＊温度变化对煤体瓦斯吸附量影响规律的实验研究

杨英杰，武德尧，郭勇义，谢建林，2，菅 洁（．太原科技大学环境与安全学院，太原030024；2．太原理工大学矿业工程学院，太原030024）



＊温度变化对煤体瓦斯吸附量影响规律的实验研究

杨英杰1，武德尧1，郭勇义1，谢建林1，2，菅 洁1
（1．太原科技大学环境与安全学院，太原030024；2．太原理工大学矿业工程学院，太原030024）

摘 要：通过对含瓦斯煤层瓦斯气体温度场分布规律研究，提出了煤层中总的瓦斯含量方程中α值的假设与猜想。经过实验，分别研究了定压条件与升压条件下温度改变对煤与瓦斯吸附的影响规律，得到煤体在不同温度下瓦斯的吸附以及渗流规律。实验应用WY98－A型瓦斯吸附解吸仪器，通过研究煤与瓦斯吸附在温度改变的环境下的规律，以及所选煤样在吸附饱和后随温度变化的函数关系，并对瓦斯吸附的饱和吸附量进行了数学拟合，得到其函数关系式。为煤层瓦斯储量计算，及不同阶段瓦斯抽采量计算提供了科学依据。

关键词：饱和吸附量；瓦斯热采；吸附解吸曲线

煤体是一种天然的吸附剂，CH4分子将会被煤表面分子多余的自由引力场所吸引，使得煤体中的CH4分子主要集中在物理吸附上［1］，这种物理吸附平衡状态可以通过升温使其迅速向解吸态转化。多年来，国内外学者针对煤体瓦斯的吸附特性进行了深入的研究，涵盖了煤体瓦斯饱和吸附量的确定以及吸附理论模型和影响因子等方面。其中，梁冰［2］通过改变温度场下煤体瓦斯的吸附情况对朗格缪尔方程中的a，b值进行了研究与分析，指出a值随温度升高逐渐降低，b值无明显变化；许江、张丹丹［3］等研究认为，煤体内部结构的改变是由于温度的升高所导致，进而对煤体吸附瓦斯的效果也产生了一定的作用，从而增加了煤体孔隙中游离瓦斯的含量；周世宁和林柏泉［4］、赵阳升［5］等学者在地应力和温

度对煤体瓦斯的吸附、解吸、渗流作用方面也进行了深入研究，取得了大量成果。这些研究都对针对煤体瓦斯饱和吸附量展开研究，但由于我国煤层瓦斯赋存地质条件的复杂性，使得单靠一种理论或者模型很难定量描述瓦斯吸附与解吸的微观过程，从而也影响了煤层瓦斯储量及瓦斯抽采量的计算，对煤层瓦斯的热采的理论基础研究则更为关键。研究温度改变对于瓦斯吸附量的影响规律，将有助于解决由此产生的问题。

由气体状态方程和朗格缪尔方程可知，煤层中的瓦斯含量c可以由下式计算：

通过以上式子可以看出式中的α值是影响煤体吸附变化的一个重要因素，本实验将重点研究α值随温度变化的关系。

1　实验方法及流程

实验室所选煤样采自山西霍州李雅庄煤矿，采用图1所示的煤样瓦斯吸附实验装置。将采集到的煤样经过初步的筛选后，利用采样器将煤样封闭取回实验室以备实验。其中实验气体采用纯度（质量分数）为99．99%的甲烷气。实验过程为保证安全，实验室配备机械通风设备。

WY－98A型吸附常数测定仪硬件主要由吸附装置（图1）、计算机以及管件、附属电缆等组成。整个过程主要通过计算机的传感系统将压力、温度以电信号的方式传给计算机，最后通过计算机的对数据的收集，相应的软件进行计算得到一定的数据。

仪器主要采用高压条件下对煤样的甲烷吸附量

图1　温度改变条件下瓦斯吸附试验装置图

展开测定：即首先将煤样进行干燥处理，并测定好吸附罐的体积，然后按照需要将装入吸附罐内，打开真空泵对吸附罐内的煤样进行脱气，使罐内达到真空状态，接着将甲烷气体充入吸附罐内，直到吸附罐内的压力平衡为止，时刻监测吸附罐内充入的甲烷体积。平衡状态下通过用吸附罐内充入的甲烷体积减去吸附罐内残留的甲烷体积，即为吸附罐内煤样的吸附体积，最后将每一次得到的吸附体积连接后即为吸附等温线。

1．1 实验煤样的处理

1）煤样选自掘进面原始煤层，在去除矸石后，将煤样采用四分法分好后，取出实验所需的量，其余装袋备用。

2）将实验煤样利用球磨机粉碎，随后通过筛网取0．17～0．25mm间颗粒100g放入坩埚内。

3）将坩埚内的煤样放入干燥箱中，使其1h内保持在恒温100℃下，随后使煤样在干燥箱内自动冷却。

4）将干燥好后的煤样约22g装入吸附罐内的煤样罐，并将煤样罐拧紧，保持密封。1．2 脱气

将脱气阀打开，充气阀关闭，使煤样罐与真空泵充分连接后，将煤样罐置于70℃恒温水浴中脱气6 h使煤样罐保持真空状态。

1．3 低压吸附

脱气结束后，先将水浴温度降低到20℃后打开充气阀，关闭脱气阀以及罐一与罐二的阀口，使得充气罐内的压力达到1．8MPa左右，随后关闭充气阀，打开罐一的阀口，使充气罐内的甲烷气体涌入罐一中直至1MPa，随后关闭罐一阀口，对罐二同样进行以上操作。操作结束后，使得水浴温度一直保持20℃，当吸附的平衡时间大于8h以上，且低压环境下煤样吸附速度小于等于1mL／h时，可认为煤样已达到吸附平衡，此时记录吸附罐内煤样的吸附体积。

1．4 升压吸附

将低压吸附完成的煤样罐重复开始的操作，使得煤样罐内的压力分次升至1．84，2．6，3．4，4．2，5，5．8MPa，每次操作必须保证煤样罐一直保持在20℃水浴内，并且不得少于4h，实验中随时观测吸附罐的压力表变化，直到变化值在1h内始终小于等于0．05kg／m2，那么这时的吸附即可认为达到平衡状态。此时分别记录下每次升压后吸附罐内吸入甲烷的体积。

1．5 升温吸附

同上述吸附方法相同，只是在每次操作是分别将水浴温度由20℃，每隔5℃，逐次提升至45℃，记录每次温度环境下煤样罐内在不同压力条件下甲烷的吸附量。

2　实验结果

2．1 相同压力不同温度下煤样吸附实验结果

煤样被充分抽真空后通过水浴加热将煤样温度从20℃开始逐步升温至45℃，分析相同压力条件下煤样的吸附特性。从图2中可以看到随着温度的升高，实验煤样在1．84 MPa下甲烷吸附量呈现递减的趋势。

图2　不同温度下煤样瓦斯饱和吸附量

2．2 不同压力不同温度下煤样吸附实验结果

如图3－图8所示。

图3　20℃下煤样甲烷吸附等温线

图4　25℃下煤样甲烷吸附等温线

图5　30℃下煤样甲烷吸附等温线

图6　35℃下煤样甲烷吸附等温线

图7　40℃下煤样甲烷吸附等温线

图8　45℃下煤样甲烷吸附等温线

3　实验结果分析

煤体中瓦斯的流动主要是由孔隙扩散、裂隙渗流、煤粒表面吸附瓦斯饱和后在裂隙中的扩散、煤粒表面瓦斯的解吸。根据瓦斯的流动可以更清楚的了解到煤粒瓦斯的解吸与扩散过程，而煤粒内的孔隙与裂隙之间的瓦斯交换量也更直观的由瓦斯的流动所决定。试验通过温度场的变化对煤粒瓦斯吸附量的影响可以更好的验证了瓦斯解吸量和瓦斯渗流通道变化共同作用的规律。

1）定压升温测定瓦斯吸附量实验时，根据曲线图的变化可以明显看出随着温度的升高煤体瓦斯的饱和吸附量呈现出递减的状态，这是因为温度升高后煤与瓦斯的吸附平衡条件发生了变化，瓦斯的吸附速度小于解吸速度，从而使整体的平衡状态朝向解吸方向进行，并且温度越高，吸附与解吸速度变化愈大，在图2中表现为35℃后瓦斯饱和吸附量急剧下降。

2）从图3－图8中可看到，瓦斯的吸附等温线均成指数函数的变化关系，这为饱和吸附量的拟合提供了方向，并且吸附量在8～10mL左右均出现明显的拐点，不同温度下出现拐点的压力条件不同，这是由于在压力作用下吸附解吸平衡遭到破坏后有一个迅速的调整期，按照BET吸附理论的观点，多分子层吸附时，第一层分子吸附的吸附势大，其后逐渐减小，并且吸附的梯度也减小。由吸附曲线反推解吸曲线后将能够为煤层瓦斯热采不同温度下采用经济科学的抽采压力的提供理论参考。

4　结论

通过实验研究了不同温度下煤样瓦斯的吸附解吸实验规律。通过实验过程验证了吸附解吸理论，并对瓦斯吸附的饱和吸附量进行了数学拟合，得到

其函数关系为a＝a0e－0．005（t－t0）．并提出和解释了瓦

斯吸附解吸过程中的拐点，为煤层瓦斯热采时采用合适的压力及温度提供理论支持。

参考文献：

［1］ 杨涛．煤体瓦斯吸附解吸过程温度变化实验研究及机理分析［D］．北京：中国矿业大学，2014．

［2］ 梁冰．温度对煤的瓦斯吸附性能影响的试验研究［J］．黑龙江矿业学院学报，2000（10）：20－22．

［3］ 许江，张丹丹，彭守建，等．温度对含瓦斯煤力学性质影响的试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2011（30）：2730－2736．

［4］ 周世宁，林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论［M］．北京：煤炭工业出版社，1999．

［5］ 赵阳升，胡耀青．孔隙瓦斯作用下煤体有效应力规律的试验研究［J］．岩土工程学报，1995（17）：26－31．

［6］ 赵阳升．多孔介质多场耦合作用及其工程响应［M］．北京：科学出版社，2010：253－254．

（编辑：张爱绒）

Experiment Study on Effects of Temperature Variation on Coal Gas Adsorption Capacity

YANG Yingjie1，WU Deyao1，GUO Yongyi1，XIE Jianlin1，2，JIAN Jie1
（1．College of Environment and Safety，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan030024，China；2．College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan030024，China）

Abstract：On the analysis of gas temperature distribution of coal seam gas，assumption and conjecture ofαvalue in the overall equation of gas content were proposed．In the condition of constant pressure and increasing pressure，the experiment obtained the coal and gas adsorption and seepage law at different temperatures．WY98Agas adsorption／desorption instrument was used in the experiment．By setting different temperatures，the experiment studiedαvalue in function relationship between the coal sample saturated adsorption and the temperature，and conducted mathematical fitting for the saturated adsorption，and finally obtained the function relationship，which could provide a scientific basis for the calculation of the gas content in coal seam and quantity of drainage at different stages．

Key words：saturation adsorption capacity；gas thermal recovery；adsorption－desorption curve

作者简介：杨英杰（1989－），男，山西临汾人，硕士生，主要从事瓦斯吸附理论的研究，（Tel）13935199733，（E－mail）497607453＠qq．com通讯联系人：郭勇义，男，博士，教授，主要从事煤矿通风安全工程及理论研究，（E－mail）guoyy＠tyut．edu．cn

基金项目：山西省科技攻关项目资助：综采工作面及两巷粉尘运于多规律与除尘技术装备研究（20130322008－03）；校研究生创新项目：煤层瓦斯含量受温度场改变影响研究（20134017）；大学生创新创业训练项目（xj2014014）；山西省青年基金（2011021023－1）；山西省科技重大专项基金资助：基于人－机－环联动煤矿井下生产过程监测预警及重大事故救援指挥集成研究（20121101001）

收稿日期：＊2014－01－02

文章编号：1007－9432（2015）03－0332－04

DOI：10．16355／j．cnki．issn1007－9432tyut．2015．03．017

文献标识码：A

中图分类号：TD712．3