孔蒸發(fā)，而以下全部是微孔蒸發(fā)，并且微孔的連通孔隙較其他孔隙裂隙要多。所以微孔隙一旦開始蒸發(fā)，吸附能力就有了質(zhì)的飛越，此時(shí)吸附能力的提高速率遠(yuǎn)高于其他孔隙蒸發(fā)時(shí)的速率。微觀解釋是一旦微孔隙端部打開，大量的瓦斯氣體通過打開的微孔在已有的壓力下盡可能多地滲入到與其連通的所有孔隙中，此時(shí)的吸附與孔隙壓力有密切關(guān)系，壓力越大，氣體分子滲入的孔隙越多、范圍越廣，吸附量也越大。通過吸附微觀機(jī)理的研究可以擴(kuò)展到宏觀研究中，由于宏觀吸附中吸附量是與含水率、孔隙壓力和煤種相關(guān)的，不同的煤種孔隙構(gòu)成與孔隙分布都是不相同的，因此這些因素都是可以在微觀下加以解釋的，由微觀研究擴(kuò)展到宏觀研究，使結(jié)果更合理、更具有普遍性、真實(shí)性。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用大塊煤樣進(jìn)行研究，描述了整個(gè)吸附過程、吸附速率和能力，并借助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析了吸附微觀機(jī)理，此研究綜合了實(shí)際煤體賦存中所含有的孔隙、裂隙及其他物理性質(zhì)，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果能更好地反映實(shí)際含水煤體的賦存狀態(tài)。通過研究得出以下結(jié)論：

（1）在定容吸附實(shí)驗(yàn)中，干燥煤樣的吸附速率是含水2%時(shí)的22倍。

（2）給出了塊煤在不同含水率下的瓦斯吸附量線性校正公式，并與前人得出的反線性公式進(jìn)行對(duì)比，得出塊煤與粉煤吸附性的異同。

（3）給出了不同含水率下吸附量隨時(shí)間變化的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系式，并針對(duì)本實(shí)驗(yàn)煤種提出1%含水率是吸附能力的重要分界線。

［1］張占存，馬丕梁 .水分對(duì)不同煤種瓦斯吸附特性影響的實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008（2）

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［5］趙東，趙陽(yáng)升，馮增朝等 .結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)分析注水對(duì)煤體瓦斯解吸的影響 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011 （4）

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Research on effect of moisture on gas adsorption characteristics of coal and its microcosmic mechanism

Yan Kai1，Zhao Dong2
（1.Chongqing Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Shapingba，Chongqing 400037，China；2.Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Few researches focused on the effect of different moisture contents in coal on the gas adsorption capability and the microcosmic adsorption mechanism of coal under the combined influence of water and gas.According to the experimental results and the theory of microcosmic gas-liquid two phase flow，it can be known that the adsorption rate for the fixed volume decreased with the increase of moisture content under the same initial pressure，and the adsorption rate for dry coal was 22 times than that for the coal with 2%of moisture.The adsorption capacity of coal containing different moisture contents followed logarithmic distribution，and the results were different when the moisture content is greater or less than 1%.

bulk coal containing moisture，moisture content，gas adsorption，microcosmic mechanism，experimental research

TD712

A

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51104105）；太原理工大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目 （2012）

閆凱 （1986-），男，山西運(yùn)城人，2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)在中煤科工集團(tuán)重慶研究院工作，主要從事安全技術(shù)工程方面的研究。

（責(zé)任編輯 張艷華）