高溫高壓下瓦斯在煤體內(nèi)表面吸附力變化研究

侯 程，張英華，朱傳杰

（1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

我國煤炭透氣性普遍較低，瓦斯抽采效率普遍不高，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者提出了利用熱驅(qū)動（介質(zhì)為熱蒸汽）提高瓦斯抽采效率的設(shè)想，即通過地面或井下抽采鉆孔向煤體內(nèi)部注熱，提高煤體溫度，以促進(jìn)瓦斯解吸[1-3]。國內(nèi)外對溫度對瓦斯吸附能力的影響做了很多研究，如Boxho等人研究發(fā)現(xiàn)對于煙煤來講，溫度每升高1℃，瓦斯吸附能力下降0.8%[4]。從理論上來講，瓦斯在煤體表面的吸附量隨著壓力的增高而增加，隨著溫度的升高而降低，Levy、Bustin、Sakurovs、Crosdale等人的研究都驗(yàn)證了這點(diǎn)[5-8]。其中研究的差異主要體現(xiàn)在吸附壓力和溫度的不同，如Wang等人研究了壓力為1.2 MPa、溫度為281～343 K條件下，CH4解吸能力差異[9]，張翔等人利用HCA型高壓容量法吸附裝置，分別在溫度為30、40、50、60、70℃條件下進(jìn)行了煤對瓦斯的等溫吸附實(shí)驗(yàn)[10]。此外，很多學(xué)者還研究了溫度對不同煤質(zhì)吸附瓦斯能力的影響[11-16]。但現(xiàn)有的研究涉及的溫度變化范圍較低，而且最高溫度均未超過70℃，而煤體在更高溫度下會產(chǎn)生膨脹變形，可能會對瓦斯吸附和運(yùn)移產(chǎn)生額外影響，為此研究了25～120℃范圍內(nèi)的瓦斯吸附特性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用的瓦斯吸附方法為靜態(tài)容量法，即在密閉的真空環(huán)境中，利用系統(tǒng)吸附前后的體積、壓力變化通過氣體狀態(tài)方程計算得出氣體吸附量，得到物質(zhì)的吸附解吸等溫線。與復(fù)雜多變的動態(tài)法相比，此方法能對吸附劑進(jìn)行定量的分析且具有簡單、靈敏度高、數(shù)據(jù)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

吸附模型采用朗格繆爾（Langmuir）模型，該模型可以較好地擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，描述出煤體吸附甲烷的過程，所以現(xiàn)在國內(nèi)外的絕大多數(shù)學(xué)者都采用Langmuir吸附模型來計算吸附量，同時該模型也是煤層氣領(lǐng)域中應(yīng)用最為普遍的模型之一。

Langmuir方程作為現(xiàn)如今應(yīng)用最為廣泛的吸附模型之一，它具有結(jié)構(gòu)形式簡單、物理意義明確等優(yōu)點(diǎn)，雖然存有誤差但依舊滿足工程需要，其表達(dá)式為：

式中：Q為瓦斯吸附量，cm3/g；p為瓦斯的吸附壓力，MPa；a為朗格繆爾體積，其值含義為煤體在給定的溫度條件下甲烷的飽和吸附量，cm3/g；b為與吸附質(zhì)、吸附劑的特征及溫度有關(guān)的常數(shù)，其值為吸附與解吸速率的比值，表征煤體內(nèi)表面的吸附能力，MPa－1。

2 實(shí)驗(yàn)流程及煤樣參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測試流程依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》。實(shí)驗(yàn)在測試前需要首先將煤樣進(jìn)行加熱預(yù)處理，由于本次考察的溫度范圍達(dá)到120℃，因此在實(shí)驗(yàn)前首先將煤樣升溫至120℃，使煤中易揮發(fā)的物質(zhì)或其他氣體揮發(fā)，以消除對實(shí)驗(yàn)的影響。此外，實(shí)驗(yàn)最大吸附壓力為7.5 MPa，測試數(shù)據(jù)點(diǎn)為11個，實(shí)測溫度為25、40、80、120℃。

實(shí)驗(yàn)采用北京金埃譜科技有限公司生產(chǎn)的全自動高溫高壓氣體吸附儀H－Sorb 2600進(jìn)行測試。該儀器壓力測定范圍是常壓至20 MPa，精度達(dá)0.05%FS；溫度測定范圍是常溫至500℃，控溫精度是0.1℃；儀器測量誤差是±3%；吸附等溫方程利用Langmuir模型計算，可以滿足實(shí)驗(yàn)需求。

實(shí)驗(yàn)采用了3種不同煤樣，煤樣的工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表1。3種煤樣具有一定的代表性，其中GHS煤樣為無煙煤，GD和XB煤樣為煙煤。通過對比分析不同煤樣在不同溫度下的吸附能力，研究提高煤體溫度對促進(jìn)不同煤樣中瓦斯解吸的潛在影響，同時分析了不同工業(yè)分析指標(biāo)與吸附能力之間的關(guān)系，為潛在的工業(yè)應(yīng)用提供借鑒。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 瓦斯吸附量隨溫度變化規(guī)律

3種煤樣的瓦斯吸附等溫曲線如圖1。

圖1 溫度對煤體瓦斯吸附等溫曲線的影響

從圖1可以看出，在高溫高壓作用下，瓦斯的吸附過程仍然可以用朗格繆爾吸附方程準(zhǔn)確描述（圖1中曲線為朗格繆爾擬合曲線），隨著吸附壓力的升高，吸附量不斷增多。在低壓段，瓦斯吸附量上升明顯，但達(dá)到一定壓力后，吸附量變化趨于平緩，逐漸接近飽和吸附量，此時，即使提高吸附壓力，瓦斯吸附量也不再增大。差別在于不同煤樣由于煤種差異，其瓦斯飽和吸附量存在差異。

此外，在同等壓力條件下，升高煤體溫度，所有煤樣的瓦斯吸附能力都明顯下降，這與以往在較低溫階段（＜70℃）的研究結(jié)果具有類似趨勢。以XB煤樣為例，吸附壓力為 0.28 MPa，溫度為 25、40、80、120 ℃時，對應(yīng)的瓦斯吸附量分別為 6.05、3.38、2.82、1.77 cm3/g，下降的幅度非常大，其中，120 ℃時降幅達(dá)到70.74%；吸附壓力為 7.42 MPa時，對應(yīng)的吸附量分別為 25.51、24.23、16.84、12.96 cm3/g，120 ℃時降幅達(dá)到 49.20%。

3.2 朗格繆爾參數(shù)隨溫度變化規(guī)律

為了更深入地了解溫度對吸附能力的影響，對比了提高溫度后朗格繆爾常數(shù)的變化規(guī)律（圖2）。按照朗格繆爾吸附方程，吸附常數(shù)包括朗格繆爾體積和壓力2個參數(shù)。其中朗格繆爾體積又稱飽和吸附量，它反映了煤樣對瓦斯的吸附能力，其值越大，吸附能力越強(qiáng)。變質(zhì)程度較高的GHS煤樣（無煙煤）的飽和吸附量要高于其它2個煤樣，XB煤樣的飽和吸附量稍高于GD煤樣（圖2（a））。而且，三者的飽和吸附量總體上都隨著溫度的升高而降低（表2）。其中，GHS煤樣在120℃時降幅達(dá)到26.52%，XB和GD煤樣的降幅分別為12.33%和35.76%，由此可見，飽和吸附量的降幅雖然存在差異，但并不依賴于煤的變質(zhì)程度。

朗格繆爾吸附壓力是反映瓦斯吸附能力的另一個重要指標(biāo)。通常認(rèn)為，朗格繆爾吸附壓力的數(shù)值越大，物質(zhì)的吸附能力越強(qiáng)。從圖2（b）中可以看出，GHS煤樣的吸附能力要高于其它2個煤樣，但是其隨著的溫度的升高下降速率較其它2個煤樣更快。與飽和吸附量類似，XB和GD煤樣的朗格繆爾吸附壓力數(shù)值接近，其中GD的數(shù)值要稍高于XB煤樣。不同煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的壓汞分析如圖3。圖3煤樣的壓汞分析結(jié)果也驗(yàn)證這一點(diǎn)，從GHS煤樣的壓汞數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)退汞曲線基本重合，而GD和XB煤樣的壓汞結(jié)果存在明顯遲滯現(xiàn)象。遲滯現(xiàn)象反映了煤體中存在的孔隙結(jié)構(gòu)中富含“墨水瓶”孔，不利于瓦斯吸附解吸，圖中GHS煤樣的遲滯現(xiàn)象明顯弱于GD和XB煤樣，與上述其吸附能力較大剛好吻合。

圖2 朗格繆爾吸附常數(shù)與溫度的關(guān)系

表2 朗格繆爾吸附常數(shù)

3.3 吸附能力與煤樣工業(yè)參數(shù)的關(guān)系

煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)與煤對瓦斯的吸附能力具有一定的相關(guān)性，也是相對比較容易獲得的數(shù)據(jù)，對加熱提高瓦斯采收率具有指導(dǎo)意義。煤樣的瓦斯飽和吸附量（或朗格繆爾體積）與工業(yè)分析參數(shù)之間的關(guān)系如圖4。從圖4可以看出，瓦斯的飽和吸附量與不同工業(yè)分析數(shù)據(jù)間的關(guān)系存在較大差異。

從總體趨勢上來看，瓦斯在不同溫度條件下的飽和吸附量隨固定碳含量Fcad增加而增加，在固定碳含量為62.47（GD煤樣數(shù)據(jù)）時，增加緩慢甚至出現(xiàn)降低，特別是120℃時降低的最明顯。在25、40、80℃時，瓦斯的飽和吸附量隨揮發(fā)分含量Vad增高而降低，但是在120℃時，先降低后增加。灰分Aad的存在不利于瓦斯的吸附，從圖4（c）中可以看到，所有溫度條件下，瓦斯飽和吸附量均呈明顯的下降趨勢，其中120℃時下降的最快，圖4（d）給出的水分Mad與飽和吸附量的關(guān)系也表現(xiàn)出類似的規(guī)律，這與以往研究結(jié)果是吻合的，即煤孔隙中的水分子不利于瓦斯吸附。

4 結(jié)論

1）在高溫高壓作用下，瓦斯的吸附過程仍然可以用朗格繆爾吸附方程準(zhǔn)確描述，吸附量隨吸附壓力升高而增多，此外，在同等壓力條件下，升高煤體溫度，所有煤樣的瓦斯吸附能力均表現(xiàn)出明顯下降。

2）變質(zhì)程度較高的煤樣的飽和吸附量要高于其它煤樣，飽和吸附量總體上都隨著溫度的升高而降低，但降幅存在差異，朗格繆爾吸附壓力結(jié)果反映了變質(zhì)程度高的煤樣的吸附能力要高于其它煤樣，但隨著溫度的升高下降速率較其它2個煤樣更快。

圖4 煤樣的瓦斯飽和吸附量與工業(yè)分析參數(shù)的關(guān)系

3）瓦斯的飽和吸附量與不同工業(yè)分析數(shù)據(jù)間的關(guān)系存在較大差異，總體上來看，瓦斯在不同溫度條件下的飽和吸附量隨固定碳含量增加而增加，在25、40、80℃時，瓦斯的飽和吸附量隨揮發(fā)分含量增高而降低，但是在120℃時，瓦斯飽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，所有溫度條件下，瓦斯飽和吸附量均呈明顯下降趨勢。