煤的工业参数与吸附常数关系研究

郑吉玉，田坤云

(河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191)

煤的工业参数与吸附常数关系研究

郑吉玉，田坤云

(河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191)

在煤的瓦斯吸附影响因素中，煤的工业参数是重要的影响因素之一.为了研究煤的工业参数与吸附常数的关系，对某矿多个采区煤炭的工业分析和吸附常数实验数据进行分析，研究结果如下：吸附常数a随着水分的增加而变小，随着固定碳的增加而增大；吸附常数b随着水分的增加而增大，随着固定碳的增加而变小；灰分和挥发分与吸附常数关系不明显，运用SPSS数据分析软件把吸附常数关于灰分、挥发分进行二元线性回归，发现吸附常数a与灰分、挥发分的相关性高，吸附常数b与灰分、挥发分的相关性较低.研究结果为煤层瓦斯参数的预测提供了依据.

煤；工业参数；吸附常数；关系

煤作为一种多孔介质，对水分和瓦斯具有较强的吸附性，而井下煤的吸附主要为物理吸附，仅在特定条件下才会产生化学吸附.影响煤瓦斯吸附的因素主要有水分、温度、孔隙结构等[1-2].

水分对煤瓦斯吸附的影响较大已形成了普遍共识，水的存在抑制了瓦斯吸附，使煤体中的瓦斯吸附量减少，故在瓦斯防治技术中，采用煤层注水来降低瓦斯涌出[3-4].温度是影响吸附的重要因素之一，Langmuir 吸附理论认为，多孔介质吸附气体量随温度升高而减少，同时吸附常数a变小[5].近年来，对煤的孔隙结构与瓦斯吸附方面的研究也越来越多，如粒径越小、表面积越大，煤的瓦斯吸附量越多[6].

吸附常数a是煤的可燃质饱和吸附量，吸附常数b为吸附量达到朗格缪尔体积一半时所对应的平衡压力的倒数.吸附常数体现了多孔介质的吸附特征，除了温度、粒径、物质组成、变质程度外，煤的工业参数(水分、灰分、挥发分、固定碳)与吸附常数也存在一定的关系[7-8].煤的灰分是煤质分析一项重要的指标，直接影响煤质，灰分对活性炭吸附性能不利[9]；挥发分与煤的变质程度有关，低变质程度的煤往往挥发分较大，随着煤化程度的提高，挥发分降低，而吸附与煤化程度相关.灰分、挥发分与吸附常数的关系可采用二元线性回归进行分析.

1 煤的瓦斯吸附原理

煤中大量的微孔表面分子与气体分子产生相互作用力，即范德华力，包括静电作用力、伦敦色散力、德拜诱导力.同时，煤的大分子还会产生库伦作用力，当气体与内表面接触时，分子的作用力使瓦斯气体分子在表面上发生聚集，称为吸附[10-11].气体分子逐渐聚集的过程为吸附过程；当煤体表面气体分子数量不变且脱附和吸附速率相等时，为吸附平衡状态.当吸附平衡被打破，气体分子重新返回自由状态，表面上瓦斯气体分子逐渐减少的过程，为脱附过程.煤对瓦斯的吸附为物理吸附，煤体内部存在大量孔隙，故表面积大，所以煤是一种很好的天然吸附剂.瓦斯是一种吸附气体，在一个恒定温度下，吸附量与瓦斯压力符合朗格缪尔方程[12]，即

(1)

式中：X为一定瓦斯压力p下煤可燃质吸附瓦斯量，m3/t；p为瓦斯压力，MPa；a为吸附常数，当p趋于无穷大时，煤的可燃质饱和吸附量，m3/t；b为吸附常数，MPa-1.

式(1)建立在以下假设条件下：①煤的吸附平衡为动态平衡；②忽略被吸附瓦斯气体分子间相互作用力；③固体表面均匀一致；④吸附层为单分子层.在式(1)中，煤的吸附常数a和b决定着煤体在不同瓦斯压力下吸附的瓦斯量，所以煤的瓦斯吸附常数是衡量煤对瓦斯吸附能力的重要指标.吸附常数a的物理意义是当瓦斯压力趋向无穷大时煤的可燃质极限瓦斯吸附量，b为吸附量达到朗格缪尔体积一半时所对应的平衡压力的倒数，一般为0.5～5.0 MPa-1，其值与温度和吸附剂的物理化学性质有关.

2 煤的工业参数与吸附常数关系

煤的工业分析是了解煤质特性及评价煤质的主要指标和基本依据.煤的工业参数包括水分、灰分、挥发分、固定碳.煤的瓦斯吸附影响因素很多，如温度、瓦斯压力、水分、煤的变质程度等，由于煤的工业参数对煤的物理和化学性质有着重要影响，因而对煤的瓦斯吸附也起着重要作用.为了提高分析的准确性，所采用实验数据源自某矿11，12，13，14，15采区及16采区大巷，基本覆盖整个矿区.

2.1水分与吸附常数的关系

煤体中水分的存在形式有游离水和化学水两类，分别以物理形式和化合形式与煤结合.煤中水分的存在直接影响煤的运输、贮存和制备，由于煤的孔隙表面对水的吸附能力高于对瓦斯的吸附能力，导致水分优先被吸附于煤孔隙表面，挤压了瓦斯的吸附空间，从而使瓦斯在煤孔隙表面的吸附量减少，如图1和图2所示，吸附常数a随着水分质量分数的增加而变小，吸附常数b随着水分质量分数的增加总体呈变大趋势，但局部存在变小现象.

图1 水分与吸附常数a的关系Fig.1 Relationship between moisture and adsorption constant a

图2 水分与吸附常数b的关系Fig.2 Relationship between moisture and adsorption constant b

2.2固定碳与吸附常数的关系

固定碳是煤燃烧的主要成分，直接影响煤的发热量，相比水分、灰分、挥发分，固定碳在煤体中的质量分数最大，固定碳的占比直接影响煤的孔隙结构，如孔径、比表面积、孔容等，而煤的吸附常数与孔隙结构息息相关，如图3和图4所示，吸附常数a随着固定碳质量分数的增加而变大，吸附常数b随着固定碳质量分数的增加而变小.

图3 固定碳与吸附常数a的关系Fig.3 Relationship between fixed carbon and adsorption constant a

图4 固定碳与吸附常数b的关系Fig.4 Relationship between fixed carbon and adsorption constant b

2.3灰分、挥发分与吸附常数的关系

灰分是煤燃烧后余下的残渣量，本身的吸附作用比较弱，而灰分越高，煤的固定碳含量相应降低，煤质越差，对瓦斯的吸附作用也有所降低.挥发分是指煤加热到一定程度时，有机物和矿物质转化成气体的逸出产物，挥发分反映了煤的变质程度，低变质程度的煤挥发分高，所以挥发分对吸附常数的影响应与煤化程度联系在一起.灰分与吸附常数的关系如图5和图6所示，挥发分与吸附常数的关系如图7和图8所示.灰分、挥发分质量分数与吸附常数a呈现出递减趋势，但这种趋势并不明显，而与吸附常数b的关系如图中点的分布,无规律可言.

图5 灰分与吸附常数a的关系Fig.5 Relationship between ash and adsorption constant a

图6 灰分与吸附常数b的关系Fig.6 Relationship between ash and >adsorption constant b

图7 挥发分与吸附常数a的关系Fig.7 Relationship between volatile and adsorption constant a

图8 挥发分与吸附常数b的关系Fig.8 Relationship between volatile and adsorption constant b

由于灰分和挥发分质量分数与吸附常数a和b的关系特征不明显，通常把灰分和挥发分结合起来分析，运用SPSS 数据分析软件对灰分、挥发分与吸附常数a和b进行多元线性回归分析，结果如表1与表2所示.

表1 吸附常数a与灰分、挥发分的回归分析结果Tab.1 Regression analysis results of adsorption constant a and ash, volatile

表2 吸附常数b与灰分、挥发分的回归分析结果Tab.2 Regression analysis results of adsorption constant b and ash, volatile

吸附常数a与灰分、挥发分质量分数的关系式如下：

a=21.94-52.021x1+87.721x2.

(2)

吸附常数b与灰分、挥发分质量分数的关系式如下：

b=1.019+2.436x1-2.903x2.

(3)

从回归分析结果可以看出，吸附常数a与灰分、挥发分的相关性高，吸附常数b与灰分、挥发分的相关性较低，尤其是吸附常数b与灰分、挥发分的相关系数只有0.44.究其原因，所采用实验数据仅局限于一个矿区，而挥发分往往与煤的变质程度有关，在同一矿区变化较小，故体现不出挥发分对吸附常数的影响.

3 结论

(1)对某矿多个采区的工业分析和吸附常数实验数据进行了分析，从分析结果看，水分和固定碳质量分数对吸附常数a和b的影响较为明显，灰分和挥发分质量分数与吸附常数a和b的关系较为离散.

(2)对实验数据的分析结果表明，吸附常数a随着水分质量分数的增加而变小，随着固定碳质量分数的增加而变大；吸附常数b随着水分质量分数的增加而变大，随着固定碳质量分数的增加而变小.

(3)吸附常数与灰分、挥发分质量分数的二元线性回归结果表明,吸附常数a与灰分、挥发分质量分数的相关性高，吸附常数b与灰分、挥发分质量分数的相关性较低.

[1] 李树刚,安朝峰,林海飞,等.多因素影响下煤层吸附甲烷特性试验研究[J].煤炭科学技术,2014(6):40-44.

[2] 李子文,林柏泉,郝志勇,等. 煤体孔径分布特征及其对瓦斯吸附的影响[J].中国矿业大学学报,2013(6):1047-1053.

[3] 林海飞,赵鹏翔,李树刚,等.水分对瓦斯吸附常数及放散初速度影响的实验研究[J].矿业安全与环保,2014(2):16-19.

[4] 赵东,冯增朝,赵阳升.基于吸附动力学理论分析水分对煤体吸附特性的影响[J].煤炭学报,2014(3):518-523.

[5] 王刚,程卫民,潘刚.温度对煤体吸附瓦斯性能影响的研究[J].安全与环境学报,2012(5):231-234.

[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(1):5-8.

[7] 李树刚,胡魏魏,林海飞,等.煤体灰分与挥发分对煤吸附甲烷性能的影响实验研究[J].矿业安全与环保,2015(1):16-18.

[8] 郝世雄,王承洋,江成发.固定碳对煤的孔结构和甲烷吸附量的影响[J].煤炭学报,2012(9):1477-1482.

[9] 韩露,李开喜,高峰.工艺参数及灰分对煤基活性炭吸附性能的影响[J].煤炭转化,2008(3):71-76.

[10]聂百胜,段三明.煤吸附瓦斯的本质[J].太原理工大学学报,1998(4):88-92.

[11]张力,邢平伟.煤体瓦斯吸附和解吸特性的研究[J].江苏煤炭,2000(4):18-20.

[12]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.

Researchontherelationshipbetweenindustrialparameterandadsorptionconstantofcoal

ZHENGJiyu，TIANKunyun

(CollegeofSafetyScienceEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Among the affecting factors of coal gas adsorption, coal industrial parameter is one of the important factors. To study the relationship between industrial parameter and the adsorption constant of coal, experimental data of industrial parameter and adsorption constants of coal from multiple mining areas were analyzed, the results showed that adsorption constantsadecreases with the increase of moisture, and increase with the increase of fixed carbon; adsorption constantbincrease with the increase of moisture, and decreases with the increase of carbon fixation; ash and volatile and adsorption constant relationship is not obvious, by two-variable linear regression analysis using SPSS for ash or volatile and adsorption constants，it showed that high correlation between ash or volatile and adsorption constanta, low correlation between ash or volatile and adsorption constantb. The research results provide a basis for coal seam gas parameter prediction.

coal; industry parameter; adsorption constant; relationship

TD712.1

A

1674-330X(2016)03-0015-04

2017-03-25

国家自然科学基金(51174082)

郑吉玉(1984-)，男, 安徽砀山人，讲师，博士研究生，主要从事安全工程技术、矿业灾害防治方面的研究.