粒状煤和块状煤等温吸附CH4试验研究*

梁　冰，贾立锋，孙维吉，董　擎

(1. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2. 辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000)

0　引言

煤与瓦斯突出灾害发生的源头是煤层中赋存了大量的瓦斯。煤与瓦斯突出灾害发生时伴随着大量瓦斯和煤粉喷向采出空间，突出的煤粒径大小不一，需要进行不同粒径下吸附能力的研究。同时，煤与瓦斯突出是一种煤体变形失稳严重破坏的现象，煤体的变形能力与煤体失稳密切相关。因此，研究不同尺寸下煤样吸附特性可以为预防煤与瓦斯突出提供基础上的理论支撑。

目前，国内外学者对不同粒径煤做了大量的研究[1-9]。张天军[1]，林海飞[2]，Florentin R[3]，Lei ZHANG[4]，Yan-Yan FENG[5]等研究了煤粒径对吸附性能的影响，研究结果表明煤样粒径越小，吸附CH4能力越强。李一波[6]，蔡立勇[7]，刘彦伟[8]等研究了煤样粒径对瓦斯放散速度的影响，指出瓦斯放散初速度随粒径减小而增加。郑万成，许江[9-10]等研究了煤样粒径对煤与瓦斯突出影响。此外，煤吸附瓦斯除了表现出吸附性能外还表现为变形性能。孙维吉[11]对不同类型煤吸附CH4变形规律进行了研究，研究结果表明不同煤吸附CH4膨胀达到最大变形量所需要的时间不同；张遵国[12]对比研究了型煤和原煤吸附/解吸煤体变形规律；梁冰[13-15]等研究了煤低压吸附下及不考虑吸附时应力-渗流条件下的变形规律。

煤与瓦斯突出是煤体暴露面局部产生的变形失稳现象，不仅受到煤吸附性能的影响，还受到吸附变形性能的影响。目前的研究局限在不同粒径对煤吸附性能的影响或者瓦斯压力对煤体变形影响方面，对吸附性能和变形性能的关联性研究较少。本文利用自主研制的多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置，开展了粒状煤和块状煤的等温吸附试验。分析了粒径对煤吸附性能的影响及吸附性能与变形性能的关系。

1　试验方法

1.1　试验装置

试验采用的是多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置(图1)，该装置可以测定不同粒径煤样的吸附/解吸量、吸附常数a，b值及块状煤吸附解吸瓦斯过程的变形量，且可以实现粒状煤和块状煤参数同时测定。

该装置的吸附量是根据《煤的甲烷吸附量测定方法》(MT/T 752—1997)[16]中的测定原理进行计算。煤体变形采用的是分辨率为1 με的BX120-5AA型电阻应变计，配合型号为DH5923N动态数据采集仪进行测量。

图1　多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置Fig.1　Multifunctional device for determination of gas parameters in the adsorption/desorption of coal

1.2　试样的制备

试验用煤样取自漳村煤矿3#煤层，厚度为5.34～7.88 m，平均厚度为6.57 m。煤的视密度为1.40 g/cm3，真密度为1.48 g/cm3，水分含量为0.68%，灰分含量为13.62%，挥发分含量为13.85%。

粒状煤制备：用破碎机将原煤破碎，然后用标准分样筛筛分，筛分出粒径范围在0.850～ 2.000 mm,0.425～0.600 mm,0.200～0.300 mm,0.125 ～0.150 mm,0.088～0.090 mm,8.000～12.000 mm,15.000 ～20.000 mm的7种粒径试样(图2)。将制备好的煤样放入温度105℃的烘干箱中烘干至恒重。

块状煤的制备：用取芯钻钻取直径为25 mm的煤样，并用砂纸将煤样两端打磨至平整(图2)。将制备好的煤样放入105℃的烘干箱中烘干至恒重，取出放置室温后粘贴型号为BX120-5AA应变片，应变片分别为平行于试件轴线方向(纵向应变)和垂直于试件轴线方向(环向应变)。

图2　不同尺度的煤样Fig.2　Coal samples in different scales

1.3　试验内容及方案

试验需要测量粒状煤和块状煤在不同吸附平衡压力下的吸附量及块状煤在不同吸附平衡压力下的变形量。

粒状煤吸附实验过程如下：①用精度为0.000 1 g的分析天平称量试样质量M1，然后将煤样装入吸附室中，再称量剩余试样质量M2。(M1-M2)即为装入吸附室的质量(表1)。②将试样装入吸附室后，启动计算机输入试样质量、真密度、视密度、水分、灰分、挥发分等参数，先进行温度为60℃抽真空4 h，然后等待温度降低至30℃，再进行温度为30℃吸附压力分别为1 MPa,1.8 MPa,2.6 MPa,3.4 MPa,4.2 MPa,5 MPa,5.8 MPa的等温吸附实验，前2个吸附压力点吸附7 h，后5个吸附点吸附4 h。

表1　样品的质量

块状煤吸附试验过程与粒状煤的试验过程相同，但是需在等温试验过程中测定煤体的变形量。

2　试验结果及分析

2.1　粒径对吸附量影响

不同粒径煤等温吸附曲线如图3所示。

图3　不同粒径煤的等温吸附曲线Fig.3　Isothermal adsorption curve of coal in different particle sizes

由图3可知，粒径小于0.425的煤样吸附量明显高于粒径大于0.850 mm的煤样，块状煤样φ24.60×h30.74 mm的吸附量最小。随着平衡压力的增大，煤吸附瓦斯量逐渐增加，但增加量逐渐减少。从图中测试结果看，在相同吸附压力下煤样粒径越小，吸附量越大，吸附能力越强。用Langmuir方程对试验数据进行拟合，拟合关系见表2。

表2　不同粒径煤Langmuir拟合公式

表2中拟合公式的相关性系数均大于0.984，说明漳村矿3#煤吸附平衡压力与其吸附量之间的关系符合Langmuir方程。

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为了进一步分析粒径与吸附量之间的关系，需对数据做如下处理。首先根据表2中拟合公式计算出吸附平衡压力为1 MPa,1.8 MPa,2.6 MPa,3.4 MPa,4.2 MPa,5 MPa的吸附量。然后以粒径的平均尺寸为x轴，吸附量为y轴作图(图4)。其中粒状煤的平均尺寸为试样尺寸范围均值，块状试件(φ24.60×h30.74)最长39.37 mm，最短为24.60 mm，平均尺寸为31.98 mm。

图4　平均粒径与吸附量关系曲线Fig.4　Relationship between diameter and adsorption capacity

由图4可看出，不同吸附平衡压力下平均粒径与吸附量关系曲线趋势相同，吸附量随煤样粒径的增大而减小。以吸附平衡压力1 MPa为例进行分析。吸附平衡压力为1 MPa时，平均直径为31.98 mm的吸附量是11.7 mL/g，平均直径为17.5 mm，10 mm，1.425 mm的吸附量分别是12.32 mL/g，12.83 mL/g，13.5 mL/g，增加了5.30%，9.66%，15.38%；平均直径为0.513 mm，0.250 mm，0.138 mm，0.889 mm的吸附量分别增加了35.78%，39.78%，48.14%，52.65%。吸附量增幅在1.425～ 0.513 mm这个范围较大，当粒径小于0.513 mm后吸附量增加较小。这是因为当煤破碎时，未连通的微孔才能与外界连通，煤的有效比表面明显增加，增加的微孔吸附瓦斯使得煤吸附瓦斯量增加。而破碎到一定的粒径后孔隙几乎全部连通，吸附量增加变得缓慢。另一个可能的原因是由于块状煤吸附因为经历渗流扩散吸附的过程，需要更长的吸附时间。

2.2　吸附压力与吸附变形关系

等温吸附试验选用了直径24.60 mm，高30.74 mm的煤样进行试验，吸附平衡压力与煤体变形关系曲线如图5所示。

图5　等温吸附过程中煤体变形Fig.5　Coal deformation in isothermal adsorption process

图5中等温吸附试验过程分为3个阶段，时间0～240 min为抽真空阶段；241～886 min为水浴温度60℃降低至30℃阶段；887～2933 min为温度30℃的等温吸附阶段。图中收缩应变为负值，膨胀应变为正值。煤体环向应变和纵向应变随着吸附压力的增加呈现阶梯型增加，煤体发生膨胀变形，但变形增加量逐渐减小。纵向应变和环向应变在相同的吸附环境下表现出了变形数值上的差异性，纵向应变低于环向应变。这是因为煤在轴向和环向上的结构存在差异性，在吸附相同瓦斯量的情况下表现出的变形能力不同。

将等温吸附过程中煤体变形进行提取，绘制出吸附平衡压力与煤体变形关系曲线(图6)。

图6　吸附平衡压力与煤体应变之间的关系Fig.6　Relationship between adsorption pressure and coal strain

图6中给出了不同吸附平衡压力与纵向应变、环向应变、体积应变的关系。随着吸附平衡压力的增加，煤体的纵向应变、环向应变、体积应变逐渐增大，并且趋于平稳。在吸附压力为0 MPa，煤体的纵向应变和横向应变分别为-185 με，-253 με，这是煤体由抽真空和温度变化引起的煤体变形。从应变曲线的形状看，煤体的等温变形曲线与等温吸附曲线存在相似之处。

3　讨论

3.1　粒径对煤吸附能力影响机理分析

文献[1-2，4-5]认为煤粒径对吸附性能的影响是煤样粒径越小，吸附CH4能力越强。而部分学者认为不同粒径煤吸附量不同是因为吸附时间短，块状煤吸附需要更长的时间才能达到吸附平衡，若吸附时间足够长块状煤与粒状煤吸附量接近。目前在孔隙的划分上不同学者划分方式不同，但普遍认为比表面积大小分别为微孔>小孔>中孔>大孔，微孔和小孔具有较大的比表面积。CH4的分子直径约为0.4 nm，标准状态下CH4气体分子间距约为3.3 nm，5 MPa压力条件下分子气体间距约为1.9 nm。所以并非所有的微孔都可以吸附瓦斯，仅当孔径大于某一值时，CH4分子才能够进入微孔中被吸附。部分微孔隙需要一定的时间才能够达到吸附平衡。

煤吸附作用是由于过盛的表面自由能引起的。对同一种煤而言，粒径越小比表面积越大，吸附的瓦斯量也越多[5]。煤体内的孔隙并非全部连通，煤破碎小粒径时，部分未连通的孔隙与外界连通，比表面积增加，吸附量增加。

3.2　煤体吸附瓦斯变形分析

(2)

式中：ε为线性吸附应变；a为煤体在参考压力下气体的极限吸附量，cm3/g；b为煤的吸附平衡常数， MPa-1；ρs为煤体的真密度，g/cm3；R为气体常数，R=8.314 3 J/(mol·K)；T为温度，K；P为气体吸附平衡压力， MPa；ν为煤的泊松比；Es为煤体固体弹性模量，Pa；Vm为气体摩尔体积，22.4L/mol。式(2)前半部分为吸附引起表面自由能变化的膨胀变形，后半部分为气体压力引起煤体收缩变形。部分学者认为吸附变形与吸附压力之间的关系符合朗格谬尔公式形式，但并未揭示变形机理，且忽略气体压力引起煤体收缩变形的作用。

对同一种煤而言，可以将式(2)简化为式(3)：

ε=aK1ln(1+bP)-K2P

(3)

式中：K1=ρsRT/(EsVm)，K2=(1-2ν)/Es。

将图6中压力为0 MPa时的环向和纵向应变调整为初始值0，其他测试点均在此点基础上变化。然后利用式(3)对环向和纵向应变进行拟合，其中a取值38.70，b取值0.434。拟合结果如下：

εl=38.70×57.55×ln(1+0.434P)-93.81P

R2=1

(4)

εr=38.70×108.31×ln(1+0.434P)-348.7P

R2=1

(5)

从式(4)、(5)拟合的结果来看，煤吸附膨胀变形考虑气体压力时煤吸附变形是合理的。同时，方程(公式2)是关于吸附常数a，b的函数，a，b选择直接影响纵向和环向应变计算结果。在流固耦合模拟或煤层变形模拟过程中，吸附常数a，b由颗粒状煤粉(60～80目)测定。粒状煤的吸附能力大于块状煤的吸附能力，因此块状煤的流固耦合模型计算结果与煤实际变形结果存在一定的误差。

4　结论

1)粒状煤吸附能力大于块状煤。原因是粒径越小比表面积越大，吸附的瓦斯量也越多，煤破碎小粒径时，部分未连通的孔隙与外界连通，比表面积增加，吸附量增加。

2)块状煤的变形量随吸附平衡压力而增大，但增加量逐渐减小。煤体吸附膨胀变形是煤基质吸附膨胀和气体压力压缩共同作用的结果；粒状煤测定的吸附常数应用到煤层数值模拟中会引起一定的误差。

[1]张天军, 许鸿杰, 李树刚, 等. 粒径大小对煤吸附甲烷的影响[J]. 湖南科技大学学报, 2009, 24(1): 9-12.

ZHANG Tianjun, XU Hongjie, LI Shugang, et al. The effect of particle size on adsorption of methane on coal[J]. Journal of Hunan University of Science & Technology, 2009, 24(1): 9-12.

[2]林海飞, 蔚文斌, 李树刚, 等. 多因素对煤样吸附瓦斯影响试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2015, 25(9): 121-126.

LIN Haifei, WEI Wenbin, LI Shugang, et al. Experiment study on effects of factors on gas adsorption of coal sample[J]. China Safety Science Journal, 2015, 25(9): 121-126.

[3]Florentin R, Aziz N, Black D, et al. Sorption characteristic of coal, particle size, gas type and time[A]. Coal 2009: Coal Operators' Conference[C], 2009: 208-216.

[4]Zhang L, Aziz N, Ren T, et al. Influence of coal particle size on coal adsorption and desorption characteristics[J]. Archives of Mining Sciences, 2015, 59(3): 807-820.

[5]FENG Yanyan, YANG Wen, CHU Wei. Coalbed methane adsorption and desorption characteristics related to coal particle size[J]. Chinese Physics B, 2016, 25(6):068102.

[6]李一波, 郑万成, 王凤双. 煤样粒径对煤吸附常数及瓦斯放散初速度的影响[J]. 煤矿安全, 2013, 44(1): 5-8.

LI Yibo, ZHENG Wancheng, WANG Fengshuang. The effect of coal sample particle size on coal adsorption constants and initial speed of methane diffusing[J]. Safety in Coal Mines, 2013, 44(1): 5-8.

[7]蔡立勇, 尹智雄, 赵红. 煤样粒径对瓦斯放散初速度的影响[J]. 矿业工程研究, 2013, 28(3): 30-33.

CAI Liyong, YIN Zhixiong, ZHAO Hong. Influence study on initial speed of methane diffusion by coal particle size[J]. Mineral Engineering Research, 2013, 28(3):30-33.

[8]刘彦伟, 张加琪, 刘明举,等. 水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响[J]. 中国安全生产科学技术, 2015, 11(6):12-17.

LIU Yanwei, ZHANG Jiaqi, LIU Mingju, et al. Influence of moisture content on gas diffusion coefficient of coal particle with different metamorphic degree[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2015, 11(6):12-17.

[9]郑万成, 邓小松, 李一波. 混合煤样中软分层对煤与瓦斯突出的影响[J]. 中国安全生产科学技术, 2012, 8(12):5-10.

ZHENG Wancheng, DENG Xiaosong, LI Yibo, et al. Effect of soft layer in the mixed coal on coal and gas outburst[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2012, 8(12):5-10.

[10]许江, 刘东, 彭守建,等. 煤样粒径对煤与瓦斯突出影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(6): 1231-1237.

XU Jiang, LIU Dong, PENG Shoujian, et al. Experimental research on influence of particle diameter on coal and gas outburst[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(6): 1231-1237.

[11]孙维吉. 煤渗透和吸附变形规律实验研究[D]. 阜新: 辽宁工程技术大学，2011.

[12]张遵国. 煤吸附/解吸变形特征及其影响因素研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2015.

[13]梁冰, 石迎爽, 孙维吉,等. 考虑压力作用的煤吸附/解吸CH4变形试验研究[J]. 实验力学, 2014, 29(2): 215-222.

LIANG Bing, SHI Yingshuang, SUN Weiji, et al. Experimental study of coal deformation produced by CH4adsorption/desorption taking into account pressure influence[J].Journal of Experimental Mechanics, 2014, 29(2): 215-222.

[14]梁冰, 于洪雯, 孙维吉,等. 煤低压吸附瓦斯变形试验[J]. 煤炭学报, 2013, 38(3):373-377.

LIANG Bing, YU Hongwen, SUN Weiji, et al. An experimental on deformation of coal adsorption of law pressure gas[J]. Journal of China Coal Society, 2013, 38(3):373-377.

[15]贾立锋, 孙维吉, 梁冰,等. 应力-渗流作用下煤体变形特性试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2016, 26(3): 115-120.

JIA Lifeng, SUN Weiji, LIANG Bing, et al. Experimental study on deformation characteristics of coal under influence of stress-seepage[J]. China Safety Science Journal, 2016, 26(3): 115-120.

[16]MT/T 752—1997，煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)[S].

[17]郭平, 曹树刚, 张遵国,等. 煤体吸附膨胀变形模型理论研究[J]. 岩土力学, 2014, 35(12): 3467-3472.

GUO Ping, CAO Shugang, ZHANG Zunguo, et al. Theoretical study of deformation model of coal swelling induced by gas adsorption[J]. Rock and soil Mechanics, 2014, 35(12):3467-3472.