粉煤粒徑對(duì)瓦斯吸附平衡時(shí)間的影響機(jī)制

姜海納，徐樂(lè)華，程遠(yuǎn)平

（1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030024；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

煤炭開(kāi)采利用及煤與瓦斯突出等礦井災(zāi)害發(fā)生時(shí)，均存在煤體粉化現(xiàn)象，粉化程度的大小對(duì)煤中瓦斯吸附/解吸性能的改變具有重要影響，當(dāng)前相關(guān)研究大致包含測(cè)定煤中瓦斯的朗格繆爾吸附等溫線及解吸曲線2方面內(nèi)容[1－2]。研究表明，由于構(gòu)造煤的破碎程度較原生結(jié)構(gòu)煤大，故其平均粒徑相對(duì)較小，故而造成大部分構(gòu)造煤的吸附瓦斯能力與原生結(jié)構(gòu)煤相比要強(qiáng)。高魁，李一波，許江等分別研究了構(gòu)造軟煤、型煤顆粒粒徑與瓦斯吸附性能之間的關(guān)系[3－6]，研究結(jié)果表明，煤粒徑減小吸附能力增強(qiáng)。許滿貴等[7]進(jìn)一步考慮了壓力對(duì)瓦斯吸附能力的影響，發(fā)現(xiàn)吸附量受粒徑與壓力雙重控制，壓力增大，粒徑減小，吸附量增大。張?zhí)燔姷萚8]研究表明粒徑存在一定的閾值，低于閾值，吸附量會(huì)隨顆粒減小而增大，超過(guò)該閾值后，煤呈現(xiàn)過(guò)度破壞特征，吸附量會(huì)有所減小。此外，構(gòu)造煤粒徑對(duì)瓦斯解吸速度影響較大，主要表現(xiàn)為：隨著粒徑減小，單位時(shí)間內(nèi)瓦斯解吸量、初始瓦斯解吸速度及衰減幅度增大[9－16]，且吸附達(dá)到平衡前，煤吸附瓦斯時(shí)間對(duì)瓦斯解吸量也將產(chǎn)生較大影響[14]。隨著煤破碎程度增加，粒徑減小，瓦斯吸附與解吸能力一般呈增大趨勢(shì)，然而尚缺乏粒徑對(duì)吸附平衡時(shí)間影響的研究。吸附平衡時(shí)間選取準(zhǔn)確性將直接影響瓦斯吸附常數(shù)測(cè)定結(jié)果精度，進(jìn)而影響煤礦現(xiàn)場(chǎng)瓦斯吸附量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性[17]。為此，針對(duì)粒徑對(duì)煤吸附瓦斯所需的平衡時(shí)間開(kāi)展研究，由此消除吸附平衡時(shí)間對(duì)瓦斯含量測(cè)定結(jié)果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

煤樣吸附等溫線的測(cè)定在GB/T 19860—2008標(biāo)準(zhǔn)及MT/T 752—1997標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以增加實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性。吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定原理圖如圖1。

圖1 吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定原理圖Fig.1 Schematic diagram for adsorption experiment

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除裝樣質(zhì)量均為50 g、恒溫水浴條件均為30℃外，實(shí)驗(yàn)還對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)：①煤樣罐的充氣方式，采用等體積的參比罐進(jìn)行；②實(shí)驗(yàn)罐體的壓力表由機(jī)械表替換為數(shù)字壓力表，壓力表的精度為小數(shù)點(diǎn)后3位數(shù)，用以提高壓力平衡點(diǎn)判定的準(zhǔn)確性，以便得到精度較高的吸附平衡時(shí)間；③為保證各粒徑煤樣罐在裝樣后，煤樣罐自由空間相同，實(shí)驗(yàn)裝樣后，采用鋼球?qū)γ簶庸摅w進(jìn)行填充，鋼球所用材質(zhì)與罐體相同。

煤體內(nèi)孔隙具有表面能，導(dǎo)致瓦斯在與煤孔隙表面接觸時(shí)被吸附，表現(xiàn)為煤孔隙內(nèi)表面瓦斯富集，瓦斯?jié)舛仍黾?。研究表明，恒溫條件下，煤中瓦斯吸附量與吸附平衡壓力滿足朗格繆爾關(guān)系式：

式中：Q為標(biāo)況下，單位質(zhì)量煤可燃基的瓦斯飽和吸附量，m3/t；a為單位質(zhì)量煤可燃基被瓦斯單層吸附覆蓋時(shí)的極限值，m3/t；b為朗格繆爾常數(shù)，MPa－1；p為給定溫度下吸附平衡時(shí)的瓦斯壓力值，MPa。

通過(guò)測(cè)定給定煤粒徑、充氣壓力，在恒定溫度條件下煤樣的瓦斯吸附量，可獲得煤中瓦斯吸附量Q與平衡壓力點(diǎn)p的關(guān)系曲線，即吸附等溫線，采用式（1）對(duì)吸附等溫線進(jìn)行擬合，可求得朗格繆爾參數(shù)a、b值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 各粒徑級(jí)吸附等溫線

為研究瓦斯吸附等溫線隨煤顆粒粒徑變化情況，以馬場(chǎng)礦煤樣為研究對(duì)象，所選樣品可分為4個(gè)級(jí)別：微米級(jí)（＜0.01 mm）、十微米級(jí)（0.01～0.08 mm）、百微米級(jí)（0.08～0.2 mm、0.2～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm）、毫米級(jí)（1～3 mm、3～4 mm）為研究對(duì)象，開(kāi)展瓦斯等溫吸附實(shí)驗(yàn)，采用式（1）對(duì)吸附數(shù)據(jù)擬合，煤樣吸附等溫線隨粒徑變化關(guān)系圖如圖2，p0、p1、p2、p3、p4、p5為吸附平衡時(shí)各點(diǎn)壓力值。

由圖2可知，隨壓力增大，各粒徑煤樣瓦斯吸附量均呈增速變緩趨勢(shì)[18－19]。各粒徑煤樣吸附等溫線存在“分級(jí)”現(xiàn)象，位于最上方的微米級(jí)粒徑（＜0.01 mm）煤樣的等溫線為“一級(jí)”，吸附量最大；十微米及較小粒徑百微米（0.01～0.08 mm與0.08～0.2 mm）粒徑煤樣的吸附等溫線近乎重合，吸附量次之，為“二級(jí)”，吸附量較“一級(jí)”煤樣偏?。淮罅桨傥⒚准?jí)粒徑煤樣（0.2～0.25、0.25～0.5、0.5～1 mm）吸附瓦斯的等溫線較接近，為“三級(jí)”；毫米級(jí)粒徑煤樣（1～3、3～4 mm）的吸附瓦斯等溫線較接近，為“四級(jí)”，位于圖2的最下方，吸附量最小。由分級(jí)情況可知，煤樣粒徑級(jí)別越低，煤樣吸附性越強(qiáng)，吸附所得等溫線越高，這是由于煤樣在破碎過(guò)程中，煤孔隙結(jié)構(gòu)的損傷程度增強(qiáng)，孔隙復(fù)雜程度降低，瓦斯更易進(jìn)入煤體內(nèi)部。

圖2 煤樣吸附等溫線隨粒徑變化關(guān)系Fig.2 Variation of adsorption isotherms of coal particles w ith particle sizes

進(jìn)一步觀察各粒徑煤樣吸附能力差異，根據(jù)式（1）對(duì)圖2中朗格繆爾吸附等溫線數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，各粒徑煤樣朗格繆爾吸附常數(shù)a、b值見(jiàn)表1。

表1 各粒徑煤樣朗格繆爾吸附常數(shù)a、b值Table 1 Langmuir constants of a and b w ith particle sizes

由表1可知，各粒徑級(jí)煤樣的極限吸附量a值為19.71～29.68 mL/g，且該值隨粒徑級(jí)的減小呈增大趨勢(shì)，這可能是由于煤樣粒徑減小，煤體孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，部分閉孔被打開(kāi)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)定的煤比表面積及孔容均呈增大趨勢(shì)，且由于閉孔的打開(kāi)煤孔隙吸附點(diǎn)位增多，從而導(dǎo)致瓦斯吸附空間增大。

此外，各粒徑級(jí)煤樣的壓力參數(shù)b值介于0.544～0.616 MPa－1間。研究表明，b值越大，吸附量隨壓力變化的幅度越大。由表1可知，隨粒徑級(jí)的降低，該值呈先增后減趨勢(shì)，在百微米粒徑級(jí)處達(dá)到最大值。其原因可能是隨粒徑減小，一方面，孔隙比表面積及孔容的增大，導(dǎo)致瓦斯吸附性能對(duì)壓力的敏感性增大；另一方面瓦斯進(jìn)入煤中路徑復(fù)雜程度及長(zhǎng)度均減小，瓦斯進(jìn)入煤孔隙內(nèi)的難易程度降低，而在微米級(jí)及十微米級(jí)粒徑的煤樣可能產(chǎn)生過(guò)度破壞，從而導(dǎo)致大量孔隙內(nèi)比表面積暴露而變?yōu)橥獗缺砻娣e。

為獲得吸附常數(shù)a、b值隨粒徑變化的定量關(guān)系，以各粒徑級(jí)煤顆粒的平均直徑D為橫坐標(biāo)，分別以朗格繆爾參數(shù)a、b值為縱坐標(biāo)繪圖，朗格繆爾參數(shù)a、b值隨煤粒徑變化圖如圖3。

圖3 朗格繆爾參數(shù)a、b值隨煤粒徑變化圖Fig.3 Variations of Langmuir constants of a and b w ith coal particle sizes

由式（2）中參數(shù)Ba＜0、Ca＞0亦可說(shuō)明，隨粒徑增大，吸附常數(shù)a值均呈冪函數(shù)下降趨勢(shì)。由式（3）及其參數(shù)情況可知，吸附常數(shù)b值與煤顆粒直徑均呈開(kāi)口向下的二次函數(shù)形式，在百微米粒徑位置取得最大值。綜合分析吸附常數(shù)a、b值隨粒徑變化規(guī)律可知，對(duì)于選定粒徑煤樣，在百微米級(jí)粒徑處煤樣的a、b值相對(duì)較大，由此計(jì)算得到的瓦斯吸附量可能取得最大或次大值，由此可初步判定煤礦現(xiàn)場(chǎng)瓦斯含量測(cè)定所選粒徑煤樣需控制在百微米級(jí)粒徑以下。

2.2 各粒徑級(jí)煤樣吸附平衡時(shí)間

測(cè)定煤樣的吸附平衡時(shí)間的步驟如下：①打開(kāi)參比罐；②參比罐壓力穩(wěn)定后，打開(kāi)煤樣罐，以便連通參比罐和煤樣罐；③參比罐與煤樣罐連通瞬間，按下秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)；④煤樣罐內(nèi)樣品吸附瓦斯，瓦斯壓力下降，待2罐壓力穩(wěn)定后，按下秒表。秒表所走時(shí)間即為煤樣吸附瓦斯，到達(dá)平衡時(shí)所需時(shí)間，即吸附平衡時(shí)間，吸附平衡時(shí)間與粒徑關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 吸附平衡時(shí)間與粒徑關(guān)系Table 2 Variation of adsorption equilibrium time for coal samplesw ith four degrees of particle sizes

由表2可知，吸附平衡時(shí)間隨吸附平衡壓力的增大而急劇縮短，觀察最低壓力點(diǎn)和最高壓力點(diǎn)的吸附平衡時(shí)間可知，對(duì)于小于0.01 mm煤樣而言，吸附平衡時(shí)，所需時(shí)間由低壓的上百分鐘急劇減小到高壓下的幾分鐘，高壓吸附平衡時(shí)間與低壓吸附平衡時(shí)間之比為0.032；同理，隨著粒徑增大，經(jīng)計(jì)算可得，其余各粒徑煤樣的高低壓吸附平衡時(shí)間之比依次為0.079、0.1114、0.1224、0.11、0.1、0.072及0.119。綜上可知，吸附平衡所需時(shí)間會(huì)隨著瓦斯壓力的增大而減小，減幅則隨粒徑的增大先增后減，說(shuō)明在粒徑過(guò)大或過(guò)小，吸附平衡時(shí)間的改變對(duì)粒徑的敏感性均會(huì)降低。結(jié)合瓦斯吸附常數(shù)a、b值隨粒徑變化規(guī)律，可得出在百微米粒徑處，選擇較小粒徑進(jìn)行瓦斯吸附量測(cè)定，可在較短時(shí)間內(nèi)獲得更精確的結(jié)果。

以微米級(jí)粒徑（＜0.01 mm）煤樣吸附平衡時(shí)，到達(dá)各壓力平衡點(diǎn)時(shí)，所需時(shí)間為基準(zhǔn)，觀察其余粒徑煤樣與小于0.01 mm粒徑煤樣吸附平衡時(shí)間的比值，吸附平衡時(shí)間的粒徑敏感性見(jiàn)表3。

表3 吸附平衡時(shí)間的粒徑敏感性Table 3 Particle size sensitivity to adsorption equilibrium time

由表3可知，隨著粒徑增大，較大粒徑煤樣的吸附平衡時(shí)間與微米級(jí)粒徑（＜0.01 mm）煤樣的吸附平衡時(shí)間比值呈增大趨勢(shì)，在低壓p0條件下，吸附平衡時(shí)間隨粒徑增大的比值介于1.61～440.49之間，在高壓p5條件下，隨粒徑增大，吸附平衡時(shí)間增長(zhǎng)倍數(shù)介于4～1643.2倍。

由表2、表3可知，各粒徑級(jí)煤樣吸附平衡時(shí)間均隨壓力增大而減小，與粒徑呈正相關(guān)關(guān)系；吸附平衡時(shí)，對(duì)于微米級(jí)粒徑煤樣，吸附平衡時(shí)所需時(shí)間最短僅需幾分鐘，而對(duì)于毫米級(jí)粒徑煤樣所需最短時(shí)間則可高達(dá)數(shù)天，這與張力[20]及李小彥[21]等研究結(jié)果一致，這是由于粒徑增大，煤樣運(yùn)移路徑趨于復(fù)雜，瓦斯在煤孔內(nèi)的運(yùn)移變困難。為定量觀察吸附平衡時(shí)間與粒徑、吸附平衡壓力的關(guān)系，對(duì)各粒徑煤樣的吸附平衡時(shí)間與吸附平衡壓力作關(guān)系圖，煤樣吸附平衡時(shí)間與壓力變化關(guān)系如圖4。

對(duì)圖4中各粒徑級(jí)煤樣的吸附平衡時(shí)間tp對(duì)壓力p的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到式（4）：

圖4 煤樣吸附平衡時(shí)間與壓力變化關(guān)系Fig.4 Variation of adsorption equilibrium time for coal samp les w ith pressure

式中：tp為給定粒徑及壓力條件下，粉煤顆粒吸附平衡所需時(shí)間，min；E、F為吸附平衡時(shí)間tp與壓力p的擬合參數(shù)，二者共同決定tp～p曲線的變化趨勢(shì)，E＞0，F(xiàn)＜0表示曲線單調(diào)遞減，即隨著壓力的增大，吸附平衡時(shí)間縮短。

各粒徑煤樣的tp～p曲線采用式（3）進(jìn)行擬合，吸附平衡時(shí)間的壓力敏感性見(jiàn)表4。

表4 吸附平衡時(shí)間的壓力敏感性Table 4 Pressure sensitivity to adsorption equilibrium time

由表4可知，對(duì)于給定粒徑煤樣，壓力增大，吸附平衡時(shí)時(shí)間tp減幅變小，即tp對(duì)高壓的敏感性較低壓小。粒徑改變時(shí)，各粒徑級(jí)煤樣對(duì)應(yīng)的擬合關(guān)系相關(guān)度均在0.9以上，隨著粒徑級(jí)的增高，常數(shù)E呈明顯增大趨勢(shì)，而常數(shù)F除微米級(jí)及十微米級(jí)粒徑煤樣外，其余粒徑級(jí)煤樣基本相同，故這2個(gè)高粒徑級(jí)煤樣的吸附平衡時(shí)間主要由常數(shù)E決定。由圖4及表4中數(shù)據(jù)可知，對(duì)于微米級(jí)粒徑煤樣的吸附平衡時(shí)間較十微米級(jí)粒徑煤樣比明顯偏小。

3 結(jié) 論

1）吸附常數(shù)a值與煤粒徑值呈冪函數(shù)減小關(guān)系，而b值，則與煤粒徑呈開(kāi)口向下的二次函數(shù)關(guān)系，在百微米級(jí)粒徑處獲得最大值，故百微米級(jí)粒徑煤樣的吸附量相對(duì)偏高，更適合用于煤礦瓦斯含量測(cè)定。

2）對(duì)于某一給定粒徑的煤樣，吸附平衡壓力增大，吸附平衡時(shí)間降幅變緩，表明吸附平衡時(shí)間對(duì)高壓的敏感性低。

3）粒徑級(jí)減小，各粒徑級(jí)煤樣吸附平衡時(shí)間均呈減小趨勢(shì)；粒徑級(jí)增大，吸附平衡時(shí)間的增幅先增后減，表明粒徑過(guò)大或過(guò)小，其對(duì)吸附平衡時(shí)間的影響敏感度均降低，而百微米粒徑區(qū)間煤樣最敏感，綜上可考慮選擇百微米粒徑煤樣中較小粒徑的煤樣進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定，以用最短時(shí)間獲得更精確結(jié)果。