西南典型礦區(qū)煤等溫吸附/解吸影響因素研究

張永強(qiáng)，韓志雄，薛海軍，2，路冠文

(1.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005；2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

煤孔隙表面對瓦斯具有很強(qiáng)的吸附能力，其吸附過程是一種物理吸附，且以游離態(tài)吸附為主。實(shí)驗(yàn)證明，在儲層條件下，煤對氣相介質(zhì)的吸附符合朗格繆爾單分子層吸附理論。因此，通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)來研究煤的吸附特征，并用吸附量表示煤對氣體的吸附能力[1-4]。其吸附能力除受煤孔、裂隙特征、煤質(zhì)特征等自身因素影響外，還受溫度、壓力等外界條件的影響。學(xué)者對不同地區(qū)煤水分、灰分、固定碳、實(shí)驗(yàn)溫度、壓力及變形、變質(zhì)程度等因素對煤吸附性能的影響進(jìn)行了大量的研究。田永東、牛國慶、劉貝通過對不同地區(qū)、不同時(shí)代、不同變質(zhì)程度煤的等溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為煤的吸附性能受多方面因素的影響，吸附量隨著煤變質(zhì)程度的增高而增大，與鏡質(zhì)組含量呈正相關(guān)、與惰質(zhì)組含量呈負(fù)相關(guān)；水分、溫度對煤的吸附能力有負(fù)面影響[5-7]。而鐘玲文認(rèn)為變質(zhì)程度對煤吸附能力具有控制作用，當(dāng)Ro，max=0.46%～1.3%時(shí)，隨著煤變質(zhì)程度的增高吸附量減少，Ro，max=1.3%～5.32%時(shí)，隨著煤變質(zhì)程度的增高吸附量增加，Ro，max=5.0%左右時(shí)，吸附量達(dá)最高值[8]。蘇現(xiàn)波發(fā)現(xiàn)隨煤階的增高煤的吸附能力先后經(jīng)歷了4個階段：快速增加階段(Ro，max<1.3%)、緩慢增加階段(Ro，max介于1.3% ～2.5%)、達(dá)到極大值階段(Ro，max介于2.5%～4.0%)和降低階段(Ro，max>4.0%)[9]。同時(shí)姚艷斌通過對華北重點(diǎn)礦區(qū)煤樣進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為煤的吸附能力隨著鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量總和的增大而增大，惰質(zhì)組對煤吸附能力影響較大[10]。

張慶玲通過不同溫度條件下的等溫吸附實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)溫度對吸附量的影響不大。煤對甲烷的吸附能力隨壓力升高而增大，當(dāng)壓力升到一定值時(shí)，煤的吸附能力達(dá)到飽和，吸附量不再增加[11]。而王偉認(rèn)為吸附平衡瓦斯壓力和吸附量基本成線性相關(guān)關(guān)系[12]。郝世雄通過對不同固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤樣進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70.17%～94.45%時(shí)，煤的吸附能力隨著固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈開口向上的二次多項(xiàng)式關(guān)系[13]。而鐘玲文認(rèn)為碳含量75%～87%階段，煤的吸附能力漸次降低，碳含量87.0%～93.4%階段，吸附能力增加，碳含量大于93.4%，吸附能力驟減[14]。屈爭輝、孟召平、路冠文通過對不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣的等溫吸附試驗(yàn)，認(rèn)為吸附能力隨變形程度的增大而增大[15-17]。

前人研究取得了豐碩的成果，但也存在不足，絕大多數(shù)研究實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量有限，且缺乏系統(tǒng)采樣，各因素對煤吸附性能的影響仍存在一定分歧。同時(shí)西南地區(qū)是我國重要的煤炭資源基地，也是我國主要的煤層氣勘探區(qū)。同時(shí)煤的吸附解吸性能是煤儲層評價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，對煤與瓦斯突出預(yù)測以及圈定煤層氣富集區(qū)具有十分重要的意義。本文基于上述問題，通過系統(tǒng)采樣、測試，對影響煤吸附解吸性能的各因素進(jìn)行了探討，以期對該地區(qū)礦井煤與瓦斯突出預(yù)測及煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)樣品與方法

本次研究選取西南地區(qū)代表性礦區(qū)，采集了不同變質(zhì)、變形程度的煤樣，進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)之前，對煤樣進(jìn)行了工業(yè)分析、鏡質(zhì)組反射率、顯微組分的測定以及變形類型[14]的鑒定。其中貴州、四川地區(qū)煤主要以中等變質(zhì)、弱變形、特低水分、中高揮發(fā)分、低～中灰煤為主，湖南、重慶地區(qū)煤主要以高變質(zhì)、強(qiáng)變形、特低水分、低揮發(fā)分、低灰煤為主(表1)。

采用IS-100型氣體等溫吸附/解吸儀。試驗(yàn)的過程按照《煤的甲烷吸附量測定方法(高壓容量法)》(MT/T 752—1997)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，控溫精度0.1℃，重復(fù)性誤差小于±2%，吸附劑采用純度為99.99%的甲烷氣體。所有煤樣首先在試驗(yàn)溫度25℃和壓力8MPa條件下進(jìn)行等溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn)，然后對部分煤樣設(shè)置不同溫度、壓力條件進(jìn)行等溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤質(zhì)特征對煤吸附性能的影響

2.1.1 變質(zhì)程度對煤吸附性能的影響

煤變質(zhì)程度與吸附量的關(guān)系如圖1所示，在中等變質(zhì)煤階段，煤的吸附能力與變質(zhì)程度呈正相關(guān)關(guān)系，而在高變質(zhì)的無煙煤階段呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著煤變質(zhì)程度的增高，吸附能力表現(xiàn)為呈先增大(Ro，max介于0.65%～1.52%)后降低(Ro，max大于1.52%)的倒“U”型關(guān)系。煤吸附量在Ro，max介于0.90%～1.20%之間最低，Ro，max在3.0%左右時(shí)出現(xiàn)高峰，這與前人研究所得結(jié)論基本一致[9]。這可能由于隨著煤由中變質(zhì)階段向高變質(zhì)階段演化，煤的孔面積和孔隙度先增大在減小[9，11]，進(jìn)而表現(xiàn)為吸附能力隨煤變質(zhì)程度的增高呈先增大后降低的關(guān)系。本次研究所采煤樣均為中高階煤級，對于低階煤變質(zhì)程度對煤吸附能力的影響有待進(jìn)一步研究。

2.1.2 顯微組分對煤吸附性能的影響

顯微組分是煤的主要物質(zhì)組成部分，是影響煤吸附能力的一個重要因素。研究發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)組發(fā)育更多微孔，微孔數(shù)量增加，吸附能力增大，而惰質(zhì)組比鏡質(zhì)組更親水，水分含量的增加使惰質(zhì)組吸附性能下降，同時(shí)鏡質(zhì)組孔隙和內(nèi)表面積均大于其他組分[9]。

煤不同顯微組分含量與吸附量的關(guān)系如圖2—4所示，煤鏡質(zhì)組含量與煤吸附量呈正相關(guān)關(guān)系，且煤的變質(zhì)程度越高，其相關(guān)性越強(qiáng)，殼質(zhì)組、惰質(zhì)組含量與煤吸附量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由表1可知，高變質(zhì)階段煤，煤中惰質(zhì)組及殼質(zhì)組的含量明顯降低，其對吸附量的影響不大。因此，鏡質(zhì)組含量越高，煤的吸附能力越強(qiáng)，殼質(zhì)組、惰質(zhì)組的存在降低了煤的吸附能力。高煤化階段，煤的吸附能力主要受煤中鏡質(zhì)組含量的影響。

表1 樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 煤變質(zhì)程度與吸附量的關(guān)系

圖2 煤鏡質(zhì)組含量與吸附量的關(guān)系

圖3 煤殼質(zhì)組含量與吸附量的關(guān)系

2.1.3 水分對煤吸附/解吸性能的影響

煤中水分占據(jù)了煤中孔隙，降低了煤的吸附能力，這一點(diǎn)已得到共識[5-8]。煤水分含量與吸附量的關(guān)系如圖5所示，整體上隨著水分含量的增大，吸附量呈減小趨勢，這與前人研究得出的結(jié)論基本一致。同時(shí)不同地區(qū)煤中水分含量對煤吸附能力的影響不盡相同，表現(xiàn)為貴州、四川地區(qū)的煤吸附能力受水分的影響明顯強(qiáng)于湖南和重慶地區(qū)的煤。水分對煤解吸能力的影響表現(xiàn)為相識的特征(圖6)，水分的升高解吸能力呈降低的趨勢，同時(shí)貴州、四川地區(qū)煤的解吸能力受水分的影響明顯強(qiáng)于湖南和重慶地區(qū)煤。這可能是由于：①隨著煤化程度的增高，煤分子結(jié)構(gòu)單元上極性基團(tuán)以及水分子占據(jù)的煤孔隙減少，煤對水分的吸附能力降低，而CH4分子占據(jù)的煤孔隙相對增多，表現(xiàn)為煤的吸附能力增大；②煤中水分產(chǎn)生的毛細(xì)管力封堵了瓦斯釋放的通道，使得甲烷分子的運(yùn)動受阻，從而導(dǎo)致解吸量減小，解吸率降低；③其他因素(如煤的變質(zhì))影響了水分對了不同地區(qū)煤的吸附、解吸的控制作用。

圖5 煤水分含量與吸附量的關(guān)系

圖6 煤水分與解吸量的關(guān)系

2.1.4 揮發(fā)分對煤吸附性能的影響

揮發(fā)分是指煤中有機(jī)質(zhì)的可揮發(fā)的熱分解產(chǎn)物，揮發(fā)分產(chǎn)率在一定程度上反映了煤的變質(zhì)程度。由表1，變質(zhì)程度愈高，煤的揮發(fā)分產(chǎn)率愈低。煤揮發(fā)分含量與吸附量的關(guān)系如圖7所示，煤的吸附能力隨著煤中揮發(fā)分含量的增大，呈明顯的降低趨勢。由于煤中揮發(fā)分的主要成分為有機(jī)質(zhì)熱分解產(chǎn)物，如一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w及液體，揮發(fā)分含量越高，CH4吸附有機(jī)質(zhì)的空間越少，導(dǎo)致煤對CH4的吸附能力越低。

圖7 煤揮發(fā)分含量與吸附量的關(guān)系

2.1.5 固定碳含量對煤吸附性能的影響

煤的固定碳是指從干煤的質(zhì)量中減去揮發(fā)物與灰分的質(zhì)量。煤的固定碳含量越高，煤中揮發(fā)分和灰分含量越低，煤固定碳含量與吸附量的關(guān)系如圖8所示，低-特高固定碳階段，煤的吸附能力隨著煤中固定碳含量的增大，呈明顯的增大的趨勢，這與煤的吸附能力隨煤中灰分、揮發(fā)分含量的增大而降低的結(jié)論一致。這主要是由于隨著固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高，煤中大分子的排列趨于規(guī)整，從而導(dǎo)致煤中孔比表面積、孔容比增大，有利于其吸附甲烷[13]。特低固定碳階段，煤的吸附能力隨著煤中固定碳含量的增大而降低，這可能是由于特低固定碳階段，灰分、揮發(fā)分等成分占優(yōu)，抑制了固定碳對吸附性能的提升作用的。

圖8 煤固定碳含量與吸附量的關(guān)系

2.2 變形特征對煤吸附性能的影響

根據(jù)六盤水礦區(qū)大河邊礦4個不同變形類型煤樣繪制的等溫吸附解吸曲線(圖9)?？梢钥闯觯孩匐S著樣品變形程度的增大，煤的吸附能力總體上呈增大的趨勢；②不同變形程度煤初始吸附速率也不盡相同，表現(xiàn)為吸附速率隨著變形程度的增大而增大。

圖9 不同煤體結(jié)構(gòu)等溫吸附解吸曲線

同時(shí)，在相同的吸附平衡壓力下，隨著變形程度的增大，煤體瓦斯解吸速率增大，解吸量增加。

這主要是由于煤的變形導(dǎo)致空隙率、中、大孔的體積及變質(zhì)程度均有所增大[16-18]，氣體更易于吸附，導(dǎo)致吸附的瓦斯量增大，同時(shí)煤層卸壓釋放瓦斯的初速度以及累積解吸量也增加。

2.3 溫度對煤吸附性能的影響

煤體吸附瓦斯的過程是放熱過程，而瓦斯氣體的解吸過程是吸熱過程。隨著溫度的升高，解吸率增大，溫度降低抑制了解吸作用[16-18]。

選取了貴州六盤水礦區(qū)DHB-3樣品，實(shí)驗(yàn)溫度條件分別為25℃、30℃、35℃，進(jìn)行不同溫度條件下的等溫吸附解吸實(shí)驗(yàn)(圖10)。隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，煤的吸附量變小，煤的吸附能力降低，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)為煤的Langmuir常數(shù)a減小，同時(shí)解吸過程中煤的解吸率增大(表2)。說明溫度升高，甲烷分子活性增強(qiáng)，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)對甲烷分子的吸附能力降低。

圖10 不同實(shí)驗(yàn)溫度DHB-3樣吸附解吸曲線

溫度/℃吸附a/(m3?t-1)b/MPa解吸a/(m3?t-1)b/MPa解吸率/%2515.6913.1815.1651.6896.643015.1872.9014.6693.0396.593513.0882.8212.7882.8897.71

2.4 壓力對煤吸附性能的影響

研究認(rèn)為吸附平衡瓦斯壓力越大，能夠進(jìn)入煤體裂隙的瓦斯分子數(shù)量越多，吸附能力越大[11，20]。

不同壓力下煤的吸附量如圖11所示，煤的吸附能力隨實(shí)驗(yàn)壓力升高而增大，且變形程度越高，吸附量受壓力變化的影響越大，當(dāng)壓力升到一定值時(shí)，吸附量趨于穩(wěn)定，且不再增加。這與多數(shù)學(xué)者得出的結(jié)論基本一致。

圖11 不同壓力下煤的吸附量

不同壓力條件煤的吸附量、解吸量、解吸率見表3，隨著解吸壓力的增大，煤的解吸率降低，且解吸速率也在減小。這可能是由于實(shí)驗(yàn)壓力的增大，CH4分子間空隙變小，單位空間內(nèi)CH4分子數(shù)量增多，煤孔、裂隙中CH4分子密度增大，同時(shí)部分CH4分子開始進(jìn)入低壓條件下無法進(jìn)入的微孔隙，導(dǎo)致解吸更加困難。

表3 不同壓力條件煤的吸附量、解吸量、解吸率統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

1)煤的吸附/解吸性能受煤自身特征(變質(zhì)程度、煤質(zhì)、變形程度)及外界條件(實(shí)驗(yàn)溫度、壓力)等多種因素的共同影響。

2)中變質(zhì)階段，煤的吸附能力與變質(zhì)程度呈正相關(guān)。高變質(zhì)階段呈負(fù)相關(guān)，Ro，max在3%左右吸附能力最強(qiáng)。煤的吸附能力與鏡質(zhì)組含量呈正相關(guān)，與惰質(zhì)組、殼質(zhì)組含量呈負(fù)相關(guān)，高煤化階段，吸附能力主要受煤中鏡質(zhì)組含量的影響。煤中水分、揮發(fā)分的存在降低了煤的吸附性能，且水分對不同地區(qū)煤吸附能力的影響不盡相同。

低-特高固定碳階段，煤的吸附能力與固定碳含量呈正相關(guān)關(guān)系，特低固定碳階段，煤的吸附能力由于灰分、揮發(fā)分等成分含量的增大，抑制了固定碳對吸附性能的提升作用。

3)變形程度越高，吸附、解吸能力越強(qiáng)，初始吸附、解吸速率、解吸量越大。

4)溫度升高，吸附能力降低，解吸能力增強(qiáng)，解吸率增大；壓力升高，吸附能力增強(qiáng)，解吸能力減弱，當(dāng)壓力升達(dá)到一定值時(shí)，吸附量趨于穩(wěn)定。