粉煤粒徑對瓦斯吸附平衡時間的影響機制

姜海納，徐樂華，程遠平

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原030024；2.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原030024；3.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州221116）

煤炭開采利用及煤與瓦斯突出等礦井災害發生時，均存在煤體粉化現象，粉化程度的大小對煤中瓦斯吸附/解吸性能的改變具有重要影響，當前相關研究大致包含測定煤中瓦斯的朗格繆爾吸附等溫線及解吸曲線2方面內容[1－2]。研究表明，由于構造煤的破碎程度較原生結構煤大，故其平均粒徑相對較小，故而造成大部分構造煤的吸附瓦斯能力與原生結構煤相比要強。高魁，李一波，許江等分別研究了構造軟煤、型煤顆粒粒徑與瓦斯吸附性能之間的關系[3－6]，研究結果表明，煤粒徑減小吸附能力增強。許滿貴等[7]進一步考慮了壓力對瓦斯吸附能力的影響，發現吸附量受粒徑與壓力雙重控制，壓力增大，粒徑減小，吸附量增大。張天軍等[8]研究表明粒徑存在一定的閾值，低于閾值，吸附量會隨顆粒減小而增大，超過該閾值后，煤呈現過度破壞特征，吸附量會有所減小。此外，構造煤粒徑對瓦斯解吸速度影響較大，主要表現為：隨著粒徑減小，單位時間內瓦斯解吸量、初始瓦斯解吸速度及衰減幅度增大[9－16]，且吸附達到平衡前，煤吸附瓦斯時間對瓦斯解吸量也將產生較大影響[14]。隨著煤破碎程度增加，粒徑減小，瓦斯吸附與解吸能力一般呈增大趨勢，然而尚缺乏粒徑對吸附平衡時間影響的研究。吸附平衡時間選取準確性將直接影響瓦斯吸附常數測定結果精度，進而影響煤礦現場瓦斯吸附量測定結果準確性[17]。為此，針對粒徑對煤吸附瓦斯所需的平衡時間開展研究，由此消除吸附平衡時間對瓦斯含量測定結果的影響。

1 實驗方法

煤樣吸附等溫線的測定在GB/T 19860—2008標準及MT/T 752—1997標準基礎上進行改進，以增加實驗的嚴謹性。吸附實驗測定原理圖如圖1。

圖1 吸附實驗測定原理圖Fig.1 Schematic diagram for adsorption experiment

實驗過程中，除裝樣質量均為50 g、恒溫水浴條件均為30℃外，實驗還對以下幾點進行了改進：①煤樣罐的充氣方式，采用等體積的參比罐進行；②實驗罐體的壓力表由機械表替換為數字壓力表，壓力表的精度為小數點后3位數，用以提高壓力平衡點判定的準確性，以便得到精度較高的吸附平衡時間；③為保證各粒徑煤樣罐在裝樣后，煤樣罐自由空間相同，實驗裝樣后，采用鋼球對煤樣罐體進行填充，鋼球所用材質與罐體相同。

煤體內孔隙具有表面能，導致瓦斯在與煤孔隙表面接觸時被吸附，表現為煤孔隙內表面瓦斯富集，瓦斯濃度增加。研究表明，恒溫條件下，煤中瓦斯吸附量與吸附平衡壓力滿足朗格繆爾關系式：

式中：Q為標況下，單位質量煤可燃基的瓦斯飽和吸附量，m3/t；a為單位質量煤可燃基被瓦斯單層吸附覆蓋時的極限值，m3/t；b為朗格繆爾常數，MPa－1；p為給定溫度下吸附平衡時的瓦斯壓力值，MPa。

通過測定給定煤粒徑、充氣壓力，在恒定溫度條件下煤樣的瓦斯吸附量，可獲得煤中瓦斯吸附量Q與平衡壓力點p的關系曲線，即吸附等溫線，采用式（1）對吸附等溫線進行擬合，可求得朗格繆爾參數a、b值。

2 實驗結果及分析

2.1 各粒徑級吸附等溫線

為研究瓦斯吸附等溫線隨煤顆粒粒徑變化情況，以馬場礦煤樣為研究對象，所選樣品可分為4個級別：微米級（＜0.01 mm）、十微米級（0.01～0.08 mm）、百微米級（0.08～0.2 mm、0.2～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm）、毫米級（1～3 mm、3～4 mm）為研究對象，開展瓦斯等溫吸附實驗，采用式（1）對吸附數據擬合，煤樣吸附等溫線隨粒徑變化關系圖如圖2，p0、p1、p2、p3、p4、p5為吸附平衡時各點壓力值。

由圖2可知，隨壓力增大，各粒徑煤樣瓦斯吸附量均呈增速變緩趨勢[18－19]。各粒徑煤樣吸附等溫線存在“分級”現象，位于最上方的微米級粒徑（＜0.01 mm）煤樣的等溫線為“一級”，吸附量最大；十微米及較小粒徑百微米（0.01～0.08 mm與0.08～0.2 mm）粒徑煤樣的吸附等溫線近乎重合，吸附量次之，為“二級”，吸附量較“一級”煤樣偏小；大粒徑百微米級粒徑煤樣（0.2～0.25、0.25～0.5、0.5～1 mm）吸附瓦斯的等溫線較接近，為“三級”；毫米級粒徑煤樣（1～3、3～4 mm）的吸附瓦斯等溫線較接近，為“四級”，位于圖2的最下方，吸附量最小。由分級情況可知，煤樣粒徑級別越低，煤樣吸附性越強，吸附所得等溫線越高，這是由于煤樣在破碎過程中，煤孔隙結構的損傷程度增強，孔隙復雜程度降低，瓦斯更易進入煤體內部。

圖2 煤樣吸附等溫線隨粒徑變化關系Fig.2 Variation of adsorption isotherms of coal particles w ith particle sizes

進一步觀察各粒徑煤樣吸附能力差異，根據式（1）對圖2中朗格繆爾吸附等溫線數據進行回歸分析，各粒徑煤樣朗格繆爾吸附常數a、b值見表1。

表1 各粒徑煤樣朗格繆爾吸附常數a、b值Table 1 Langmuir constants of a and b w ith particle sizes

由表1可知，各粒徑級煤樣的極限吸附量a值為19.71～29.68 mL/g，且該值隨粒徑級的減小呈增大趨勢，這可能是由于煤樣粒徑減小，煤體孔隙結構被破壞，部分閉孔被打開，導致實驗測定的煤比表面積及孔容均呈增大趨勢，且由于閉孔的打開煤孔隙吸附點位增多，從而導致瓦斯吸附空間增大。

此外，各粒徑級煤樣的壓力參數b值介于0.544～0.616 MPa－1間。研究表明，b值越大，吸附量隨壓力變化的幅度越大。由表1可知，隨粒徑級的降低，該值呈先增后減趨勢，在百微米粒徑級處達到最大值。其原因可能是隨粒徑減小，一方面，孔隙比表面積及孔容的增大，導致瓦斯吸附性能對壓力的敏感性增大；另一方面瓦斯進入煤中路徑復雜程度及長度均減小，瓦斯進入煤孔隙內的難易程度降低，而在微米級及十微米級粒徑的煤樣可能產生過度破壞，從而導致大量孔隙內比表面積暴露而變為外比表面積。

為獲得吸附常數a、b值隨粒徑變化的定量關系，以各粒徑級煤顆粒的平均直徑D為橫坐標，分別以朗格繆爾參數a、b值為縱坐標繪圖，朗格繆爾參數a、b值隨煤粒徑變化圖如圖3。

圖3 朗格繆爾參數a、b值隨煤粒徑變化圖Fig.3 Variations of Langmuir constants of a and b w ith coal particle sizes

由式（2）中參數Ba＜0、Ca＞0亦可說明，隨粒徑增大，吸附常數a值均呈冪函數下降趨勢。由式（3）及其參數情況可知，吸附常數b值與煤顆粒直徑均呈開口向下的二次函數形式，在百微米粒徑位置取得最大值。綜合分析吸附常數a、b值隨粒徑變化規律可知，對于選定粒徑煤樣，在百微米級粒徑處煤樣的a、b值相對較大，由此計算得到的瓦斯吸附量可能取得最大或次大值，由此可初步判定煤礦現場瓦斯含量測定所選粒徑煤樣需控制在百微米級粒徑以下。

2.2 各粒徑級煤樣吸附平衡時間

測定煤樣的吸附平衡時間的步驟如下：①打開參比罐；②參比罐壓力穩定后，打開煤樣罐，以便連通參比罐和煤樣罐；③參比罐與煤樣罐連通瞬間，按下秒表開始計時；④煤樣罐內樣品吸附瓦斯，瓦斯壓力下降，待2罐壓力穩定后，按下秒表。秒表所走時間即為煤樣吸附瓦斯，到達平衡時所需時間，即吸附平衡時間，吸附平衡時間與粒徑關系見表2。

表2 吸附平衡時間與粒徑關系Table 2 Variation of adsorption equilibrium time for coal samplesw ith four degrees of particle sizes

由表2可知，吸附平衡時間隨吸附平衡壓力的增大而急劇縮短，觀察最低壓力點和最高壓力點的吸附平衡時間可知，對于小于0.01 mm煤樣而言，吸附平衡時，所需時間由低壓的上百分鐘急劇減小到高壓下的幾分鐘，高壓吸附平衡時間與低壓吸附平衡時間之比為0.032；同理，隨著粒徑增大，經計算可得，其余各粒徑煤樣的高低壓吸附平衡時間之比依次為0.079、0.1114、0.1224、0.11、0.1、0.072及0.119。綜上可知，吸附平衡所需時間會隨著瓦斯壓力的增大而減小，減幅則隨粒徑的增大先增后減，說明在粒徑過大或過小，吸附平衡時間的改變對粒徑的敏感性均會降低。結合瓦斯吸附常數a、b值隨粒徑變化規律，可得出在百微米粒徑處，選擇較小粒徑進行瓦斯吸附量測定，可在較短時間內獲得更精確的結果。

以微米級粒徑（＜0.01 mm）煤樣吸附平衡時，到達各壓力平衡點時，所需時間為基準，觀察其余粒徑煤樣與小于0.01 mm粒徑煤樣吸附平衡時間的比值，吸附平衡時間的粒徑敏感性見表3。

表3 吸附平衡時間的粒徑敏感性Table 3 Particle size sensitivity to adsorption equilibrium time

由表3可知，隨著粒徑增大，較大粒徑煤樣的吸附平衡時間與微米級粒徑（＜0.01 mm）煤樣的吸附平衡時間比值呈增大趨勢，在低壓p0條件下，吸附平衡時間隨粒徑增大的比值介于1.61～440.49之間，在高壓p5條件下，隨粒徑增大，吸附平衡時間增長倍數介于4～1643.2倍。

由表2、表3可知，各粒徑級煤樣吸附平衡時間均隨壓力增大而減小，與粒徑呈正相關關系；吸附平衡時，對于微米級粒徑煤樣，吸附平衡時所需時間最短僅需幾分鐘，而對于毫米級粒徑煤樣所需最短時間則可高達數天，這與張力[20]及李小彥[21]等研究結果一致，這是由于粒徑增大，煤樣運移路徑趨于復雜，瓦斯在煤孔內的運移變困難。為定量觀察吸附平衡時間與粒徑、吸附平衡壓力的關系，對各粒徑煤樣的吸附平衡時間與吸附平衡壓力作關系圖，煤樣吸附平衡時間與壓力變化關系如圖4。

對圖4中各粒徑級煤樣的吸附平衡時間tp對壓力p的數據進行擬合，得到式（4）：

圖4 煤樣吸附平衡時間與壓力變化關系Fig.4 Variation of adsorption equilibrium time for coal samp les w ith pressure

式中：tp為給定粒徑及壓力條件下，粉煤顆粒吸附平衡所需時間，min；E、F為吸附平衡時間tp與壓力p的擬合參數，二者共同決定tp～p曲線的變化趨勢，E＞0，F＜0表示曲線單調遞減，即隨著壓力的增大，吸附平衡時間縮短。

各粒徑煤樣的tp～p曲線采用式（3）進行擬合，吸附平衡時間的壓力敏感性見表4。

表4 吸附平衡時間的壓力敏感性Table 4 Pressure sensitivity to adsorption equilibrium time

由表4可知，對于給定粒徑煤樣，壓力增大，吸附平衡時時間tp減幅變小，即tp對高壓的敏感性較低壓小。粒徑改變時，各粒徑級煤樣對應的擬合關系相關度均在0.9以上，隨著粒徑級的增高，常數E呈明顯增大趨勢，而常數F除微米級及十微米級粒徑煤樣外，其余粒徑級煤樣基本相同，故這2個高粒徑級煤樣的吸附平衡時間主要由常數E決定。由圖4及表4中數據可知，對于微米級粒徑煤樣的吸附平衡時間較十微米級粒徑煤樣比明顯偏小。

3 結 論

1）吸附常數a值與煤粒徑值呈冪函數減小關系，而b值，則與煤粒徑呈開口向下的二次函數關系，在百微米級粒徑處獲得最大值，故百微米級粒徑煤樣的吸附量相對偏高，更適合用于煤礦瓦斯含量測定。

2）對于某一給定粒徑的煤樣，吸附平衡壓力增大，吸附平衡時間降幅變緩，表明吸附平衡時間對高壓的敏感性低。

3）粒徑級減小，各粒徑級煤樣吸附平衡時間均呈減小趨勢；粒徑級增大，吸附平衡時間的增幅先增后減，表明粒徑過大或過小，其對吸附平衡時間的影響敏感度均降低，而百微米粒徑區間煤樣最敏感，綜上可考慮選擇百微米粒徑煤樣中較小粒徑的煤樣進行瓦斯含量測定，以用最短時間獲得更精確結果。