中能煤業(yè)不同吸附平衡壓力下的吸附-解吸規(guī)律研究

李潤澤 劉 飛

（1.長治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤的瓦斯解吸能力受煤體的孔隙結(jié)構(gòu)影響，尤其是受微孔結(jié)構(gòu)影響，部分甲烷氣體不能完全解吸，不同結(jié)構(gòu)煤在不同吸附平衡壓力條件下其吸附-解吸甲烷的能力差異明顯[1]，本文針對這一問題展開研究。

1 實驗煤樣選取

在本文研究過程中在中能煤業(yè)內(nèi)采取了多組3號煤層樣品，采樣區(qū)域包含構(gòu)造區(qū)域和非構(gòu)造區(qū)域，采集的煤樣破壞類型包含從Ⅲ類～Ⅴ類。樣品詳細(xì)情況見表1。

表1 等溫吸附-解吸實驗及瓦斯放散實驗煤樣信息

2 實驗室實驗及數(shù)據(jù)采集

2.1 高壓氣體等溫吸附-解吸實驗

本次對中能煤業(yè)3 號煤層不同吸附平衡壓力下的吸附-解吸規(guī)律研究，主要通過等溫高壓吸附-解吸實驗進(jìn)行[2]，利用美國康塔公司Isorb-HP2 高壓吸附儀，在室溫30℃條件下進(jìn)行等溫吸附實驗，并在實驗室等溫飽和吸附基礎(chǔ)上進(jìn)行等溫解吸實驗。

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析

本次在高壓吸附-解吸實驗中選擇了G1、G2和G6 煤樣進(jìn)行分析，上述煤樣分別代表了Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ類破壞類型構(gòu)造煤，通過美國康塔公司產(chǎn)品Isorb-HP2 高壓等溫吸附儀，采用上述實驗煤樣（0.20～0.25 mm），勻速氣壓加載和卸載（10 kPa/min）完成吸附-解吸實驗，結(jié)果見圖1。

圖1 等溫吸附解吸曲線圖

隨著壓力的加載-卸載，G1、G2、G6 等3 個煤樣的吸附-解吸曲線均表現(xiàn)出了一定分歧，即出現(xiàn)了吸附-解吸遲滯現(xiàn)象。其中，G1 和G2 煤樣的等溫吸附曲線和等溫解吸曲線基本重合，僅在吸附平衡壓力1.5 MPa 以下時出現(xiàn)了一定分歧，并且吸附和解吸的差異較小，遲滯現(xiàn)象不明顯；而G6 煤樣的等溫吸附曲線和等溫解吸曲線差異十分明顯，在吸附平衡壓力5 MPa 以下，兩條曲線之間就出現(xiàn)了明顯的分叉，相同吸附平衡壓力條件下，解吸量明顯高于吸附量。

3 3 號煤層吸附-解吸特性分析

3.1 吸附特性

煤的孔隙結(jié)構(gòu)與分布是研究瓦斯解吸的基礎(chǔ)，不同煤樣對甲烷氣體的吸附特性主要受煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)控制[3]，對于同一煤層，即使是相同礦井內(nèi)的煤層，受構(gòu)造影響其孔隙結(jié)構(gòu)也會存在一定差異，因此其吸附特性也不完全相同[4-6]。

為進(jìn)一步分析煤樣的吸附特性，根據(jù)等溫吸附實驗數(shù)據(jù)，以吸附平衡壓力為X 軸、吸附瓦斯量為Y 軸，繪制了等溫吸附數(shù)據(jù)散點圖（圖2），利用Langmuir 公式，擬合實驗數(shù)據(jù)。煤層氣體吸附氣量與壓力的關(guān)系，可由Langmuir 于1918 年提出的等溫吸附方程表示：

圖2 不同煤樣的極限瓦斯吸附量計算圖

式中：Vp為P壓力下的吸附氣量，m3/t；VL為蘭氏體積，m3/t；P為吸附平衡壓力，MPa；PL為蘭氏壓力，MPa。

國內(nèi)瓦斯領(lǐng)域在計算煤的極限吸附瓦斯量時，常對Langmuir 方程做如下變化：

式中：Q為P壓力下的吸附氣量，Q=Vp，m3/t；a為極限瓦斯吸附量，m3/t；b為二分之一極限瓦斯吸附量對應(yīng)的吸附平衡壓力的倒數(shù)。

利用公式（2）對圖2 中的數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合。根據(jù)本次計算結(jié)果，各煤樣極限瓦斯吸附量為23.388～26.176 m3/t。其中G1 煤樣的極限瓦斯吸附量為26.175 78 m3/t，明顯高于G2 和G6 煤樣；G2煤樣的極限瓦斯吸附量為23.815 m3/t，大于G6 煤樣的極限瓦斯吸附量23.388 27 m3/t。綜合上述分析，可知中能煤業(yè)3 號煤層的吸附能力存在G1 ＞G2＞G6 的趨勢，即隨著煤破壞程度的增高，吸附能力也相應(yīng)提高。

3.2 解吸特性

瓦斯解吸是瓦斯吸附的逆過程，與之相似的是不同煤體瓦斯解吸特征也與其煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[7-8]。本次吸附-解吸實驗的3 個煤樣均來自中能煤業(yè)3 號煤層，G1、G2 和G6 等煤樣來自井田范圍內(nèi)不同的區(qū)域，分別為Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ類構(gòu)造煤，煤體破壞類型的不同導(dǎo)致其孔隙結(jié)構(gòu)特征也具有一定差異，受此影響不同煤樣的解吸特性不同。通過吸附-解吸實驗獲取的等溫解吸曲線（圖3）和等溫解吸數(shù)據(jù)（表2）也證明了這一點。

圖3 不同煤樣的等溫解吸曲線圖

表2 等溫解吸實驗數(shù)據(jù)

為了與吸附過程有所區(qū)別，將利用解吸數(shù)據(jù)求取的蘭式壓力PL稱為解吸蘭式壓力，并對式（1）進(jìn)行了如下變換：

為進(jìn)一步分析煤樣的解吸特性，根據(jù)等溫解吸實驗數(shù)據(jù)，以Vp/P為X 軸、Vp 為Y 軸，繪制了等溫解吸數(shù)據(jù)散點圖（圖4）。將公式（3）看作直線方程，其中VL為截距，PL為直線的斜率。利用公式（3）對圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，計算了不同煤樣的蘭式壓力。根據(jù)本次計算結(jié)果，中能煤業(yè)3號煤層的解吸蘭式壓力為0.371 66～0.660 14 MPa。其中G1 煤樣的解吸蘭式壓力為0.660 14 MPa，明顯高于G2 和G6 煤樣；G2 煤樣的解吸蘭式壓力為0.597 24 MPa，大于G6 煤樣的解吸蘭式壓力0.371 66 MPa。對于等溫吸附過程而言，蘭式壓力越小，瓦斯越容易被煤層所吸附；而對于瓦斯解吸過程來說，則正好相反，解吸蘭式壓力越大，瓦斯越容易隨著壓力降低而從煤層中解吸出來。

圖4 不同煤樣的解吸蘭式體積計算圖

綜合上述分析，可知中能煤業(yè)3 號煤層的解吸能力存在G1 ＞G2 ＞G6 的趨勢，即隨著煤破壞程度的增高，解吸能力也相應(yīng)提高，在相同吸附平衡壓力下可以解吸出更多瓦斯。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)實驗并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，中能煤業(yè)3 號煤層極限瓦斯吸附量為23.388～26.176 m3/t。其中G1 煤樣的極限瓦斯吸附量為26.175 78 m3/t，明顯高于G2 和G6 煤樣；G2 煤樣的極限瓦斯吸附量為23.815 m3/t，大于G6 煤樣的極限瓦斯吸附量23.388 27 m3/t。得出中能煤業(yè)3 號煤層的吸附能力存在G1 ＞G2 ＞G6 的趨勢，即隨著煤破壞程度的增高，吸附能力也相應(yīng)提高。

（2）經(jīng)過實驗并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，中能煤業(yè)3 號煤層的解吸蘭式壓力為0.371 66～0.660 14 MPa。其中G1 煤樣的解吸蘭式壓力為0.660 14 MPa，明顯高于G2 和G6 煤樣；G2 煤樣的解吸蘭式壓力為0.597 24 MPa，大于G6 煤樣的解吸蘭式壓力0.371 66 MPa。對于等溫吸附過程而言，蘭式壓力越小，瓦斯越容易被煤層所吸附；而對于瓦斯解吸過程來說，則正好相反，解吸蘭式壓力越大，瓦斯越容易隨著壓力降低而從煤層中解吸出來。得出中能煤業(yè)3 號煤層的解吸能力存在G1 ＞G2 ＞G6 的趨勢，即隨著煤破壞程度的增高，解吸能力也相應(yīng)提高，在相同吸附平衡壓力下可以解吸出更多瓦斯。