不同温度条件下煤中甲烷解吸特性的实验研究.pdf

2 0 1 2年4月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 9卷第2期 不同温度条件下煤中甲烷解吸特性的实验研究 姜永东 ， 阳兴洋 ， 刘元雪 ， 周维新 ， 韩兴江 ， 梅世兴 ， 胡 建 1 ． 后勤工程学院 建筑工程 系， 重庆 4 0 0 0 4 1 ； 2 ． 贵州比德煤业有限公司， 贵州 纳雍5 5 3 3 0 3 ； 3 ． 重庆 大学 西南资源开发及环境 灾害控制 工程教 育部重点 实验 室， 重庆 4 0 0 0 4 4 摘要 实验研究了不 同温度条件下煤 中甲烷的解吸特性， 结果表明 在相同温度和气压条件下 ， 煤 中 甲烷的初始解吸速度较快， 随着时间的增加 ， 解吸速度慢慢减小， 最后达到解吸平衡 ； 煤 中甲烷的最终解 吸量随温度 的增加而增大， 煤对 甲烷 的吸附能力降低 。甲烷 的解吸动力 学规律 能用经验公 式、 扩散模 型 、 渗流模型来描述 ， 且扩散模型能较好地描述 甲烷气体 的解吸特性 ； 经验公式 中参数 、 扩散模 型与渗 流模型中参数 Q 随温度的增加而增大， 扩散模型中参数B与渗流模型中参数6随温度的增加而减小， 经验公式中参数 与温度变化无规律性。 关键词 煤 ； 温度； 甲烷 ； 解吸特性 中图分类号 T D 7 1 2 ； 0 5 5 2 ． 3 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 2 0 2 0 0 0 6 0 3 煤是一种多孔介质， 是天然的吸附剂， 与煤伴生 的煤层气 以吸附态 、 游离态 、 水溶态赋存于煤体 中， 但 8 0 ％ ～ 9 0 ％ 的煤层气主要以物理吸附的形式赋存 在煤的过渡孔 、 微孑 L 和煤体表 面。煤 中甲烷 的解 吸 特性 与煤 的结 构 j 、 变 质程 度 、 灰 分 与水 分 、 气 压 J 、 温度 、 物理场 密切相关 ， 国 内外学者对各 种因素影响煤 中甲烷气体 的解吸均开展了研究 。随 着煤矿开采不 断向深部延 伸 ， 煤体温度增加将影 响 煤 中甲烷气体 的解吸。为此 ， 重点研究 了不 同温度 条件下煤中甲烷气体 的解 吸规律 ， 在实验研究 的基 础上 ， 重点分析温度对解吸模型参数 的影响 ， 研究成 果可为煤层气 的热力开采提供科学的理论依据 。 1 煤中甲烷解吸的动力学模型 1 ． 1 经验 公 式 因煤 中甲烷气体的解 吸动力学曲线与吸附等温 曲线类似 ， 因此可 以用经验 公式 来表示 甲烷解 吸 量与时间的关系 ， 其表达式为 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 1 ； 2 0 1 2 0 2 2 7修订 基金项 目国家 自然科 学基 金 青 年 科 学 基 金 项 目 5 0 9 0 4 0 8 2 ； 教育部科学技术研究重点项 目 1 0 9 1 3 0 ； 重庆 市自然科学基金项 目 C S T C 2 0 0 9 B B 6 3 5 4 ； 重庆大学“ 2 1 1工 程” 三期创新人才培养计划建设项目 S - 1 0 2 2 0 作者简介 姜永东 1 9 7 7 一 ， 男， 贵州凤冈人， 博士， 重庆 大 学副研 究员， 主要从 事采 矿工程方 面的研 究工作 。E m a i l i y d c q u ． e d u ． c n。 6 ． Q a 式 中 Q 为解 吸量 ， mL ／ g ； 为极 限解 吸量 ， m L ／ g ； 为解 吸常数 ， m i n ～； t 为时间 ， m i n 。 1 ． 2 扩散模型 均方根式 基于煤屑瓦斯扩散方程经模拟计算 得到近似解 ， 其表达式为 Q d Q d ,／ 1一e 2 式 中 Q 为极 限解 吸量 ， mL ／ g ； B为参数。 1 ． 3 渗流模型 国内外在预抽瓦斯涌 出随时 间的变化关 系时 ， 广泛采用指数式 ， 其表达式为 Q dQ d [ 1一e x p 一6 ] 3 式 中 b为放散速度随时间的衰减系数 ， m i n ～。 2 不 同温度条件下甲烷解吸特性 的实验研究 2 ． 1 实验装置及方法 甲烷解 吸实验装置如图 1所示 ， 该装置 由吸附／ 解吸缸 、 气体供 给系统 、 测试系统 、 温度 控制系统等 部分组成。吸附／ 解吸缸设计 的气压可达 6 MP a ， 能 进行高低压 甲烷 的解吸实验 ， 气体 由高压 甲烷气瓶 通过减压阀减压供给， 甲烷的体积分数为9 9 ． 9 ％， 解 吸测试采用排水法 ， 温度控制系统为 X H O 0 1恒温试 验箱 ， 精度为 0 ． 1 o C。 甲烷解吸实验方法 将原煤样破碎 ， 筛分 出粒径 为 0 ． 2 8～ 0 ． 4 5 m m 6 0～ 4 0目 的煤粒 作为实验煤 样 ， 并对煤样进行工业分 析 ， 测定煤样 的灰分 、 水分 2 0 1 2 年4 月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第2 期 等。取煤样 1 2 0 ． 0 g置于 吸附缸 中， 实验时关 闭阀 门 3 、 5 ， 打开 阀门 4 ， 开启真空泵让煤样在常温下脱 气6 h ， 然后关闭阀 门 4 ， 打开 阀门 3， 向吸附缸 中注 入一定压力的 甲烷气体 。当吸附 3 h达到平衡后 ， 关闭阀门 3 ， 打开阀门 5让 吸附缸与大气接通 3 0 s ， 然后将橡皮管与 阀门 5连接 ， 测量 出不 同时刻放水 瓶排出到量筒 中的水 的体积 ， 将其 换算成单位质量 煤 的解吸量 ， 就可得到解吸量与时间的关系曲线 。 皮管 1 一 高压甲烷气瓶 ； 2 一 减压 阀； 3 、 4 、 5 一 高压阀 ； 6 一真 空 泵； 7 一 精 密 气压表； 8 一放水瓶 盐水 ； 9 5 0 m L量筒； l O 一煤样； l l 一吸附／ 解 吸 缸 。 图 1 甲烷解吸实验装置示意图 2 ． 2实验结果 实验 甲烷气体压 力为 1 ． 5 MP a ， 分别测试 了温 度为 2 0 ． 3， 3 0 ， 4 0， 4 5 ， 5 0℃时甲烷解吸动力学参数 ， 如图 2所示。从 图 2中可以看 出 在相 同温度和气 压条件下 ， 煤 中甲烷的初始解吸速度较快 ， 随着时间 的增加 ， 解吸速度慢慢减小 ， 最后达 到解 吸平衡 ； 随 着温度的增加 ， 煤 中甲烷的最终解 吸量增大 ， 说 明温 度增加 ， 甲烷分子运动速度加快 ， 煤对 甲烷的吸附能 力降低。 8 6 J 4 ＼ 2 O 5 0 1 0 0 1 5 0 2 00 25 0 3 0 0 3 5 0 t ／ mi n 图 2 不同温度条件下煤中甲烷的解吸特性 2 ． 3实验数据分析 根据图 2不 同温度条件下 甲烷解 吸实验数据 ， 采用回归分析得到经验公式、 扩散模型、 渗流模型的 解吸动力学参数 ， 如表 1所示 ， 其模型参数随温度的 变化规律 ， 如图 3所示。从表 1 、 图 3中可知 ， 随着温 度的增加， 经验公式中参数 、 扩散模型与渗流模型 中参数 Q 增 大。随着温度 的增加 ， 扩散模型 中参 数 B与渗流模型中参数 f 减小 。经验公式 中参数 与温度变化无规律性 。 表 1 甲烷解吸模型参数拟合结果 2 O ． 3 2 ． 2 4 8 9 a ． 1 4 4 4 3 O 3 ． 6 1 9 2 0 ． 0 3 41 4 0 6 ． 2 1 3 2 0 ． 0 1 2 3 0 ． 9 8 41 0 ． 9 6 3 2 0 ． 9 7 5 2 4 5 6 ． 7 5 7 2 0 ． 0 1 3 4 0 ． 9 9 9 4 5 0 7 ． 3 1 l 5 0 ． 0 1 2 6 0 ． 9 9 7 6 迪 齄 温 ℃ b 图 3 甲烷解吸模型参数随温度的变化规律 从表 1中可 以看 出 经验公式 、 扩散模型 、 渗流 模型都能描述煤 中 甲烷气体 的解 吸规 律 ， 且相关性 好。图4为煤 中甲烷解吸量的实验值 、 经验公式 、 扩 散模型 、 渗流模型拟合 曲线 ， 可以看 出 扩散模型拟 合效果最好 ； 渗流模型效果次之 ， 渗流模 型对解 吸初 期段拟合较差 ， 解吸平衡段拟合效果好 ； 经验公式拟 7 2 0 1 2年4月 矿 业安 全 与 环 保 第 3 9卷第2期 合效果较差 ， 但是对解 吸初期段拟合较好 ， 解吸平衡 段拟合效果较差。因此 ， 用扩散模型能较好地描述 甲烷气体 的解 吸特性。 4 3 l O 40 8 0 l 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 t ／ mi n a 1 温度3 0℃ 8 6 皇 4 2 0 4O 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 t ／ mi n b 温度5 O℃ 图4 甲烷解吸实验值、 经验公式 、 扩散模型、 渗流模型拟合曲线对比 3 结论 1 研究了温度对煤 中甲烷解 吸特性 的影响 ， 实 验表 明， 随着温度 的增加 ， 甲烷分子动能增大 ， 煤 对 甲烷的吸附能力降低 ， 从而有利于 甲烷从煤 中解 吸 出来 。 2 解吸模型经验公式 中参数 O t 、 扩散模型与渗 流模型 中参数 Q 随温度 的增加而 增大 ， 扩散模 型 中参数 日与渗流模 型 中参数 b随温度 的增加 而减 小 ， 经验公式中参数 与温度变化无规律性。 参考文献 [ 1 ]杜云贵． 地球物理场 中煤层瓦斯吸附、 渗流特性研究 [ D] ． 重庆 重庆大学， 1 9 9 3 ． [ 2 ]张 占存， 马丕梁． 水分对不同煤种瓦斯吸附特性影响的 实验研究[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 8 ， 3 3 2 1 4 4 1 4 7 ． [ 3 ]陈昌国， 鲜晓红， 杜云贵， 等． 煤吸附与解吸甲烷的动力 学规律[ J ] ． 煤炭转化， 1 9 9 6， 1 9 1 6 8 7 1 ． [ 4]徐龙君． 突出区煤的超细结构、 电性质、 吸附特征及其应 用的研究[ D] ． 重庆 重庆大学， 1 9 9 6 ． [ 5 ]刘保县． 延迟突出煤的物理力学特征和煤延迟突出机理 研究[ D] ． 重庆 重庆大学， 2 0 0 0 ． [ 6 ]姜永东， 熊令， 阳兴洋， 等． 声场促进煤 中甲烷解吸的机 理研究[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 1 0 1 6 4 9 1 6 5 3 ． 责任编辑 卫 蓉 上接第 5页 层瓦斯含量与残存瓦斯量 的对应关 系， 并成功地推 算出新区的瓦斯压力和瓦斯含量 ， 为煤 层基础参数 的测定工作奠定了一定 的基础。 4 结论 1 残存瓦斯量受到煤炭颗粒 大小 的显著影响， 残存瓦斯量随煤炭颗粒增大而增大 ， 但 是 当煤炭颗 粒增大到一定程度 ， 残存瓦斯量趋于稳定值。 2 研究得出石港煤矿 9 、 1 4 、 1 5 煤层残存瓦斯 量与瓦斯压力及 瓦斯含 量 的对应关系 ， 为石港煤矿 瓦斯参数的测定工作提供 了一种新思路。 参考文献 [ 1 ]李德祥． 煤 的残存 瓦斯含量测定方 法[ J ] ． 煤矿安全， 8 1 9 9 2 9 5 8 ． [ 2 ]于不凡． 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[ K] ． 北京 煤炭工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 3 ]俞启香． 矿井瓦斯防治[ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版 社 ， 1 9 9 2 ． [ 4 ]张铁岗． 矿井瓦斯综合治理技术[ M] ． 北京 煤炭工业出 版 社 ， 2 0 0 1 ． [ 5 ]安丰华， 程远平， 吴冬梅， 等． 基于瓦斯解吸特性推算煤层 瓦斯压力的方法[ J ] ． 采矿与安全工程学报， 2 0 1 1 1 8 1 8 5 ． 责任编辑 陈玉涛