水分對(duì)不同煤種瓦斯吸附特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

1、第 33卷第 2期煤炭學(xué)報(bào)Vol. 33No. 22008年2月JOURNAL OF CH INA COAL SOC IETYFeb.2008文章編號(hào):0253 - 9993 ( 2008) 02 - 0144 - 04水分對(duì)不同煤種瓦斯吸附特性影響的實(shí)驗(yàn)研究張占存1 , 馬丕梁2( 11煤炭科學(xué)研究總院撫順?lè)衷?, 遼寧沈陽(yáng)110016;21煤炭科學(xué)研究總院礦山安全科學(xué)技術(shù)研究院 , 北京100013)摘 要: 通過(guò)研究煤中水分的賦存特征 , 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)了煤樣的加濕裝置. 針對(duì)目前評(píng)價(jià)煤中水分對(duì)吸附瓦斯量的影響時(shí)未考慮煤變質(zhì)程度差異的現(xiàn)狀 , 通過(guò)對(duì)不同變質(zhì)程度煤在不同水分條件下的吸附

2、等溫線的大量測(cè)定 , 經(jīng)數(shù)據(jù)擬合 , 最終得出煤中水分對(duì)瓦斯吸附量的影響校正系數(shù) , 并與原煤樣進(jìn)行對(duì)比 , 驗(yàn)證了所得出的校正系數(shù)的準(zhǔn)確性和適用性.關(guān)鍵詞: 吸附等溫線; 水分 ; 咐附量; 瓦斯中圖分類號(hào):P6411461;TD71212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: AExper im en ta l on m o isture effects on the ga s absorptionspec ia lity of d ifferen t k inds of coa l述12122ZHANG Zhan cun1, MA Pi liang2 ,( 1 Fushun B ranch, Ch ina Coa

3、l R esea rch Institu te,S henyang 110016,China; 2Institu te of M ine Safety Technology,China Coa l R esearch Institu te,B eijing 100013, Ch ina)Abstract: By research of deposit features of moisture of coal, the hum idifying devices of coal samp le was designed according to the purpo se of experiment

4、. A t p resent, evaluating about moisture of coal affects on m ethane adsorp tive capacity, is not considering difference of metamo rphic grade. Through large num bers of determ ination of adsorp tion iso therm of coal of different m etamorphic grade under the different moisture content, com bining

5、the data fitting, e duced the co rrection coefficient which moisture of coal affects the methanes adsorp tive capacity at last. Comparing it w ith p rimary coal samp le, the co rrection coefficient is exact and suitable. Key words: adsorp tion iso therm; mo isture; adsorp tive capacity; gas當(dāng)前國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)煤中

6、水分對(duì)吸附瓦斯量的影響普遍采用前蘇聯(lián)提出的水分影響校正系數(shù). 該系數(shù)的值是濕煤吸附量與干煤吸附瓦斯量之比 , 未考慮煤變質(zhì)程度的差異 , 認(rèn)為對(duì)不同變質(zhì)程度煤 , 水分對(duì)吸附量的影響程度是相同的. 但大量的測(cè)定數(shù)據(jù)表明 , 在相同的瓦斯壓力下 , 煤的吸附瓦斯量隨著煤的變質(zhì)程度的提高而增大. 而水分對(duì)吸附瓦斯量的影響程度的準(zhǔn)確計(jì)量 , 目前在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展得很少 , 因此對(duì)煤中水分的賦存規(guī)律以及其對(duì)煤吸附瓦斯量的影響程度作深入的研究 , 并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)取得比較準(zhǔn)確的定量描, 是完善煤層吸附瓦斯理論和勘查礦井瓦斯資源賦存分布規(guī)律的一項(xiàng)十分有益且急需解決的工作.1 煤中水分的賦存形態(tài)及其與煤質(zhì)的關(guān)系

7、煤中水的存在形態(tài)可以分為游離水和化合水 1, 2 :游離水是煤內(nèi)部毛細(xì)管吸附或表面附著的水; 化合水是和煤中礦物成分呈化合形態(tài)存在的水.游離水又分為外在水分和內(nèi)在水分. 外在水是附著在煤的收稿日期:2007 - 03 - 30責(zé)任編輯: 畢永華基金項(xiàng)目: 煤炭科學(xué)研究總院青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目( 2005QN14 )作者簡(jiǎn)介: 張占存( 1974 ) , 男 , 山西陽(yáng)高人 , 工程師 , 工學(xué)碩士.Tel:024 - 24117102,E - mail:zhanc_ zhang1631com 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publish

8、ing House. All rights reserved.第 2期張占存等: 水分對(duì)不同煤種瓦斯吸附特性影響的實(shí)驗(yàn)研究145表面和被煤的表面大毛細(xì)管吸附的水. 外在水分以機(jī)械的方式與煤相結(jié)合 , 僅與外界條件有關(guān) , 而與煤質(zhì)本身無(wú)關(guān). 把煤放在空氣中干燥時(shí) , 煤的外在水分很容易蒸發(fā) , 蒸發(fā)到煤表面的水蒸汽壓和空氣的相對(duì)濕度平衡時(shí)為止. 內(nèi)在水是煤的內(nèi)部小毛細(xì)管所吸附的水 , 在常溫下這部分水不能失去 , 只有加熱到一定溫度才能失去. 煤的內(nèi)表面積愈大 , 小毛細(xì)管愈多 , 內(nèi)在水分也愈高. 在煤的游離水分中 , 內(nèi)在水分是影響煤吸附甲烷的主要因素.

9、煤中水分的多少在一定程度上反映了煤質(zhì)狀況. 低煤化度煤結(jié)構(gòu)疏松 , 結(jié)構(gòu)中極性官能團(tuán)多 , 內(nèi)部毛細(xì)管發(fā)達(dá) , 內(nèi)表面積大 , 因此具備了賦存水分的條件. 隨著煤化度的提高 , 兩種水分都在減少. 在肥煤與焦煤變質(zhì)階段 , 內(nèi)在水分達(dá)到最小值 (小于 1% ) . 到高變質(zhì)的無(wú)煙煤階段 , 由于煤粒內(nèi)部的裂隙增加 , 內(nèi)在水分又有所增加 , 可達(dá)到 4%左右. 煤的最高內(nèi)在水分與煤化度的關(guān)系具有明顯的規(guī)律性 3, 4 , 如圖 1 所示.經(jīng)風(fēng)化后煤的內(nèi)在水分增加 , 所以煤內(nèi)在水分的多少 , 也是衡量煤風(fēng)化程度的標(biāo)志之一.2 煤樣加濕方法為了考察不同水分煤樣的吸附特征 , 首先需獲得不同水分的

10、煤樣. 煤樣加濕采用向煤樣通入水蒸汽 , 經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的吸附平衡 , 使煤樣水分飽和 , 然后進(jìn)行逐次抽真空脫氣的方法 , 獲得不同水分含量的試樣. 試樣中水分的含量采用烘干稱重的方法進(jìn)行測(cè)定 , 即在高壓吸附測(cè)定完畢后 , 卸下高壓吸附罐 , 馬上取出樣品測(cè)水分含量. 具體方法如圖 2所示.圖 1煤的最高內(nèi)在水分與揮發(fā)分的關(guān)系Fig11 Relation between the highest inherent moisture and volatiles of coal3 不同水分煤樣高壓吸附甲烷的測(cè)定為了考察煤水分對(duì)煤吸附甲烷量的影響 , 本次實(shí)驗(yàn)共采集了 6 個(gè)煤樣 , 包括弱黏結(jié)煤(

11、宣化 ) 、無(wú)煙煤()、焦煤()和氣煤().焦作沙曲老虎臺(tái)各煤樣的工業(yè)分析、真假密度等基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表 1.對(duì)其中的 4個(gè)煤樣在不同水分條件下進(jìn)行吸附等溫圖 2煤樣吸附水分裝置線 ( t = 30) 實(shí)驗(yàn) 5, 6 , 結(jié)果如 3 所示 (縱坐標(biāo)Fig 2The device for the coal samp le absorbing the moisture為干燥無(wú)灰基煤樣在不同壓力下的吸附量 ).表 1 煤樣基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定結(jié)果Table 1 The determ ina tion results of the ba sic param eters for the coa l sam ple實(shí)驗(yàn)

12、編號(hào)采樣地點(diǎn)煤層名稱水分 / %灰分 / %揮發(fā)分 / % 真密度 / ( gmL - 1 ) 視密度 / ( gmL - 1 )孔隙率 / %DL1撫順老虎臺(tái)煤礦本層4161441111181003826251480DP1淮南潘三煤礦13 - 111151391111181167050412951DT1鐵法大興煤礦7713014011111121627021402314DX1河北宣東煤礦31171381111151075828403271DH1焦作韓王煤礦大煤31121121111131842029464142DS1華晉沙曲煤礦401211111111514038181 27603600由圖

13、 3可以看出 , 對(duì)各種變質(zhì)程度煤 , 隨著煤中水分的增大 , 煤的吸附甲烷量皆明顯減小.4 煤中水分對(duì)煤吸附甲烷量影響的校正系數(shù)基于實(shí)驗(yàn)得出的各煤樣不同水分含量的吸附常數(shù) a和 b值 , 分別計(jì)算出在甲烷壓力為 011,1,2,3, 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.146煤炭學(xué)報(bào)2008年第 33卷4, 5 M Pa 時(shí)的吸附甲烷量 X0 1 , X1 , X2 , X3 , X4 , X5. 以干煤樣的校正系數(shù)為 1, 求出

14、不同水分和不同甲烷壓力下的水分影響校正系數(shù)值. 為了得出水分含量和水分校正系數(shù)的關(guān)系式 , 根據(jù)某一水分含量下的平均水分校正系數(shù) , 在 1 / - W 坐標(biāo)系中作圖 , 得出 4 個(gè)煤樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù). 由 1 / - W 坐標(biāo)系圖可看出 , 各試驗(yàn)點(diǎn)分布呈一經(jīng)過(guò)縱坐標(biāo)為1的直線 , 其表達(dá)式為1= 1 + AW ,式中 , A 為標(biāo)志各種煤樣煤水分含量與水分校正系數(shù)的影響程度; W 為煤中水分含量 , %.通過(guò)求趨勢(shì)線的斜率得出對(duì)各煤樣的表達(dá)式: 河北宣東煤礦弱黏結(jié)煤 =圖 3不同水分煤樣吸附甲烷等溫線1 / ( 1 + 0 327W ) , 華晉沙曲煤礦 4 層焦11111Fig 3 The

15、 absorp tion isotherm w ith the different moisture煤 = 1 / ( 1 + 022W ) , 焦作韓王煤礦大煤層無(wú)煙煤 = 1 / ( 1+ 0 194W ) , 撫順老虎臺(tái)煤礦本煤層氣煤 = 1 / ( 1 + 0 393W ) .1煤的變質(zhì)程度通?？捎妹旱膿]發(fā)分含量 V r( % ) 表示 , 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)的煤樣揮發(fā)分含量以及影響系數(shù) A , 運(yùn)用最佳平方逼近曲線擬合方法 , 以指數(shù)曲線擬合式為 A 的擬合式 , 則考慮煤種差異的煤中水分對(duì)煤吸附甲烷量影響的校正系數(shù)為11 =1.( 1)1 + ( 0 147e0 022V r ) W由式

16、 ( 1) 可以看出 , 當(dāng)煤的揮發(fā)分含量一定時(shí) , 水分影響校正系數(shù)隨水分含量的增加而減小; 同一水分含量條件下 , 煤的揮發(fā)分含量越大 , 水分影響校正系數(shù)越小. 由此看來(lái) , 煤的變質(zhì)程度越低 , 煤的含水量對(duì)甲烷吸附量的影響就越大.5 水分影響經(jīng)驗(yàn)公式的驗(yàn)證對(duì)比為了驗(yàn)證所得經(jīng)驗(yàn)公式的適用性 , 對(duì) 6 個(gè)含水分原煤 (現(xiàn)場(chǎng)用煤樣罐所取煤樣 ) 測(cè)定的吸附等溫線和按經(jīng)驗(yàn)公式求出的吸附等溫線進(jìn)行了對(duì)比. 對(duì)比結(jié)果如圖 4所示. 圖中曲線 1為干煤樣吸附等溫線 , 曲線 2為按傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式校正后得出的吸附等溫線 , 曲線 3 為按式 ( 1 ) 校正后得出的吸附等溫線 , 曲線 4 為含水分

17、實(shí)測(cè)的吸附等溫線.由圖 4( a) 可以看出 , 對(duì)老虎臺(tái)本層煤樣來(lái)說(shuō) , 曲線 3 和 4 基本重合 , 曲線 2 高于實(shí)測(cè)曲線.由圖4 ( b) , ( e) 和 ( f) 可以看出 , 對(duì)淮南潘三煤礦 13 - 1煤樣、焦作韓王煤礦無(wú)煙煤和華晉沙曲焦煤來(lái)說(shuō) ,曲線 3與曲線 4靠近 , 而曲線 2遠(yuǎn)離曲線 4, 表明所導(dǎo)出校正式優(yōu)于傳統(tǒng)校正式. 而從圖 4 ( c) 和 ( d) 可以看出 , 對(duì)于揮發(fā)分含量較高的鐵法大興煤礦和河北宣東煤礦 , 曲線 2 和曲線 3 基本重合或稍有偏離(揮發(fā)分含量分別為 40121%和 38128% , 接近導(dǎo)出校正式與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式交點(diǎn)處揮發(fā)分含量值 33

18、19% ) , 但與實(shí)測(cè)曲線 4偏離不大 , 完全可以滿足實(shí)驗(yàn)室吸附實(shí)驗(yàn)的要求.由前述可知 , 隨著煤中揮發(fā)分含量的增加 , 煤中的孔隙出現(xiàn)兩頭大中間相對(duì)偏小的規(guī)律. 但當(dāng)煤中揮發(fā)分含量較高時(shí) , 其對(duì)水的吸附量也隨之增加 , 在揮發(fā)分大于 40%以上時(shí)更是成倍增加 (圖 1 ) , 因此煤 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.第 2期張占存等: 水分對(duì)不同煤種瓦斯吸附特性影響的實(shí)驗(yàn)研究147圖 4煤樣吸附甲烷等溫線Fig14The

19、 absorp tion isotherm of coal的吸附性主要受這兩個(gè)因素的影響.而在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中 , 由于目前所采用的煤樣加濕技術(shù)還很不完善 ,煤樣中的水分不是均勻吸附 , 在吸附罐壁周等地方還可能存在水分 , 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后所測(cè)定的煤中水分含量就會(huì)偏高 , 這樣就會(huì)導(dǎo)致如圖 4( c) ,( d) 實(shí)測(cè)含水分煤樣 a值比按經(jīng)驗(yàn)式校驗(yàn)而得的值相對(duì)高的原因.因此要提高該吸附實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性 , 還需減少這方面的實(shí)驗(yàn)誤差.綜上所述 , 通過(guò)對(duì)以上 6個(gè)煤樣的比較得出 , 新導(dǎo)出的考慮煤質(zhì)影響經(jīng)驗(yàn)校正式與傳統(tǒng)校正式相比 , 更接近于實(shí)測(cè)結(jié)果.6結(jié)論通過(guò)研究煤中水分的賦存特征 , 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)了煤樣的加濕裝置.