煤体瓦斯吸附和解吸特性的研究张 力1,邢平伟2(1.中国矿业大学,江苏徐州221008;2.太原理工大学,山西太原030024)[摘 要] 简要介绍了煤吸附瓦斯气体的本质,影响煤吸附量的主要因素以及煤吸附瓦斯气体的过程;分析了煤体瓦斯解吸扩散的主要形式和影响煤体瓦斯扩散速度的主要因素。
[关键词] 煤;瓦斯;吸附;解吸;扩散[中图分类号]T D712 [文献标识码]A [文章编号]1003-6083(2000)04-0018-030 引 言固体物质都具有或大或小的把周围介质中的分子、原子或离子吸附到自己表面的能力,这一性能被称为物质的吸附性能。
煤是一种复杂的多孔介质,是天然吸附剂[1],其中直径在10-6cm以下的微孔,由于其内表面积占表面积的97.3%,可以高达200m2/g,具有很大的比表面积,从而决定了煤的吸附容积。
甲烷以两种形式(承压游离状态和吸附状态)存在于煤层和共生岩层的孔隙裂隙中,对不同状态甲烷相对含量的实验研究表明煤中全部甲烷含量的90%～95%以吸附状态存在。
研究煤与瓦斯的吸附和解吸规律,对于煤与瓦斯的突出预测,煤层瓦斯流动机理,煤的瓦斯含量预测及计算采落煤瓦斯涌出,煤层气开发和利用都有现实意义。
1 煤的吸附特性1.1 煤吸附瓦斯的本质研究表明煤对瓦斯的吸附作用,在一定瓦斯压力下乃是物理吸附,其吸附热一般小于20k J/m ol。
煤表面的原子(它们的价力尚未达到完全饱和程度)在其表面产生一种力场。
在这种力场的影响下,周围的瓦斯分子比无力场存在时更易凝结。
瓦斯的凝结能力决定着它的被吸附能力,煤分子对瓦斯气体分子的吸引力越大,煤对瓦斯气体的吸附量越大。
煤分子和瓦斯气体分子之间的作用力由德拜(Debye)诱导力和伦敦色散力(London dispersion force)组成,由此而形成吸引势,即吸附势阱深度Ea(也称势垒)。
自由气体分子必须损失部分所具有的能量才能停留在煤的孔隙表面,因此吸附是放热的;处于吸附状态的瓦斯气体分子只有获得能量Ea才能越出吸附势阱成为自由气体分子,因此脱附是吸热的[2]。
瓦斯气体分子的热运动越剧烈,其动能越高,吸附瓦斯分子获得能量发生脱附可能性越大。
当瓦斯压力增大时,瓦斯气体分子撞击煤体孔隙表面的机率增加,吸附速度加快,瓦斯气体分子在煤孔隙表面上排列的稠密度增加。
吸附量与瓦斯压力的关系(吸附等温线),一般可用朗格缪尔方程式计算。
1.2 瓦斯吸附影响因素(1)温度的变化会引起瓦斯气体分子热运动剧烈程度的变化。
温度升高时,瓦斯气体分子的热运动加剧,因而其扩散能力增加,瓦斯气体分子在煤孔隙表面停留时间缩短,因而吸附能力下降。
温度降低时情况相反。
吸附气体不同,其吸附能力不同。
(2)研究表明煤体对于二氧化碳(C O2)、甲烷(CH4)和氮气(N2)来说,其吸附能力C O2 >CH4>N2。
(3)外载荷对吸附的影响与煤体孔隙率变化有关。
压力升高时,煤体孔隙、裂隙逐渐闭合。
一方面孔隙率降低,煤体孔隙表面积减小,因面吸附量减小;另一方面瓦斯通道缩81 江 苏 煤 炭 2000年第4期 收稿日期:2000-08-19小,渗透率降低,吸附量减小。
(4)煤体中水分增加会使瓦斯吸附量减小。
在极性水分子和表面氧化物作用下,水分子以固定方式被吸附于煤体孔隙内表面,减少了瓦斯气体的吸附空位,从而使瓦斯吸附量减少。
水分子在煤体孔隙表面形成吸附水膜,使瓦斯气体渗透通道面积减少,因而使得瓦斯气体在煤体中渗透率降低。
(5)煤的变质程度是决定煤的瓦斯吸附的重要因素,煤的瓦斯吸附量随变质程度的增高而增大,随着煤变质程度增高和挥发分减少,煤的微孔容积增大。
1.3 煤吸附瓦斯的过程煤体中注入瓦斯的过程也是一个渗透—扩散过程[3]。
瓦斯气体分子不能立即同时与所有的孔隙、裂隙表面接触,在煤体中形成了瓦斯浓度梯度和压力梯度。
由瓦斯压力梯度引起渗透,其基本遵循达西定理,这种过程在大的裂隙、孔隙系统内占优势;瓦斯气体分子在其浓度梯度的作用下由高浓度向低浓度运移,符合菲克(Fick)扩散定律,这种过程在小孔与微孔系统内占优势。
瓦斯气体在向煤体深部进行渗透—扩散运移的同时,与接触到的煤体孔隙、裂隙表面发生吸附和脱附。
因此,就整个过程来说,是渗透—扩散、吸附—脱附的综合过程。
2 煤的解吸特性2.1 吸附瓦斯解吸的条件煤中的吸附瓦斯,经过漫长的地质年代,已与孔隙内处于压缩状态的瓦斯形成了稳定的平衡状态。
瓦斯吸附速度等于瓦斯解吸速度。
掘进井下巷道或进行钻孔会使原来的应力平衡受到破坏。
在工作面或钻孔周围形成应力集中,使煤的围岩产生细微裂隙和变弱,导致煤层渗透性发生变化,这样就会促使瓦斯流动。
瓦斯流动的结果使煤层孔隙内的瓦斯压力下降。
随着瓦斯压力下降,煤对瓦斯吸附力减小,破坏了吸附平衡状态,这样瓦斯分子便可挣脱孔隙内表面的吸附力,瓦斯解吸过程就是这样发生的。
越来越多的瓦斯就这样由吸附态变为游离气态,自由膨胀,穿过裂隙,涌入采煤工作面或气井。
2.2 瓦斯扩散的形式及影响因素当煤体和瓦斯气体间的吸附平衡状态遭到破坏时,煤粒中瓦斯很快解吸,这个过程由两个阶段构成,第一阶段是瓦斯的解吸附作用,第二阶段是瓦斯从煤粒微孔向采掘空间扩散的过程,瓦斯气体扩散速率主要由第二阶段决定。
扩散系数越大,扩散速率越高。
煤体瓦斯扩散机理主要由孔隙形状大小和瓦斯气体状态决定。
瓦斯扩散分为:Fick扩散、K ounds on扩散和表面扩散。
当煤体中孔隙尺寸大于瓦斯气体分子平均自由程时,瓦斯扩散属于菲克扩散,否则是K ounds on扩散。
由于煤体是很好的吸附剂,表面扩散也占着重要地位。
Fick扩散和K ounds on扩散的扩散系数都受温度的影响,温度越高扩散越快。
表面扩散受两个因素影响:温度和表面的吸附势阱深度。
温度越高和表面的吸附势阱深度越低扩散越快。
2.3 瓦斯解吸速度的计算对球形煤屑瓦斯放散来说[4],在煤屑暴露瞬间只是煤屑外面的瓦斯开始涌出,随时间增长,煤屑深部的瓦斯开始流动,瓦斯流动界面逐渐缩小,瓦斯流动的通道长度增加,运动阻力增大。
当瓦斯流动的长度达到煤屑半径后,随着时间继续延长煤屑中心的瓦斯压力相应降低,因此,瓦斯从煤屑中放散的速度随时间延长而降低。
描述这一衰变过程经验方程通常采用艾黎式(E.M.Airey)。
艾黎根据对破碎煤的实测结果认为累计瓦斯解吸量可按下式确定。
Q t=Q∞1-exp{-[tt0]n}(1)式中 Q t—到时间t为止累计瓦斯解吸量,m3/g;91 2000年第4期 张 力等 煤体瓦斯吸附和解吸特性的研究 Q —煤体最大累计瓦斯解吸量,m 3/g ;n —由煤裂隙形式决定的常数,与煤破坏类型有关;t 0—时间常数。
西德工学博士文特和雅纳斯认为,煤从吸附平衡压力解除开始,瓦斯放散速度随时间变化可用幂函数表示[5]。
υt υa =[tt a ]-k t(2)式中 v t 、v a —分别为时间t 及t a 时的放散速度,cm 3/min ・g ;k t —支配瓦斯放散随时间变化的指数。
煤层瓦斯放散特性与煤的瓦斯含量,吸附平衡压力、放散时间、煤样粒度、煤的破坏类型以及煤的物理化学特性等有关。
3 结 语(1)煤对瓦斯的吸附作用,在一定瓦斯压力下是物理吸附,煤分子和瓦斯气体分子之间的作用力是由德拜诱导力和London 色散力组成,由此而形成吸引势,即吸附势阱深度Ea 。
影响煤对瓦斯气体吸附量的主要因素有压力、温度、水分、外载荷以及不同煤的变质程度,煤吸附瓦斯气体的过程是渗透—扩散、吸附—脱附的综合过程。
(2)煤的解吸扩散主要有Fick 扩散、K ounds on 扩散和表面扩散,煤体瓦斯扩散速度主要受温度和表面势阱深度的影响,瓦斯扩散量和扩散速度分别遵循艾黎(E.M.Airey )式,文特和雅纳斯式。
[参 考 文 献][1] G.R.Barker -Read ,等.地质变动对煤和共生岩层中瓦斯动力特性的影响[J ].Leeds universitymining ass ociation.1998.[2] 王恩元,何学秋.瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其动力学机理[J ].江苏煤炭,1996(3):14-15.[3] 张力,郭勇义.块煤瓦斯吸附动力过程的实验研究[J ].煤矿安全,2000(9):17-18.[4] 杨其銮.关于煤屑瓦斯放散规律的实验研究[J ].煤矿安全,1987(3):21-22.[5] H.F 雅纳斯.煤样瓦斯解吸过程[J ].煤炭工程师,1992(2):11-12.[作者简介]张力(1972-),男,山西阳泉人,现为中国矿业大学能源科学与工程学院安全技术及工程专业博士研究生,主要从事煤层气开发与利用及矿井灾害防治研究。
Study on G as Adsorption and DesorptionCharacteristics of CoalZHANG Li 1,XING Pingw ei 2(1.China University of Mining and T echnology ;2.T aiyuan University of T echnology )Abstract :This paper revealed essence of coal ads orption to gas ,main factors affecting coalads orptive quantity and the process of coal ads orption to gas ,als o the main forms of gas des orption and diffusion in coal ,major factors affecting gas diffusion speed were analyzed.K ey w ords :coal ;ads orption ;des orption ;diffusion02 江 苏 煤 炭 2000年第4期 。