夏峰，趙蘭芳,聶全新

(1安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所 ， 安徽合肥 230001；2 內(nèi)蒙古乾坤金銀精煉股份有限公司 ， 內(nèi)蒙古呼和浩特 010011 3 安徽省地質(zhì)測繪技術(shù)院， 安徽合肥 230001）

0 引言

煤層氣俗稱“瓦斯”，其主要成份為高純度甲烷，是近二十年在世界上崛起的新型能源，其資源總量與常規(guī)天然氣相當(dāng)。煤炭開采中排出的大量煤層氣作為一種新型能源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是優(yōu)化一次能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是優(yōu)質(zhì)的能源和基礎(chǔ)化工原料。同時由于煤層氣作為一種有害的危險氣體，排放到大氣中具有很強(qiáng)的溫室效應(yīng)，既破壞大氣層、污染環(huán)境，又因其易燃易爆性嚴(yán)重危及著廣大煤礦職工的生命財(cái)產(chǎn)安全。而瓦斯的濃度以及煤層氣成分的分析，在煤炭開采中具有相當(dāng)重要的作用。煤層氣含量是煤層氣開發(fā)的重要參數(shù)。煤和煤層氣地質(zhì)勘探需要在取到鉆孔煤心后的很短時間內(nèi)獲得氣體含量測值,為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基于自然解吸法原理和方法,以自然解吸法的測定結(jié)果為基準(zhǔn),在保證解吸量、氣體組成及其含量基本不變的前提下，結(jié)合實(shí)際情況，開發(fā)研制出瓦斯樣品中氣體成分的分析方法，此方法用于大批量實(shí)際樣品的測定，結(jié)果滿意?？梢詽M足煤和煤層氣勘探的需要。

圖1 真空脫氣裝置Fig.1 Structure of vacuum degasser

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備

真空脫氣裝置：濾塵管 集水瓶 冷卻管 水銀U形管 隔水瓶 吸水管 排水瓶 吸氣瓶 真空瓶 大量管（900ml兩支）小量管（300ml一支）水準(zhǔn)瓶 干燥塔 分隔球 如圖1。

球磨罐∶1000 ml，0.2MPa壓力下保持氣密性。

球磨機(jī)∶XMB-07.252r/min。

真空泵∶XZ-0.5型旋片式，極限真空6.7Pa。

溫度計(jì): -30～40℃。

氣壓表: 80～106kPa分度值0.1kPa。

電子秤: 1000g，感量 1g。

GC4008氣相色譜儀:主機(jī),雙氫焰,熱導(dǎo),轉(zhuǎn)化爐,八程序升溫,四氣路,四套自動進(jìn)樣器。

四根專用色譜柱∶①單氫火焰采用GDX-502作為固定相，柱長3m最大流速30ml/min，可以測定微量CH4,C2H4C2H2,C2H6,C3H8等;②轉(zhuǎn)化氫火焰用TDX-01作為固定相，柱長0.7m最大流速25ml/min，可以測定微量和常量CH4,COCO2;③熱導(dǎo)A柱用TDX-01作為固定相，柱長0.6m最大流速25ml/min，可以測定常量和高含量CH4,CO，CO2;④熱導(dǎo)A柱用5A分篩作為固定相，柱長2m。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng): 計(jì)算機(jī)、A5000氣相色譜工作站數(shù)據(jù)處理軟件。

1.2 分析步驟

將從野外裝入解吸罐中的煤芯樣,用真空脫氣裝置脫氣。包括粉碎前脫氣和粉碎后脫氣。

1.2.1 粉碎前脫氣

在室溫下脫出解吸罐中煤樣所析出氣體。首先使真空脫氣裝置成真空狀態(tài)。將穿刺針頭插入密封罐上口內(nèi)。緩慢打開螺旋夾，使罐內(nèi)氣體慢慢進(jìn)入真空脫氣裝置，直到水銀U型管液面不動為止。放置30min，再進(jìn)行抽氣，每30min抽氣一次，直到抽出的氣體量小于10ml為止。并記錄體積、大氣壓、氣壓表溫度、室溫。

在加熱狀態(tài)下(95～100℃)脫出解吸罐中煤樣所析出氣體,并記錄體積、大氣壓、氣壓表溫度、室溫。

1.2.2 粉碎后脫氣

取出解吸罐中煤樣,先進(jìn)行稱量并紀(jì)錄，再將煤樣搗碎至25mm以下顆粒,裝入球磨罐中,擰緊使其保持氣密性(在300～400kPa下沒有漏氣現(xiàn)象),然后使用球磨機(jī)粉碎煤樣,達(dá)到粒度小于200目的質(zhì)量占煤樣質(zhì)量百分之八十以上，粉碎過程至少要6h。把裝有粉碎后煤樣的球磨罐,再利用真空脫氣裝置進(jìn)行加熱(95～100℃)脫氣,并記錄體積、大氣壓,、氣壓表溫度、室溫。

1.2.3 氣體組分濃度測定

將每次脫出氣體分別使用GC4008B氣相色譜儀進(jìn)行各組份濃度測定并記錄。用單氫火焰測定CH4C2H4C2H6C3H8等。用轉(zhuǎn)化氫火焰測定CO CO2CH4等。用熱導(dǎo)測定O2。

將球磨罐中煤樣取出后,再測定水分(Mad)、灰分(Aad) ,得到干燥無灰基質(zhì)量 (Gdaf) 。最終報告結(jié)果為每克煤樣中某種氣體成分含量(ml/g) 。

表1 標(biāo)準(zhǔn)氣體測定結(jié)果 (%)Table 1 Measurement result of standard gas(%)

1.3 煤樣中氣體成分含量的計(jì)算

1.3.1 氣體體積的換算

將解吸氣體、損失氣體和脫出氣體的體積換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。含有空氣解吸，損失氣體或脫出氣體的體積按下式換算為無空氣煤層氣的體積：

式中:V0—扣除空氣后解吸氣體的體積ml；損失氣體或脫出氣體換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的的體積ml；C0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧的濃度%。

1.3.2 煤樣中各種成分體積的計(jì)算

解吸氣體，脫出氣體中各種成分的體積按下式計(jì)算：

式中：V′0i=解吸氣體，損失氣體或脫出氣體中某種成分換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積ml

1.3.3 煤樣中氣體各成分含量的計(jì)算

按下式換算成干燥無灰基煤樣質(zhì)量：

式中：Gdaf——干燥無灰基煤樣質(zhì)量g；G——煤產(chǎn)質(zhì)量g；Mad——煤樣空氣干燥基水分%；

Aad——煤樣空氣干燥基灰分%

1.3.4 煤樣中氣體各成分含量的計(jì)算

煤樣解吸氣體，損失氣體或脫出氣體中各成分的含量按下式計(jì)算：

式中Xi——每克煤樣解吸氣體、損失氣體或脫出氣體中某種成分的含量ml/g

1.3.5 煤樣中氣體成分含量的計(jì)算

式中X—每克煤樣中某種氣體成分的總含量ml/g

1.3.6 煤樣中可燃?xì)怏w總含量的計(jì)算

按式4分別計(jì)算出每克煤樣解吸氣體、損失氣體或脫出氣體中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、重?zé)N、氫和一氧化碳等可燃?xì)怏w的含量，然后再按式5計(jì)算得出可燃?xì)怏w的總含量。

2 標(biāo)準(zhǔn)氣體的測定

為了檢驗(yàn)本法的準(zhǔn)確度，選擇國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心研制的樣品編號為254005的標(biāo)準(zhǔn)氣體，平行取4份，使用與樣品相同的條件，在GC4008B氣相色譜儀上按樣品分析步驟分別制備成溶液進(jìn)行各組份濃度測定，結(jié)果如表1。測定結(jié)果表明各組分的分析結(jié)果與推薦值基本相符，測定精密度均在10%以內(nèi)。用本法測定的結(jié)果是可靠的。

3 結(jié)語

煤層瓦斯的氣體成分比較復(fù)雜,濃度變化大,特別是乙烷以后的烷烴和一氧化碳成分對測定條件的要求尤為突出。本文研究了利用氣相色譜法分析煤層瓦斯中氣體成分的的各項(xiàng)條件, 選擇合適的氣相色譜柱柱溫、吸附劑、進(jìn)樣量、載氣流速等條件,優(yōu)化氣相色譜儀的分離效果, 對煤層氣含量測試技術(shù)提出了新的認(rèn)識，目的是確定樣品分析的最佳儀器參數(shù),建立利用常規(guī)氣相色譜檢測煤層瓦斯中氣體成分的氣相色譜分析方法。此外,本文還對煤層氣體樣品中的各自賦存規(guī)律及相互關(guān)系進(jìn)行了初步研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在適當(dāng)?shù)纳V柱、載氣流速、檢測器等儀器工作條件下,利用氣相色譜可以高效、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的檢測煤層瓦斯中的氣體成分。針對不同樣品,合適的采樣方法和進(jìn)樣條件對分析結(jié)果具有重要的影響。經(jīng)過系統(tǒng)采樣和分析,結(jié)果證實(shí)煤層瓦斯中氣體成分的相互關(guān)系存在一定規(guī)律，氣體成分濃度與煤的變質(zhì)程度、煤含水量等相關(guān)。本論文結(jié)果為下一步工作的開展確定了方向, 從理論上完善了煤層氣含量的測定和計(jì)算方法,也為進(jìn)一步開發(fā)利用煤層氣發(fā)揮了較為重要的作用。 同時按該方法分析野外樣品上千件，準(zhǔn)確、快速的完成了煤分析任務(wù)。

[1]GB/T 13610-2003 天然氣的組成分析氣相色譜法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[2]MT/T 77-94 煤層氣測定方法（解吸法）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[3]GB/T 19559-2004 煤層氣含量測定方法[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.