高温高压下瓦斯在煤体内表面吸附力变化研究

侯 程，张英华，朱传杰

（1.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116）

我国煤炭透气性普遍较低，瓦斯抽采效率普遍不高，国内外有关学者提出了利用热驱动（介质为热蒸汽）提高瓦斯抽采效率的设想，即通过地面或井下抽采钻孔向煤体内部注热，提高煤体温度，以促进瓦斯解吸[1-3]。国内外对温度对瓦斯吸附能力的影响做了很多研究，如Boxho等人研究发现对于烟煤来讲，温度每升高1℃，瓦斯吸附能力下降0.8%[4]。从理论上来讲，瓦斯在煤体表面的吸附量随着压力的增高而增加，随着温度的升高而降低，Levy、Bustin、Sakurovs、Crosdale等人的研究都验证了这点[5-8]。其中研究的差异主要体现在吸附压力和温度的不同，如Wang等人研究了压力为1.2 MPa、温度为281～343 K条件下，CH4解吸能力差异[9]，张翔等人利用HCA型高压容量法吸附装置，分别在温度为30、40、50、60、70℃条件下进行了煤对瓦斯的等温吸附实验[10]。此外，很多学者还研究了温度对不同煤质吸附瓦斯能力的影响[11-16]。但现有的研究涉及的温度变化范围较低，而且最高温度均未超过70℃，而煤体在更高温度下会产生膨胀变形，可能会对瓦斯吸附和运移产生额外影响，为此研究了25～120℃范围内的瓦斯吸附特性。

1 实验方法

采用的瓦斯吸附方法为静态容量法，即在密闭的真空环境中，利用系统吸附前后的体积、压力变化通过气体状态方程计算得出气体吸附量，得到物质的吸附解吸等温线。与复杂多变的动态法相比，此方法能对吸附剂进行定量的分析且具有简单、灵敏度高、数据可靠性好等优点。

吸附模型采用朗格缪尔（Langmuir）模型，该模型可以较好地拟合实验数据，描述出煤体吸附甲烷的过程，所以现在国内外的绝大多数学者都采用Langmuir吸附模型来计算吸附量，同时该模型也是煤层气领域中应用最为普遍的模型之一。

Langmuir方程作为现如今应用最为广泛的吸附模型之一，它具有结构形式简单、物理意义明确等优点，虽然存有误差但依旧满足工程需要，其表达式为：

式中：Q为瓦斯吸附量，cm3/g；p为瓦斯的吸附压力，MPa；a为朗格缪尔体积，其值含义为煤体在给定的温度条件下甲烷的饱和吸附量，cm3/g；b为与吸附质、吸附剂的特征及温度有关的常数，其值为吸附与解吸速率的比值，表征煤体内表面的吸附能力，MPa－1。

2 实验流程及煤样参数

实验测试流程依据国家标准GB/T 19560—2008《煤的高压等温吸附试验方法》。实验在测试前需要首先将煤样进行加热预处理，由于本次考察的温度范围达到120℃，因此在实验前首先将煤样升温至120℃，使煤中易挥发的物质或其他气体挥发，以消除对实验的影响。此外，实验最大吸附压力为7.5 MPa，测试数据点为11个，实测温度为25、40、80、120℃。

实验采用北京金埃谱科技有限公司生产的全自动高温高压气体吸附仪H－Sorb 2600进行测试。该仪器压力测定范围是常压至20 MPa，精度达0.05%FS；温度测定范围是常温至500℃，控温精度是0.1℃；仪器测量误差是±3%；吸附等温方程利用Langmuir模型计算，可以满足实验需求。

实验采用了3种不同煤样，煤样的工业分析数据见表1。3种煤样具有一定的代表性，其中GHS煤样为无烟煤，GD和XB煤样为烟煤。通过对比分析不同煤样在不同温度下的吸附能力，研究提高煤体温度对促进不同煤样中瓦斯解吸的潜在影响，同时分析了不同工业分析指标与吸附能力之间的关系，为潜在的工业应用提供借鉴。

表1 实验煤样工业分析数据

3 实验结果与分析

3.1 瓦斯吸附量随温度变化规律

3种煤样的瓦斯吸附等温曲线如图1。

图1 温度对煤体瓦斯吸附等温曲线的影响

从图1可以看出，在高温高压作用下，瓦斯的吸附过程仍然可以用朗格缪尔吸附方程准确描述（图1中曲线为朗格缪尔拟合曲线），随着吸附压力的升高，吸附量不断增多。在低压段，瓦斯吸附量上升明显，但达到一定压力后，吸附量变化趋于平缓，逐渐接近饱和吸附量，此时，即使提高吸附压力，瓦斯吸附量也不再增大。差别在于不同煤样由于煤种差异，其瓦斯饱和吸附量存在差异。

此外，在同等压力条件下，升高煤体温度，所有煤样的瓦斯吸附能力都明显下降，这与以往在较低温阶段（＜70℃）的研究结果具有类似趋势。以XB煤样为例，吸附压力为 0.28 MPa，温度为 25、40、80、120 ℃时，对应的瓦斯吸附量分别为 6.05、3.38、2.82、1.77 cm3/g，下降的幅度非常大，其中，120 ℃时降幅达到70.74%；吸附压力为 7.42 MPa时，对应的吸附量分别为 25.51、24.23、16.84、12.96 cm3/g，120 ℃时降幅达到 49.20%。

3.2 朗格缪尔参数随温度变化规律

为了更深入地了解温度对吸附能力的影响，对比了提高温度后朗格缪尔常数的变化规律（图2）。按照朗格缪尔吸附方程，吸附常数包括朗格缪尔体积和压力2个参数。其中朗格缪尔体积又称饱和吸附量，它反映了煤样对瓦斯的吸附能力，其值越大，吸附能力越强。变质程度较高的GHS煤样（无烟煤）的饱和吸附量要高于其它2个煤样，XB煤样的饱和吸附量稍高于GD煤样（图2（a））。而且，三者的饱和吸附量总体上都随着温度的升高而降低（表2）。其中，GHS煤样在120℃时降幅达到26.52%，XB和GD煤样的降幅分别为12.33%和35.76%，由此可见，饱和吸附量的降幅虽然存在差异，但并不依赖于煤的变质程度。

朗格缪尔吸附压力是反映瓦斯吸附能力的另一个重要指标。通常认为，朗格缪尔吸附压力的数值越大，物质的吸附能力越强。从图2（b）中可以看出，GHS煤样的吸附能力要高于其它2个煤样，但是其随着的温度的升高下降速率较其它2个煤样更快。与饱和吸附量类似，XB和GD煤样的朗格缪尔吸附压力数值接近，其中GD的数值要稍高于XB煤样。不同煤样孔隙结构的压汞分析如图3。图3煤样的压汞分析结果也验证这一点，从GHS煤样的压汞数据可以看出，进退汞曲线基本重合，而GD和XB煤样的压汞结果存在明显迟滞现象。迟滞现象反映了煤体中存在的孔隙结构中富含“墨水瓶”孔，不利于瓦斯吸附解吸，图中GHS煤样的迟滞现象明显弱于GD和XB煤样，与上述其吸附能力较大刚好吻合。

图2 朗格缪尔吸附常数与温度的关系

表2 朗格缪尔吸附常数

3.3 吸附能力与煤样工业参数的关系

煤的工业分析数据与煤对瓦斯的吸附能力具有一定的相关性，也是相对比较容易获得的数据，对加热提高瓦斯采收率具有指导意义。煤样的瓦斯饱和吸附量（或朗格缪尔体积）与工业分析参数之间的关系如图4。从图4可以看出，瓦斯的饱和吸附量与不同工业分析数据间的关系存在较大差异。

从总体趋势上来看，瓦斯在不同温度条件下的饱和吸附量随固定碳含量Fcad增加而增加，在固定碳含量为62.47（GD煤样数据）时，增加缓慢甚至出现降低，特别是120℃时降低的最明显。在25、40、80℃时，瓦斯的饱和吸附量随挥发分含量Vad增高而降低，但是在120℃时，先降低后增加。灰分Aad的存在不利于瓦斯的吸附，从图4（c）中可以看到，所有温度条件下，瓦斯饱和吸附量均呈明显的下降趋势，其中120℃时下降的最快，图4（d）给出的水分Mad与饱和吸附量的关系也表现出类似的规律，这与以往研究结果是吻合的，即煤孔隙中的水分子不利于瓦斯吸附。

4 结论

1）在高温高压作用下，瓦斯的吸附过程仍然可以用朗格缪尔吸附方程准确描述，吸附量随吸附压力升高而增多，此外，在同等压力条件下，升高煤体温度，所有煤样的瓦斯吸附能力均表现出明显下降。

2）变质程度较高的煤样的饱和吸附量要高于其它煤样，饱和吸附量总体上都随着温度的升高而降低，但降幅存在差异，朗格缪尔吸附压力结果反映了变质程度高的煤样的吸附能力要高于其它煤样，但随着温度的升高下降速率较其它2个煤样更快。

图4 煤样的瓦斯饱和吸附量与工业分析参数的关系

3）瓦斯的饱和吸附量与不同工业分析数据间的关系存在较大差异，总体上来看，瓦斯在不同温度条件下的饱和吸附量随固定碳含量增加而增加，在25、40、80℃时，瓦斯的饱和吸附量随挥发分含量增高而降低，但是在120℃时，瓦斯饱和吸附量先降低后增加。灰分和水分的存在不利于瓦斯的吸附，所有温度条件下，瓦斯饱和吸附量均呈明显下降趋势。