水分对煤吸附瓦斯特性影响及微观机理实验研究＊

闫 凯 赵 东

（1.中煤科工集团重庆研究院，重庆市沙坪坝区，400037；2.太原理工大学采矿工艺研究所，山西省太原市，030024）

水分对煤吸附瓦斯特性影响及微观机理实验研究＊

闫 凯1赵 东2

（1.中煤科工集团重庆研究院，重庆市沙坪坝区，400037；2.太原理工大学采矿工艺研究所，山西省太原市，030024）

针对以往研究都无法充分说明不同含水率下的煤对瓦斯吸附能力的差异以及水与瓦斯共同作用下的吸附微观机理，从实验出发，结合微观气液二相流的相关理论，通过分析得出，相同初始压力下的定容吸附，吸附速率随含水率的增加而降低，干燥时的吸附速率是含水2%时的22倍；且不同含水率下吸附量随时间的变化服从对数分布，在含水率1%前后结果不同。

含水块煤 含水率 瓦斯吸附 微观机理 实验研究

煤是一种孔隙、裂隙发育的多孔介质，成煤过程中伴随着大量煤层气的产生，且煤层气在煤中主要是吸附态存在。

之前有学者对含水煤对瓦斯的吸附性、煤对水的吸附及吸附微观理论等方面进行了研究。如文献一确定了水分对不同煤种吸附性影响的修正系数，文献二对煤吸附水的微观机理进行了研究，文献三对水影响煤吸附甲烷的能力进行了理论分析。但这些研究都无法充分说明不同含水率下的煤对瓦斯吸附能力的差异以及水与瓦斯共同作用下的吸附微观机理。因此，本文从含水块煤对瓦斯的吸附实验入手，来研究含水煤的吸附能力，并根据实验结果反演吸附机理，进而对水与瓦斯共同作用下的吸附微观机理加以分析，得出的结论更具有说服力，同时得到的结论对于不同含水煤层的瓦斯抽采具有一定的参考价值。

1 实验介绍

实验用煤样取自西山屯兰矿，属中等变质程度、挥发分为25%、中等粘结性的焦煤，裂隙发育较完全。用大型岩石钻样机加工成ø100 mm×50 mm的圆柱形试件。

实验装置的主要参数如下：不锈钢圆柱形瓦斯吸附罐，容积为ø100 mm×150 mm，用以存放煤样以及吸附瓦斯；瓦斯贮气罐，容积为3.8 L，用以向吸附罐注入瓦斯，并根据压力变化测量瓦斯注入量；真空泵，抽气速率0.5 L／s，极限压力600 Pa；手动式高压注水泵，用以对煤样进行注水；天平及相关仪表。实验开始前先测定所用煤样放于吸附罐中的剩余体积，依据 《煤的甲烷吸附量测定方法》（MT／T 752-1997）测得剩余体积是0.15 L。

实验过程：（1）干燥煤样的吸附。将制作好的煤样110℃下烘干24 h，确保水分完全蒸发，称重后放入吸附罐中，注入6 MPa的氮气检查气密性，之后用真空泵抽气至极限压力并保持1 h，稳定到相应的真空度后关闭真空泵，开启瓦斯贮气罐并记录初始压力，注气10 s后关闭并记录终止压力，对整个过程的压力变化值予以记录，吸附12 h后停止，确保吸附充分完全，干燥煤样吸附的流程见图1。（2）饱和含水率下煤样的吸附。抽真空后用高压注水泵注水，注水24 h确保水充分浸润煤样后停止，取出煤样并称重，得到此时的含水率是2%，而后注气并记录，同样吸附12 h。（3）各不饱和含水率下煤样的吸附。取出煤样自然风干4 g水后重复上述过程，之后每蒸发一次水分，重复一次吸附过程。如此进行6种不同的不饱和含水率下的吸附实验，含水率分别为1.70%、1.41%、1.11%、0.88%、0.67%和0.34%。

图1 干燥煤样吸附的流程图

2 实验数据分析

2.1 实验数据计算

标准状况下，注入吸附罐的瓦斯体积是根据瓦斯贮气罐的压降来计算，与吸附罐中的游离瓦斯体积之差即是吸附瓦斯体积。贮气罐的注气初始压力与终止压力之差即为压降，贮气罐的容积是3.8 L，室温恒为20℃，由理想气体状态方程得：

式中：Q0——吸附瓦斯体积，L；

Q1——注入吸附罐的瓦斯体积，L；

Q2——吸附罐中的游离瓦斯体积，L；

P1——瓦斯贮气罐的压降，Pa；

P2——吸附终止时吸附罐内的气体压力，Pa；

Pm——常温下大气压，Pa；

V1——贮气罐的容积，L；

V2——吸附罐的剩余体积，L；

T0——标准状况下的温度，K；

T1——室温，K。

计算结果如表1所示。

表1 相关体积计算结果

2.2 不同含水率下吸附速率分析

吸附速率是指吸附量随时间变化的函数关系式，干燥时反映了常态下的吸附速率，伴随含水率的增加，吸附速率会发生一定的变化，但逐渐下降最终趋于稳定的趋势不会变。因此，本文采用吸附速率对比曲线来分析不同含水率下吸附速率之间的差异。

绘制不同含水率下时间-压力曲线，如图2所示。通过比较各含水曲线并与干燥曲线进行对比发现，随着含水率的增加，吸附速率逐渐变缓，干燥时吸附罐压力由1.291 MPa降至0.185 MPa，下降1.106 MPa；而含水2%时只由1.324 MPa降至1.274 MPa，下降0.05 MPa，仅仅为干燥时的1／22；介于两者之间的含水率，压力下降值也介于两者之间，并且随含水率的增加而降低。由于起始压力相同，各曲线呈一定梯度分布且互不交叉，说明对于同等条件下的定容吸附，水对瓦斯吸附速率影响较大，当处于饱和含水状态时，吸附速率曲线近乎为直线，由此得出含水的多少直接决定吸附的快慢。

图2 不同含水率下时间-压力曲线

假定以1／2初始压力0.66 MPa时的终止压力为分界线，将吸附速率曲线分为上、下两部分，由表1及图2看出，分界线上是含水率大于1%的4条曲线，此时瓦斯游离量均大于吸附量；线下是小于1%的4条曲线，而此时吸附量大于游离量。由于实验测定的饱和含水率是2%，而1%恰好是半饱和含水率，由此可以预测半饱和含水率是煤样吸附量或者游离量占主要成分的分界线。

2.3 吸附量与含水率之间的函数关系式推导

由表1的数据可以绘制出含水率-吸附量函数关系的特征点，见图3，再由点拟合函数关系式。由于本次实验使用同一煤样，各项物理参数均确定，因此只需讨论含水率对吸附量的影响。因1%半饱和含水率是吸附与游离占主导的分界线，特征点近似成线性分布，构造函数并拟合得如下结果：

式中：Q0——吸附瓦斯体积，L；

W——含水率，%。

经计算得出拟合相关度R2=0.9825，相关度很高，由于实验过程的随机性、不确定性，产生了相关的误差，所以本函数关系式作为含水块煤在不同含水率下的吸附量计算公式是符合要求的，得出水分影响块煤吸附瓦斯量的校正公式：

式中：η——水分影响块煤吸附瓦斯量的校正率，%。

文献一得出的水分影响粉煤的校正公式：

式中：Vr——挥发分含量，%。

2.4 不同含水率下吸附量与时间的函数关系式推导

绘制不同含水率下时间-吸附量函数关系的特征点。理论上定容吸附中吸附量随时间的变化是一个先快后慢，而后逐渐变缓，最后趋于平衡且时间较长并保持增加的变化过程，大致服从对数分布，用对数函数进行拟合。先前提及本实验用煤为大块煤样，裂隙、挥发分均已确定，因此只有含水率一个变量，建立在前人研究的基础上用如下半经验公式：

式中：k——裂隙发育与挥发分常量；

t——吸附时间，min；

a——与含水率有关的变量。

经过对各拟合式的参数修正得出与含水率相关的函数关系式：

拟合曲线趋势如图4所示，此式进一步验证了半饱和含水率1%是吸附结果的重要分界线。

3 以实验为基础的吸附微观机理研究

气液二相流孔隙的存在性，实验中得到了孔隙中水分的蒸发与孔隙的连通原理，即水分的蒸发路径是大裂隙—小裂隙—大孔—中孔—小孔—微孔，由左至右储存的水分也是逐步减少的，大裂隙存有的水分最多，微孔存有的水分最少。由实验结果得知，1%含水率以内吸附能力较强，吸附完成较快；1%以上吸附能力较弱，吸附完成较慢，一直处于微量的吸附状态中；由此推断1%是微孔蒸发水分的临界含水率，以上没有微孔蒸发，而以下全部是微孔蒸发，并且微孔的连通孔隙较其他孔隙裂隙要多。所以微孔隙一旦开始蒸发，吸附能力就有了质的飞越，此时吸附能力的提高速率远高于其他孔隙蒸发时的速率。微观解释是一旦微孔隙端部打开，大量的瓦斯气体通过打开的微孔在已有的压力下尽可能多地渗入到与其连通的所有孔隙中，此时的吸附与孔隙压力有密切关系，压力越大，气体分子渗入的孔隙越多、范围越广，吸附量也越大。通过吸附微观机理的研究可以扩展到宏观研究中，由于宏观吸附中吸附量是与含水率、孔隙压力和煤种相关的，不同的煤种孔隙构成与孔隙分布都是不相同的，因此这些因素都是可以在微观下加以解释的，由微观研究扩展到宏观研究，使结果更合理、更具有普遍性、真实性。

4 结论

本实验采用大块煤样进行研究，描述了整个吸附过程、吸附速率和能力，并借助实验现象分析了吸附微观机理，此研究综合了实际煤体赋存中所含有的孔隙、裂隙及其他物理性质，因此实验结果能更好地反映实际含水煤体的赋存状态。通过研究得出以下结论：

（1）在定容吸附实验中，干燥煤样的吸附速率是含水2%时的22倍。

（2）给出了块煤在不同含水率下的瓦斯吸附量线性校正公式，并与前人得出的反线性公式进行对比，得出块煤与粉煤吸附性的异同。

（3）给出了不同含水率下吸附量随时间变化的对数函数关系式，并针对本实验煤种提出1%含水率是吸附能力的重要分界线。

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［6］邬剑明，闫凯，郭凯等 .不同孔隙应力下瓦斯吸附与解吸初速率研究 ［J］.中国煤炭，2010（4）

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

国家自然科学基金青年基金项目（51104105）；太原理工大学引进人才项目 （2012）

闫凯 （1986-），男，山西运城人，2010年毕业于太原理工大学，硕士研究生，现在中煤科工集团重庆研究院工作，主要从事安全技术工程方面的研究。

（责任编辑 张艳华）