沁水盆地寺河煤礦煤巖吸附甲烷規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

張振兵，邱小龍，袁月琴，李向峰，郝 琦，王 軍

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)局 一一三地質(zhì)大隊(duì)，貴州 六盤水 553001)

沁水盆地寺河煤礦煤巖吸附甲烷規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

張振兵，邱小龍，袁月琴，李向峰，郝 琦，王 軍

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)局 一一三地質(zhì)大隊(duì)，貴州 六盤水 553001)

煤儲(chǔ)層具有大量的裂隙和孔隙，使煤巖具有很大的比表面積，為煤中甲烷的吸附提供了必要條件。采用自主研發(fā)的煤層氣吸附裝置，通過(guò)對(duì)沁水盆地寺河煤礦不同粒徑煤粉的吸附性模擬實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了不同粒徑煤粉在吸附甲烷12 h內(nèi)的吸附規(guī)律，計(jì)算出其中吸附氣量，研究了吸附速率、吸附量的變化規(guī)律。研究認(rèn)為：吸附的前10 min，吸附量占總吸附量的40%～60%，煤粉粒徑越小，所占的比例越大，吸附越快；不同粒徑煤粉的吸附量為15.1～29.1 mL/g，煤粉粒徑越小，單位質(zhì)量煤粉吸附量越大。通過(guò)對(duì)煤巖吸附規(guī)律的深入研究，為沁水盆地煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持。

吸附速率；吸附量；比表面積；煤巖；甲烷；沁水盆地

煤層氣是一種賦存在煤中的非常規(guī)天然氣，開(kāi)發(fā)和利用煤層氣資源不僅能緩解我國(guó)能源緊張的局勢(shì)，還能有效地減少瓦斯事故的發(fā)生率，是綠色、安全、清潔的后備能源。煤層氣以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存，其中主要以吸附的狀態(tài)分布在煤巖基質(zhì)中[1-10]。前人在Langmuir理論基礎(chǔ)之上進(jìn)行了大量的甲烷吸附規(guī)律研究[11-16]，但對(duì)煤巖中甲烷吸附規(guī)律的深入研究還較少。本文以沁水盆地寺河煤礦煤巖為研究對(duì)象，選取不同尺寸的煤巖顆粒為實(shí)驗(yàn)樣品，測(cè)試分析了不同尺寸煤巖顆粒的吸附規(guī)律，旨在為煤層氣的勘探、開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品及實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)以沁水盆地寺河煤礦煤巖為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求將煤塊粉碎，對(duì)不同尺寸的煤巖顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)樣品編號(hào)及基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

為了模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件下的甲烷吸附狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)采用高純度的甲烷氣體，甲烷吸附壓力為5 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃，吸附時(shí)間12 h。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)使用的煤巖吸附儀(型號(hào)為CBMXF-1)為成都理工大學(xué)自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置具有恒溫功能, 能將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度恒定在25 ℃；主要由壓力容器、測(cè)試容器、計(jì)量容器、回壓閥、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)方法采用高壓容量法。主要實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟：(1) 首先進(jìn)行氣密性檢測(cè)，并進(jìn)行壓力容器罐死體積(自由體積)的確定；(2)開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，啟動(dòng)恒溫設(shè)備；(3)接通甲烷氣瓶，在5 MPa下吸附甲烷12 h；(4)吸附甲烷后，導(dǎo)出吸附數(shù)據(jù)，打開(kāi)放空閥將甲烷緩慢排出并點(diǎn)燃，清洗壓力容器。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 吸附速率隨吸附時(shí)間的變化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了4種不同粒徑的煤粉在相同吸附條件下的吸附速率(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，在吸附的前10 min，煤粉粒徑越小，吸附速率越大，后期煤粉粒徑對(duì)煤巖吸附速率影響較小。主要是由于煤粉破碎后，煤巖孔隙空間破壞，煤粉中甲烷的吸附空間減小，因此不同粒徑煤粉后期的吸附速率相差不大。

2.2 不同粒徑煤粉吸附量

通過(guò)煤粉吸附量計(jì)算，得到不同粒徑煤粉吸附量(表2)。從表2中可以看出，煤粉粒徑越小，煤巖比表面積越大，單位質(zhì)量煤粉吸附量越大，總體來(lái)說(shuō)不同粒徑煤粉的吸附量在15.1～29.1 mL/g。

分析吸附前10 min的壓力降，計(jì)算吸附的前10min的吸附量，統(tǒng)計(jì)分析得到吸附前10min的吸附量占總吸附量的40%～60%(圖2)。

圖1 不同粒徑煤粉吸附速率對(duì)比

樣品編號(hào)吸附初始?jí)毫?MPa吸附12h后壓力/MPa煤粉吸附量/(mL·g-1)J3-15.4464.8415.1J3-25.2184.7625.4J3-35.1174.8526.2J3-45.3264.8929.1

分析最后吸附30 min的壓力變化，計(jì)算出了最后30 min內(nèi)吸附量(表3)?？梢钥闯觯皆酱?，吸附達(dá)到飽和的時(shí)間也越長(zhǎng)，但是總體上煤巖的吸附主要集中在前10 min，后期吸附較少，可以認(rèn)為煤巖是準(zhǔn)飽和吸附。

2.3 不同比表面積下甲烷吸附速率

煤粉粒徑越小，煤巖中的孔隙和裂隙破壞越多，使煤巖表面裸露的面積增大，比表面積也隨之增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了甲烷與不同粒徑煤粉接觸時(shí)的吸附速率，隨著比表面積增大，在單位時(shí)間內(nèi)，甲烷的吸附速率也增大，且呈指數(shù)關(guān)系變化(圖3)。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)測(cè)試4種不同粒徑的煤粉在相同吸附條件下的吸附速率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在吸附的前10 min，煤粉粒徑越小，吸附速率越大，后期煤粉粒徑對(duì)煤巖吸附速率影響較小。

圖2 不同粒徑煤粉前10 min的吸附量占總吸附量百分比

樣品編號(hào)最后30min吸附容器中的壓力降/MPa最后30min煤粉吸附量/(mL·g-1)最后30min單位質(zhì)量煤粉吸附速率/(mL·g-1·min-1)J3-10.45.680.006J3-20.34.410.005J3-30.23.800.004J3-40.22.910.003

圖3 吸附速率隨比表面積變化規(guī)律

(2)通過(guò)吸附壓力降低計(jì)算，得到不同粒徑煤粉吸附12 h的單位質(zhì)量甲烷的吸附量為15.1～29.1 mL/g；煤粉粒徑越小，煤巖比表面積越大，單位質(zhì)量煤粉吸附量越大。

(3)隨著比表面積增大，在單位時(shí)間內(nèi)，甲烷的吸附速率也增大，且呈指數(shù)關(guān)系變化。

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(編輯 徐文明)

Experimental study on methane adsorption of coal bed from Sihe Mine in Qinshui Basin

Zhang Zhenbing, Qiu Xiaolong, Yuan Yueqin, Li Xiangfeng, Hao Qi, Wang Jun

(Brigade 113, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Exploration & Development, Liupanshui, Guizhou 553001, China)

Due to abundant racks and pores, coal bed has a huge specific surface area which provides the necessary conditions for the adsorption of methane in coal. A case study was made in the Sihe Mine in the Qinshui Basin. Using the self-developed CBM adsorption experiment instrument, the absorption rules (including rate and amount) within 12 h of methane in coal of different sizes were studied. The absorption amount during the prior 10 minutes accounts for 40%-60% of total absorption amount. Moreover, the smaller the coal particle is, the bigger proportion the small particle accounts for, the faster the methane is absorbed. The adsorption capacities for different coal sizes range from 15.1 to 33.6 mL/g. The smaller the coal particle is, the more methane is absorbed in coal per unit. The study of the adsorption law of coal bed provides technological supports for the exploration and development of the Qinshui Basin.

adsorption rate; adsorption amount; specific surface area; coal; methane; Qinshui Basin

1001-6112(2014)05-0656-03

10.11781/sysydz201405656

2014-01-05；

2014-08-05。

張振兵(1966—)，男，工程師，從事煤田地質(zhì)勘探工作。E-mail: 1240180798@qq.com。

TE132.2

A