鄭吉玉，田坤云

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

煤的工業(yè)參數(shù)與吸附常數(shù)關(guān)系研究

鄭吉玉，田坤云

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

在煤的瓦斯吸附影響因素中，煤的工業(yè)參數(shù)是重要的影響因素之一.為了研究煤的工業(yè)參數(shù)與吸附常數(shù)的關(guān)系，對(duì)某礦多個(gè)采區(qū)煤炭的工業(yè)分析和吸附常數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究結(jié)果如下：吸附常數(shù)a隨著水分的增加而變小，隨著固定碳的增加而增大；吸附常數(shù)b隨著水分的增加而增大，隨著固定碳的增加而變?。换曳趾蛽]發(fā)分與吸附常數(shù)關(guān)系不明顯，運(yùn)用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件把吸附常數(shù)關(guān)于灰分、揮發(fā)分進(jìn)行二元線性回歸，發(fā)現(xiàn)吸附常數(shù)a與灰分、揮發(fā)分的相關(guān)性高，吸附常數(shù)b與灰分、揮發(fā)分的相關(guān)性較低.研究結(jié)果為煤層瓦斯參數(shù)的預(yù)測(cè)提供了依據(jù).

煤；工業(yè)參數(shù)；吸附常數(shù)；關(guān)系

煤作為一種多孔介質(zhì)，對(duì)水分和瓦斯具有較強(qiáng)的吸附性，而井下煤的吸附主要為物理吸附，僅在特定條件下才會(huì)產(chǎn)生化學(xué)吸附.影響煤瓦斯吸附的因素主要有水分、溫度、孔隙結(jié)構(gòu)等[1-2].

水分對(duì)煤瓦斯吸附的影響較大已形成了普遍共識(shí)，水的存在抑制了瓦斯吸附，使煤體中的瓦斯吸附量減少，故在瓦斯防治技術(shù)中，采用煤層注水來(lái)降低瓦斯涌出[3-4].溫度是影響吸附的重要因素之一，Langmuir 吸附理論認(rèn)為，多孔介質(zhì)吸附氣體量隨溫度升高而減少，同時(shí)吸附常數(shù)a變小[5].近年來(lái)，對(duì)煤的孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯吸附方面的研究也越來(lái)越多，如粒徑越小、表面積越大，煤的瓦斯吸附量越多[6].

吸附常數(shù)a是煤的可燃質(zhì)飽和吸附量，吸附常數(shù)b為吸附量達(dá)到朗格繆爾體積一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的平衡壓力的倒數(shù).吸附常數(shù)體現(xiàn)了多孔介質(zhì)的吸附特征，除了溫度、粒徑、物質(zhì)組成、變質(zhì)程度外，煤的工業(yè)參數(shù)(水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳)與吸附常數(shù)也存在一定的關(guān)系[7-8].煤的灰分是煤質(zhì)分析一項(xiàng)重要的指標(biāo)，直接影響煤質(zhì)，灰分對(duì)活性炭吸附性能不利[9]；揮發(fā)分與煤的變質(zhì)程度有關(guān)，低變質(zhì)程度的煤往往揮發(fā)分較大，隨著煤化程度的提高，揮發(fā)分降低，而吸附與煤化程度相關(guān).灰分、揮發(fā)分與吸附常數(shù)的關(guān)系可采用二元線性回歸進(jìn)行分析.

1 煤的瓦斯吸附原理

煤中大量的微孔表面分子與氣體分子產(chǎn)生相互作用力，即范德華力，包括靜電作用力、倫敦色散力、德拜誘導(dǎo)力.同時(shí)，煤的大分子還會(huì)產(chǎn)生庫(kù)倫作用力，當(dāng)氣體與內(nèi)表面接觸時(shí)，分子的作用力使瓦斯氣體分子在表面上發(fā)生聚集，稱為吸附[10-11].氣體分子逐漸聚集的過(guò)程為吸附過(guò)程；當(dāng)煤體表面氣體分子數(shù)量不變且脫附和吸附速率相等時(shí)，為吸附平衡狀態(tài).當(dāng)吸附平衡被打破，氣體分子重新返回自由狀態(tài)，表面上瓦斯氣體分子逐漸減少的過(guò)程，為脫附過(guò)程.煤對(duì)瓦斯的吸附為物理吸附，煤體內(nèi)部存在大量孔隙，故表面積大，所以煤是一種很好的天然吸附劑.瓦斯是一種吸附氣體，在一個(gè)恒定溫度下，吸附量與瓦斯壓力符合朗格繆爾方程[12]，即

(1)

式中：X為一定瓦斯壓力p下煤可燃質(zhì)吸附瓦斯量，m3/t；p為瓦斯壓力，MPa；a為吸附常數(shù)，當(dāng)p趨于無(wú)窮大時(shí)，煤的可燃質(zhì)飽和吸附量，m3/t；b為吸附常數(shù)，MPa-1.

式(1)建立在以下假設(shè)條件下：①煤的吸附平衡為動(dòng)態(tài)平衡；②忽略被吸附瓦斯氣體分子間相互作用力；③固體表面均勻一致；④吸附層為單分子層.在式(1)中，煤的吸附常數(shù)a和b決定著煤體在不同瓦斯壓力下吸附的瓦斯量，所以煤的瓦斯吸附常數(shù)是衡量煤對(duì)瓦斯吸附能力的重要指標(biāo).吸附常數(shù)a的物理意義是當(dāng)瓦斯壓力趨向無(wú)窮大時(shí)煤的可燃質(zhì)極限瓦斯吸附量，b為吸附量達(dá)到朗格繆爾體積一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的平衡壓力的倒數(shù)，一般為0.5～5.0 MPa-1，其值與溫度和吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān).

2 煤的工業(yè)參數(shù)與吸附常數(shù)關(guān)系

煤的工業(yè)分析是了解煤質(zhì)特性及評(píng)價(jià)煤質(zhì)的主要指標(biāo)和基本依據(jù).煤的工業(yè)參數(shù)包括水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳.煤的瓦斯吸附影響因素很多，如溫度、瓦斯壓力、水分、煤的變質(zhì)程度等，由于煤的工業(yè)參數(shù)對(duì)煤的物理和化學(xué)性質(zhì)有著重要影響，因而對(duì)煤的瓦斯吸附也起著重要作用.為了提高分析的準(zhǔn)確性，所采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源自某礦11，12，13，14，15采區(qū)及16采區(qū)大巷，基本覆蓋整個(gè)礦區(qū).

2.1水分與吸附常數(shù)的關(guān)系

煤體中水分的存在形式有游離水和化學(xué)水兩類，分別以物理形式和化合形式與煤結(jié)合.煤中水分的存在直接影響煤的運(yùn)輸、貯存和制備，由于煤的孔隙表面對(duì)水的吸附能力高于對(duì)瓦斯的吸附能力，導(dǎo)致水分優(yōu)先被吸附于煤孔隙表面，擠壓了瓦斯的吸附空間，從而使瓦斯在煤孔隙表面的吸附量減少，如圖1和圖2所示，吸附常數(shù)a隨著水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變小，吸附常數(shù)b隨著水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加總體呈變大趨勢(shì)，但局部存在變小現(xiàn)象.

圖1 水分與吸附常數(shù)a的關(guān)系Fig.1 Relationship between moisture and adsorption constant a

圖2 水分與吸附常數(shù)b的關(guān)系Fig.2 Relationship between moisture and adsorption constant b

2.2固定碳與吸附常數(shù)的關(guān)系

固定碳是煤燃燒的主要成分，直接影響煤的發(fā)熱量，相比水分、灰分、揮發(fā)分，固定碳在煤體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，固定碳的占比直接影響煤的孔隙結(jié)構(gòu)，如孔徑、比表面積、孔容等，而煤的吸附常數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，如圖3和圖4所示，吸附常數(shù)a隨著固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大，吸附常數(shù)b隨著固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變小.

圖3 固定碳與吸附常數(shù)a的關(guān)系Fig.3 Relationship between fixed carbon and adsorption constant a

圖4 固定碳與吸附常數(shù)b的關(guān)系Fig.4 Relationship between fixed carbon and adsorption constant b

2.3灰分、揮發(fā)分與吸附常數(shù)的關(guān)系

灰分是煤燃燒后余下的殘?jiān)?，本身的吸附作用比較弱，而灰分越高，煤的固定碳含量相應(yīng)降低，煤質(zhì)越差，對(duì)瓦斯的吸附作用也有所降低.揮發(fā)分是指煤加熱到一定程度時(shí)，有機(jī)物和礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化成氣體的逸出產(chǎn)物，揮發(fā)分反映了煤的變質(zhì)程度，低變質(zhì)程度的煤揮發(fā)分高，所以揮發(fā)分對(duì)吸附常數(shù)的影響應(yīng)與煤化程度聯(lián)系在一起.灰分與吸附常數(shù)的關(guān)系如圖5和圖6所示，揮發(fā)分與吸附常數(shù)的關(guān)系如圖7和圖8所示.灰分、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸附常數(shù)a呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)并不明顯，而與吸附常數(shù)b的關(guān)系如圖中點(diǎn)的分布,無(wú)規(guī)律可言.

圖5 灰分與吸附常數(shù)a的關(guān)系Fig.5 Relationship between ash and adsorption constant a

圖6 灰分與吸附常數(shù)b的關(guān)系Fig.6 Relationship between ash and >adsorption constant b

圖7 揮發(fā)分與吸附常數(shù)a的關(guān)系Fig.7 Relationship between volatile and adsorption constant a

圖8 揮發(fā)分與吸附常數(shù)b的關(guān)系Fig.8 Relationship between volatile and adsorption constant b

由于灰分和揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸附常數(shù)a和b的關(guān)系特征不明顯，通常把灰分和揮發(fā)分結(jié)合起來(lái)分析，運(yùn)用SPSS 數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)灰分、揮發(fā)分與吸附常數(shù)a和b進(jìn)行多元線性回歸分析，結(jié)果如表1與表2所示.

表1 吸附常數(shù)a與灰分、揮發(fā)分的回歸分析結(jié)果Tab.1 Regression analysis results of adsorption constant a and ash, volatile

表2 吸附常數(shù)b與灰分、揮發(fā)分的回歸分析結(jié)果Tab.2 Regression analysis results of adsorption constant b and ash, volatile

吸附常數(shù)a與灰分、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系式如下：

a=21.94-52.021x1+87.721x2.

(2)

吸附常數(shù)b與灰分、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系式如下：

b=1.019+2.436x1-2.903x2.

(3)

從回歸分析結(jié)果可以看出，吸附常數(shù)a與灰分、揮發(fā)分的相關(guān)性高，吸附常數(shù)b與灰分、揮發(fā)分的相關(guān)性較低，尤其是吸附常數(shù)b與灰分、揮發(fā)分的相關(guān)系數(shù)只有0.44.究其原因，所采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅局限于一個(gè)礦區(qū)，而揮發(fā)分往往與煤的變質(zhì)程度有關(guān)，在同一礦區(qū)變化較小，故體現(xiàn)不出揮發(fā)分對(duì)吸附常數(shù)的影響.

3 結(jié)論

(1)對(duì)某礦多個(gè)采區(qū)的工業(yè)分析和吸附常數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，從分析結(jié)果看，水分和固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸附常數(shù)a和b的影響較為明顯，灰分和揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸附常數(shù)a和b的關(guān)系較為離散.

(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，吸附常數(shù)a隨著水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變小，隨著固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大；吸附常數(shù)b隨著水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大，隨著固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變小.

(3)吸附常數(shù)與灰分、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的二元線性回歸結(jié)果表明,吸附常數(shù)a與灰分、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性高，吸附常數(shù)b與灰分、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性較低.

[1] 李樹(shù)剛,安朝峰,林海飛,等.多因素影響下煤層吸附甲烷特性試驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014(6):40-44.

[2] 李子文,林柏泉,郝志勇,等. 煤體孔徑分布特征及其對(duì)瓦斯吸附的影響[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013(6):1047-1053.

[3] 林海飛,趙鵬翔,李樹(shù)剛,等.水分對(duì)瓦斯吸附常數(shù)及放散初速度影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2014(2):16-19.

[4] 趙東,馮增朝,趙陽(yáng)升.基于吸附動(dòng)力學(xué)理論分析水分對(duì)煤體吸附特性的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2014(3):518-523.

[5] 王剛,程衛(wèi)民,潘剛.溫度對(duì)煤體吸附瓦斯性能影響的研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2012(5):231-234.

[6] 李一波,鄭萬(wàn)成,王鳳雙.煤樣粒徑對(duì)煤吸附常數(shù)及瓦斯放散初速度的影響[J].煤礦安全,2013(1):5-8.

[7] 李樹(shù)剛,胡魏魏,林海飛,等.煤體灰分與揮發(fā)分對(duì)煤吸附甲烷性能的影響實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2015(1):16-18.

[8] 郝世雄,王承洋,江成發(fā).固定碳對(duì)煤的孔結(jié)構(gòu)和甲烷吸附量的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2012(9):1477-1482.

[9] 韓露,李開(kāi)喜,高峰.工藝參數(shù)及灰分對(duì)煤基活性炭吸附性能的影響[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2008(3):71-76.

[10]聶百勝,段三明.煤吸附瓦斯的本質(zhì)[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),1998(4):88-92.

[11]張力,邢平偉.煤體瓦斯吸附和解吸特性的研究[J].江蘇煤炭,2000(4):18-20.

[12]周世寧,林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999.

Researchontherelationshipbetweenindustrialparameterandadsorptionconstantofcoal

ZHENGJiyu，TIANKunyun

(CollegeofSafetyScienceEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Among the affecting factors of coal gas adsorption, coal industrial parameter is one of the important factors. To study the relationship between industrial parameter and the adsorption constant of coal, experimental data of industrial parameter and adsorption constants of coal from multiple mining areas were analyzed, the results showed that adsorption constantsadecreases with the increase of moisture, and increase with the increase of fixed carbon; adsorption constantbincrease with the increase of moisture, and decreases with the increase of carbon fixation; ash and volatile and adsorption constant relationship is not obvious, by two-variable linear regression analysis using SPSS for ash or volatile and adsorption constants，it showed that high correlation between ash or volatile and adsorption constanta, low correlation between ash or volatile and adsorption constantb. The research results provide a basis for coal seam gas parameter prediction.

coal; industry parameter; adsorption constant; relationship

TD712.1

A

1674-330X(2016)03-0015-04

2017-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(51174082)

鄭吉玉(1984-)，男, 安徽碭山人，講師，博士研究生，主要從事安全工程技術(shù)、礦業(yè)災(zāi)害防治方面的研究.