温度及含水量对煤吸附甲烷特性影响的实验研究

2014-04-18林海飞李树刚赵鹏翔潘红宇成连华

采矿与岩层控制工程学报 2014年3期

林海飞，姚飞，李树刚，赵鹏翔，潘红宇，成连华，李莉

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054;2.山西和顺天池能源有限责任公司，山西晋中032700)

近年来，越来越多的矿井进入深部开采阶段，导致煤层瓦斯含量增大，瓦斯灾害也日益严重［1－2］。为防治瓦斯灾害，制定科学合理的瓦斯抽采方案，需要准确测定煤层原始瓦斯含量等参数［3］。测定煤层瓦斯含量主要有直接法与间接法，前者由于试样在采集过程中的瓦斯损失量补偿方法影响因素较多，使测定值与实际值相比有一定误差［4－5］。因此目前煤矿现场一般采用间接法，但是煤体瓦斯吸附的影响因素及程度仍存在诸多问题［6－7］。本文采用实验测试分析法，研究水分、温度等对煤吸附解吸瓦斯的影响，这对于完善间接法测定瓦斯含量具有重要意义。

1 煤样制备及实验方法

1.1 煤样的制作

选取山西某矿 (煤样1)及陕西某矿 (煤样2)的原煤作为本次实验的煤样。从井下采集新鲜煤样后，对原煤样进行粉碎，筛分成60～80目;把煤样放入干燥箱中干燥3h，然后称取一定重量的干煤样。进行不同含水量实验的煤样，采用将干煤样人工加湿方法实现，即将加湿后的煤样充分搅拌后，进行称重，计算其含水量。

1.2 实验方法

实验应用中煤科工集团沈阳研究院生产的WY－98B型瓦斯吸附常数测定仪，称取制备好的煤样30g左右，装入仪器吸附罐中，放好密封圈。吸附平衡时间为3～7h，初始吸附压力0.7～5.5MPa。煤样1进行不同温度的煤吸附甲烷实验，实验温度为20℃，30℃，40℃，50℃;煤样2进行不同含水量的煤吸附甲烷实验，含水量为0%，1%，2.1%，6.1%，实验温度30℃。

2 温度对煤吸附甲烷的影响

2.1 甲烷吸附实验及其等温线

经过实验得出不同温度下煤样的吸附等温线(图1)，其拟合方程如表1所示 (表中X为甲烷吸附量，p为甲烷压力)。由表1可知，煤样1在不同温度下吸附等温线可用Langmuir方程来描述。

图1 不同温度下的吸附等温线

表1 不同温度下的吸附等温线拟合方程

2.2 温度与吸附常数a，b的关系

根据试验结果，将吸附常数a，b值随温度t变化的关系进行拟合，结果如图2所示。根据实验结果，对吸附常数a，b随温度t的变化关系进行拟合，其拟合关系式见表2。

图2 吸附常数a，b随温度t的变化

表2 吸附常数a，b与温度t关系式

根据以上拟合结果可见，温度 t在［20℃，50℃］范围内变化时，可以认为常数a，b随温度t变化的关系近似满足如下关系式:

式中，C0，C1，D0，D1是根据煤样在不同温度条件下实验拟合得到的常数项，由煤体自身性质决定。

由于煤对甲烷吸附主要以物理吸附为主，其吸附速度越快，在规定时间内越易达到平衡，且为放热过程。所以，针对同一种煤体，a值随温度升高，逐渐降低，而b值随温度升高，逐渐增大。

2.3 温度影响校正系数的确定

基于不同温度条件下吸附常数a和b值，分别计算出在甲烷压力为1MPa，2MPa，3MPa，4MPa，5MPa，6MPa时的吸附甲烷量 X1，X2，X3，X4，X5和X6，以30℃的校正系数为1，求出不同温度和甲烷压力下的温度影响校正系数值如表3所示。

表3 不同温度和甲烷压力下的温度影响校正系数

由表3可知，相同甲烷压力下，甲烷吸附量皆随温度的增加而减小，即温度影响校正系数逐渐变小。图3为温度校正系数随温度的变化，图中点为在该温度条件下校正系数的平均值。由图3可知，随温度t的增加温度校正系数ηt呈减小趋势，温度校正系数ηt随温度t变化的关系近似满足如下关系式:

式中，A0，A1是根据曲线拟合得到的常数项，由煤体自身性质所决定常数。

图3 温度校正系数随温度的变化

3 含水量对煤吸附瓦斯的影响

3.1 不同含水量的等温吸附曲线

图4所示为煤样2在不同含水量条件下的等温吸附曲线 (拟合方程见表4，表中X为甲烷吸附量，p为甲烷压力)。由表4可知，不同含水量下的吸附等温线可近似用Langmuir方程来表示。由图4可得到，相同甲烷压力下，甲烷吸附量随含水量增加而减小，主要原因是含有一定水分时，煤表面对水的吸附能力高于甲烷，水分在煤表面比甲烷优先吸附，占据了一定的煤表面空间，减少了甲烷吸附空间，降低了甲烷的吸附量。

图4 不同含水量下的等温吸附曲线

表4 不同含水量下的吸附等温线拟合方程

3.2 含水量与吸附常数a，b的关系

根据试验结果，对吸附常数a，b值随含水量变化的关系进行拟合作图，结果如图5所示。由图可见随含水量的升高煤对甲烷的吸附量变小，煤的Langmuir常数a随含水量的增大而单调递减。而吸附常数b值随含水量W没有可以遵循的固定关系式。

根据实验结果，对吸附常数a随含水量W的变化关系进行拟合，其拟合关系式见式 (4)。

图5 吸附常数a，b随含水量的变化

综上可知，吸附常数a随含水量W变化的关系近似满足如下关系式:

式中，B0，B1是煤样在不同平衡水分条件下根据实验拟合得到的常数，由煤自身性质所决定。

3.3 水分影响校正系数的确定

基于煤样2不同含水量的吸附常数a和b值，分别计算出在甲烷压力为1MPa，2MPa，3MPa，4MPa，5MPa，6MPa时的吸附甲烷量X1，X2，X3，X4，X5和X6，以干煤样的校正系数为1，求出不同含水量和不同甲烷压力下的水分影响校正系数值如表5所示。

由表5可知，在相同甲烷压力下，甲烷吸附量随含水量的增加而减小，即水分影响校正系数逐渐变小。为得出含水量和水分校正系数的关系式，根据某一含水量下的平均水分校正系数ηw，在1/ηw－W坐标系中作图，得出煤样2的试验数据值，如图6所示。由图看出，各试验点分布呈一条经过纵坐标为1的直线，其表达式如式 (6)所示。