不同变质程度煤体瓦斯解吸迟滞特征实验研究

　　摘 要：煤體瓦斯解吸过程与吸附过程相比不具有完全可逆性，解吸相对吸附存在迟滞特征，需要对瓦斯解吸迟滞特征及其相关影响因素进行系统研究。在合理选择拟合模型的基础上，利用煤体瓦斯吸附与解吸动力学实验装置分别开展了煤样在不同变质程度、不同含水率、不同温度和不同粒径下的瓦斯吸附和解吸实验，得到了瓦斯吸附和解吸曲线，计算了不同条件下煤体瓦斯的解吸迟滞系数。结果表明：随着变质程度增加，瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积先减小后增大，解吸迟滞程度呈现“U”型变化;随着煤样水分含量增大，瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积减小，瓦斯解吸迟滞程度减弱;随着实验温度升高，瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积减小，瓦斯解吸迟滞程度减弱;随着煤样粒径减小，瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积减小，瓦斯解吸迟滞程度减弱。解吸迟滞特征会对瓦斯含量直接法测定和吸附常数测定产生负面影响。

　　关键词：吸附;解吸;迟滞特征;变质程度;孔隙结构

　　《石油石化绿色低碳》(双月刊)原名《石油石化节能与减排》，由中国石油化工集团公司主管、中国石油化工集团公司经济技术研究院主办的科技学术期刊。

　　引 言

　　我国煤层气(矿井瓦斯)资源丰富[1]，煤层气既是煤矿安全的重大隐患，也是一种高效能资源[2]。开采煤层气不仅能缓解能源压力，也可以为井下安全生产提供保障。随着开采技术和装备发展，开采水平不断延伸，深部煤层呈现高地应力、高瓦斯压力和低渗透性，煤层气的相关特征也会随之受到影响[3]。煤是一种多孔固体介质，自身结构和所处环境复杂，不同因素会导致煤体瓦斯吸附解吸性能特征不同。目前很多学者从变质程度、温度、时间、含水量、挥发分等宏观以及孔隙结构等微观因素针对煤层瓦斯吸附解吸规律做出研究[4-7]。张强采用多种實验手段分析不同变质程度煤样的含氧官能团规律和微观孔隙结构，获得了一些关键参数，讨论了变质程度对煤体吸附解吸特性的影响[8]。田永东等从储层温度、储层压力、水分类型等多方面因素条件探究了煤的吸附性能的改变情况[9]。李树刚等分析了不同含水量煤样的瓦斯吸附常数，讨论了不同含水量对煤中瓦斯吸附能力的影响[10]。

　　煤层气的运移机理是一个复杂过程，包括解吸-扩散-渗流三方面[11]。在研究过程中，大多数人认为煤体瓦斯解吸的过程是吸附的逆过程，因此大部分研究集中在瓦斯吸附规律，对于瓦斯解吸的迟滞现象研究甚少。实际现象表明，煤层瓦斯在煤中的等温吸附与等温解吸过程并非完全可逆过程，解吸过程相对吸附过程出现滞后，呈现迟滞现象[12-13]。从1966年R.B.Anderson等[14]利用体积法绘制出了煤层中不同气体的吸附解吸等温曲线并从中发现滞后现象开始，解吸迟滞效应就逐渐为人所知。Busch等选择多种煤样进行实验，发现实验煤样均存在解吸迟滞现象，不同煤样的解吸曲线各有差异，呈现2种分类[15]。张遂安等从多角度分析煤中瓦斯吸附-解吸机理及其可逆性，并利用不同气体进行了物化模拟实验，提出甲烷分子解吸需要能量，因此解吸过程具有不同程度的滞后性[16]，王公达等提出了解吸迟滞效应的定量评价指标——解吸迟滞系数，并讨论了吸附压力和煤样粒径对迟滞现象的影响，进一步总结了迟滞现象的机理和影响[17]。向衍斌等针对煤粒瓦斯扩散特征进行了系统研究，认为应考虑煤粒形状和解吸迟滞现象对瓦斯扩散特性的影响，瓦斯在煤粒中的扩散具有衰减特征，需要更为准确描述扩散运移过程[18]。王飞从温度、压力、粒径等多方面进行吸附和脱附实验并引入迟滞量和迟滞比的观点，从微观孔隙结构角度提出瓦斯脱附迟滞机制、建立系统的评价指标[19]。聂雷选取多种煤样进行压汞和液氮实验，分析煤质孔隙结构特征和分形特征并进行瓦斯吸附-解吸迟滞实验及机理研究[20]。

　　针对国内外学者的研究可以发现解吸迟滞现象是普遍存在的，但是目前对于解吸滞后效应的深入研究少之甚少，缺乏系统的有针对性的探究。而解吸滞后效应对煤层瓦斯含量的确定及吸附常数影响明显，对于精确预测煤层瓦斯含量等工作具有非常重要的意义，所以文中在选取不同变质程度煤样的基础上拟对煤层瓦斯解吸迟滞特征的影响因素进行系统研究。

　　1 解吸迟滞定量评价方法

　　绘制等温吸附曲线和等温解吸曲线是表征吸附解吸能力最直观简洁的方式，而不同拟合模型的选择会影响到曲线的形态和精确度，所以选择合适的拟合模型尤为重要。目前针对瓦斯吸附和解吸有多种广泛使用的模型，见表1.利用表1中不同模型对来自不同国家不同地区学者的实验数据进行拟合并将结果进行拟合度对比，见表2.可以看出Langmuir吸附模型具有更高的拟合度和稳定性;马东民提出的解吸方程也具有最佳相关系数，能更真实的反映煤中瓦斯的解吸规律[21]。因此选择Langmuir吸附模型和解吸方程模型分别对实验所得吸附数据和解吸数据进行拟合处理。

　　确定拟合模型之后，可以用迟滞系数[20]来定量分析瓦斯解吸迟滞效应，如式(1)和图1所示。

　　式中 S迟为迟滞面积;S理为理想状态完全不可逆面积;xmax为最大吸附压力;

　　f解吸(x)为等温解吸曲线的表征模型;f吸附(x)为等温吸附曲线的表征模型。

　　2 煤中瓦斯解吸迟滞实验研究

　　2.1 瓦斯吸附解吸实验

　　2.1.1 实验方案

　　选取园子沟煤矿、许疃煤矿、双柳煤矿和新景煤矿的煤样进行实验(后文均用缩写YZG，XT，SL，XJ代替)。参照GB/T 477—2008《煤样筛分实验方法》并根据实验需求，将从煤矿现场取回的大块煤样用破碎机进行破碎处理，按照不同粒径进行筛分。煤样的基本物性参数见表3.

　　实验方案为

　　1)上述4种煤样依次为长焰煤、肥煤、焦煤和无烟煤，属于不同变质程度煤。选取上述4种煤样进行瓦斯吸附解吸实验，粒径均为0.2～0.25 mm，实验温度为30 ℃，煤样均干燥。

　　2)选择含水率分别为0%，1.5%，3%，5%的YZG煤样进行瓦斯吸附解吸实验，粒径在0.2～0.25 mm之间，实验温度为30 ℃.

　　3)选取SL煤样在温度为30，35，40，45 ℃的条件下分别进行瓦斯吸附解吸实验，煤样均干燥，粒径在0.2～0.25 mm之间。

　　4)选取0.074～0.2，0.2～0.25，0.25～1，1～3 mm 4个粒径段的XJ煤样分别进行瓦斯吸附解吸实验。煤样均干燥，实验温度为30 ℃.

　　2.1.2 不同含水率煤样制备

　　第1步：将煤样放入到真空干燥箱中进行抽真空操作，并将干燥箱的温度调节到110 ℃，维持一个真空恒温的环境之后真空干燥至少8 h.结束之后将一部分干燥基煤样迅速装入密封袋以进行干燥煤样的实验。

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 不同变质程度煤体瓦斯解吸迟滞特征实验研究

文章地址： http://www.qikanvip.com/gongyesheji/51076.html