粒狀煤和塊狀煤等溫吸附CH4試驗研究*

梁　冰，賈立鋒，孫維吉，董　擎

(1. 遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤與瓦斯突出災害發生的源頭是煤層中賦存了大量的瓦斯。煤與瓦斯突出災害發生時伴隨著大量瓦斯和煤粉噴向采出空間，突出的煤粒徑大小不一，需要進行不同粒徑下吸附能力的研究。同時，煤與瓦斯突出是一種煤體變形失穩嚴重破壞的現象，煤體的變形能力與煤體失穩密切相關。因此，研究不同尺寸下煤樣吸附特性可以為預防煤與瓦斯突出提供基礎上的理論支撐。

目前，國內外學者對不同粒徑煤做了大量的研究[1-9]。張天軍[1]，林海飛[2]，Florentin R[3]，Lei ZHANG[4]，Yan-Yan FENG[5]等研究了煤粒徑對吸附性能的影響，研究結果表明煤樣粒徑越小，吸附CH4能力越強。李一波[6]，蔡立勇[7]，劉彥偉[8]等研究了煤樣粒徑對瓦斯放散速度的影響，指出瓦斯放散初速度隨粒徑減小而增加。鄭萬成，許江[9-10]等研究了煤樣粒徑對煤與瓦斯突出影響。此外，煤吸附瓦斯除了表現出吸附性能外還表現為變形性能。孫維吉[11]對不同類型煤吸附CH4變形規律進行了研究，研究結果表明不同煤吸附CH4膨脹達到最大變形量所需要的時間不同；張遵國[12]對比研究了型煤和原煤吸附/解吸煤體變形規律；梁冰[13-15]等研究了煤低壓吸附下及不考慮吸附時應力-滲流條件下的變形規律。

煤與瓦斯突出是煤體暴露面局部產生的變形失穩現象，不僅受到煤吸附性能的影響，還受到吸附變形性能的影響。目前的研究局限在不同粒徑對煤吸附性能的影響或者瓦斯壓力對煤體變形影響方面，對吸附性能和變形性能的關聯性研究較少。本文利用自主研制的多功能煤吸附/解吸瓦斯參數測定試驗裝置，開展了粒狀煤和塊狀煤的等溫吸附試驗。分析了粒徑對煤吸附性能的影響及吸附性能與變形性能的關系。

1　試驗方法

1.1　試驗裝置

試驗采用的是多功能煤吸附/解吸瓦斯參數測定試驗裝置(圖1)，該裝置可以測定不同粒徑煤樣的吸附/解吸量、吸附常數a，b值及塊狀煤吸附解吸瓦斯過程的變形量，且可以實現粒狀煤和塊狀煤參數同時測定。

該裝置的吸附量是根據《煤的甲烷吸附量測定方法》(MT/T 752—1997)[16]中的測定原理進行計算。煤體變形采用的是分辨率為1 με的BX120-5AA型電阻應變計，配合型號為DH5923N動態數據采集儀進行測量。

圖1　多功能煤吸附/解吸瓦斯參數測定試驗裝置Fig.1　Multifunctional device for determination of gas parameters in the adsorption/desorption of coal

1.2　試樣的制備

試驗用煤樣取自漳村煤礦3#煤層，厚度為5.34～7.88 m，平均厚度為6.57 m。煤的視密度為1.40 g/cm3，真密度為1.48 g/cm3，水分含量為0.68%，灰分含量為13.62%，揮發分含量為13.85%。

粒狀煤制備：用破碎機將原煤破碎，然后用標準分樣篩篩分，篩分出粒徑范圍在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種粒徑試樣(圖2)。將制備好的煤樣放入溫度105℃的烘干箱中烘干至恒重。

塊狀煤的制備：用取芯鉆鉆取直徑為25 mm的煤樣，并用砂紙將煤樣兩端打磨至平整(圖2)。將制備好的煤樣放入105℃的烘干箱中烘干至恒重，取出放置室溫后粘貼型號為BX120-5AA應變片，應變片分別為平行于試件軸線方向(縱向應變)和垂直于試件軸線方向(環向應變)。

圖2　不同尺度的煤樣Fig.2　Coal samples in different scales

1.3　試驗內容及方案

試驗需要測量粒狀煤和塊狀煤在不同吸附平衡壓力下的吸附量及塊狀煤在不同吸附平衡壓力下的變形量。

粒狀煤吸附實驗過程如下：①用精度為0.000 1 g的分析天平稱量試樣質量M1，然后將煤樣裝入吸附室中，再稱量剩余試樣質量M2。(M1-M2)即為裝入吸附室的質量(表1)。②將試樣裝入吸附室后，啟動計算機輸入試樣質量、真密度、視密度、水分、灰分、揮發分等參數，先進行溫度為60℃抽真空4 h，然后等待溫度降低至30℃，再進行溫度為30℃吸附壓力分別為1 MPa,1.8 MPa,2.6 MPa,3.4 MPa,4.2 MPa,5 MPa,5.8 MPa的等溫吸附實驗，前2個吸附壓力點吸附7 h，后5個吸附點吸附4 h。

表1　樣品的質量

塊狀煤吸附試驗過程與粒狀煤的試驗過程相同，但是需在等溫試驗過程中測定煤體的變形量。

2　試驗結果及分析

2.1　粒徑對吸附量影響

不同粒徑煤等溫吸附曲線如圖3所示。

圖3　不同粒徑煤的等溫吸附曲線Fig.3　Isothermal adsorption curve of coal in different particle sizes

由圖3可知，粒徑小于0.425的煤樣吸附量明顯高于粒徑大于0.850 mm的煤樣，塊狀煤樣φ24.60×h30.74 mm的吸附量最小。隨著平衡壓力的增大，煤吸附瓦斯量逐漸增加，但增加量逐漸減少。從圖中測試結果看，在相同吸附壓力下煤樣粒徑越小，吸附量越大，吸附能力越強。用Langmuir方程對試驗數據進行擬合，擬合關系見表2。

表2　不同粒徑煤Langmuir擬合公式

表2中擬合公式的相關性系數均大于0.984，說明漳村礦3#煤吸附平衡壓力與其吸附量之間的關系符合Langmuir方程。

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為了進一步分析粒徑與吸附量之間的關系，需對數據做如下處理。首先根據表2中擬合公式計算出吸附平衡壓力為1 MPa,1.8 MPa,2.6 MPa,3.4 MPa,4.2 MPa,5 MPa的吸附量。然后以粒徑的平均尺寸為x軸，吸附量為y軸作圖(圖4)。其中粒狀煤的平均尺寸為試樣尺寸范圍均值，塊狀試件(φ24.60×h30.74)最長39.37 mm，最短為24.60 mm，平均尺寸為31.98 mm。

圖4　平均粒徑與吸附量關系曲線Fig.4　Relationship between diameter and adsorption capacity

由圖4可看出，不同吸附平衡壓力下平均粒徑與吸附量關系曲線趨勢相同，吸附量隨煤樣粒徑的增大而減小。以吸附平衡壓力1 MPa為例進行分析。吸附平衡壓力為1 MPa時，平均直徑為31.98 mm的吸附量是11.7 mL/g，平均直徑為17.5 mm，10 mm，1.425 mm的吸附量分別是12.32 mL/g，12.83 mL/g，13.5 mL/g，增加了5.30%，9.66%，15.38%；平均直徑為0.513 mm，0.250 mm，0.138 mm，0.889 mm的吸附量分別增加了35.78%，39.78%，48.14%，52.65%。吸附量增幅在1.425～ 0.513 mm這個范圍較大，當粒徑小于0.513 mm后吸附量增加較小。這是因為當煤破碎時，未連通的微孔才能與外界連通，煤的有效比表面明顯增加，增加的微孔吸附瓦斯使得煤吸附瓦斯量增加。而破碎到一定的粒徑后孔隙幾乎全部連通，吸附量增加變得緩慢。另一個可能的原因是由于塊狀煤吸附因為經歷滲流擴散吸附的過程，需要更長的吸附時間。

2.2　吸附壓力與吸附變形關系

等溫吸附試驗選用了直徑24.60 mm，高30.74 mm的煤樣進行試驗，吸附平衡壓力與煤體變形關系曲線如圖5所示。

圖5　等溫吸附過程中煤體變形Fig.5　Coal deformation in isothermal adsorption process

圖5中等溫吸附試驗過程分為3個階段，時間0～240 min為抽真空階段；241～886 min為水浴溫度60℃降低至30℃階段；887～2933 min為溫度30℃的等溫吸附階段。圖中收縮應變為負值，膨脹應變為正值。煤體環向應變和縱向應變隨著吸附壓力的增加呈現階梯型增加，煤體發生膨脹變形，但變形增加量逐漸減小。縱向應變和環向應變在相同的吸附環境下表現出了變形數值上的差異性，縱向應變低于環向應變。這是因為煤在軸向和環向上的結構存在差異性，在吸附相同瓦斯量的情況下表現出的變形能力不同。

將等溫吸附過程中煤體變形進行提取，繪制出吸附平衡壓力與煤體變形關系曲線(圖6)。

圖6　吸附平衡壓力與煤體應變之間的關系Fig.6　Relationship between adsorption pressure and coal strain

圖6中給出了不同吸附平衡壓力與縱向應變、環向應變、體積應變的關系。隨著吸附平衡壓力的增加，煤體的縱向應變、環向應變、體積應變逐漸增大，并且趨于平穩。在吸附壓力為0 MPa，煤體的縱向應變和橫向應變分別為-185 με，-253 με，這是煤體由抽真空和溫度變化引起的煤體變形。從應變曲線的形狀看，煤體的等溫變形曲線與等溫吸附曲線存在相似之處。

3　討論

3.1　粒徑對煤吸附能力影響機理分析

文獻[1-2，4-5]認為煤粒徑對吸附性能的影響是煤樣粒徑越小，吸附CH4能力越強。而部分學者認為不同粒徑煤吸附量不同是因為吸附時間短，塊狀煤吸附需要更長的時間才能達到吸附平衡，若吸附時間足夠長塊狀煤與粒狀煤吸附量接近。目前在孔隙的劃分上不同學者劃分方式不同，但普遍認為比表面積大小分別為微孔>小孔>中孔>大孔，微孔和小孔具有較大的比表面積。CH4的分子直徑約為0.4 nm，標準狀態下CH4氣體分子間距約為3.3 nm，5 MPa壓力條件下分子氣體間距約為1.9 nm。所以并非所有的微孔都可以吸附瓦斯，僅當孔徑大于某一值時，CH4分子才能夠進入微孔中被吸附。部分微孔隙需要一定的時間才能夠達到吸附平衡。

煤吸附作用是由于過盛的表面自由能引起的。對同一種煤而言，粒徑越小比表面積越大，吸附的瓦斯量也越多[5]。煤體內的孔隙并非全部連通，煤破碎小粒徑時，部分未連通的孔隙與外界連通，比表面積增加，吸附量增加。

3.2　煤體吸附瓦斯變形分析

(2)

式中：ε為線性吸附應變；a為煤體在參考壓力下氣體的極限吸附量，cm3/g；b為煤的吸附平衡常數， MPa-1；ρs為煤體的真密度，g/cm3；R為氣體常數，R=8.314 3 J/(mol·K)；T為溫度，K；P為氣體吸附平衡壓力， MPa；ν為煤的泊松比；Es為煤體固體彈性模量，Pa；Vm為氣體摩爾體積，22.4L/mol。式(2)前半部分為吸附引起表面自由能變化的膨脹變形，后半部分為氣體壓力引起煤體收縮變形。部分學者認為吸附變形與吸附壓力之間的關系符合朗格謬爾公式形式，但并未揭示變形機理，且忽略氣體壓力引起煤體收縮變形的作用。

對同一種煤而言，可以將式(2)簡化為式(3)：

ε=aK1ln(1+bP)-K2P

(3)

式中：K1=ρsRT/(EsVm)，K2=(1-2ν)/Es。

將圖6中壓力為0 MPa時的環向和縱向應變調整為初始值0，其他測試點均在此點基礎上變化。然后利用式(3)對環向和縱向應變進行擬合，其中a取值38.70，b取值0.434。擬合結果如下：

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)

從式(4)、(5)擬合的結果來看，煤吸附膨脹變形考慮氣體壓力時煤吸附變形是合理的。同時，方程(公式2)是關于吸附常數a，b的函數，a，b選擇直接影響縱向和環向應變計算結果。在流固耦合模擬或煤層變形模擬過程中，吸附常數a，b由顆粒狀煤粉(60～80目)測定。粒狀煤的吸附能力大于塊狀煤的吸附能力，因此塊狀煤的流固耦合模型計算結果與煤實際變形結果存在一定的誤差。

4　結論

1)粒狀煤吸附能力大于塊狀煤。原因是粒徑越小比表面積越大，吸附的瓦斯量也越多，煤破碎小粒徑時，部分未連通的孔隙與外界連通，比表面積增加，吸附量增加。

2)塊狀煤的變形量隨吸附平衡壓力而增大，但增加量逐漸減小。煤體吸附膨脹變形是煤基質吸附膨脹和氣體壓力壓縮共同作用的結果；粒狀煤測定的吸附常數應用到煤層數值模擬中會引起一定的誤差。

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