多因素影响下煤层吸附甲烷特性试验研究.pdf

第 ４２ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ６ ２０１４ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ ２０１４ 多因素影响下煤层吸附甲烷特性试验研究 李树刚ꎬ安朝峰ꎬ林海飞ꎬ赵鹏翔ꎬ丁 洋 西安科技大学 能源学院ꎬ陕西 西安 ７１００５４ 摘 要为研究温度、含水量、粒径、变质程度 ４ 个因素对煤吸附甲烷特性的影响ꎬ应用正交试验设计ꎬ 采用吸附常数测定仪进行甲烷吸附试验ꎬ运用多因素方差分析、多元回归分析方法得到 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸 附常数 ａ、ｂ 与各因素的关系及吸附常数 ａ 随多因素变化的关系式ꎮ 试验结果表明多因素影响下煤 样吸附甲烷过程满足 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 单分子层吸附理论ꎻ各因素对 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ａ、ｂ 的大小均有影 响ꎬ但影响程度存在差异ꎬ各因素对吸附常数 ａ 的影响程度由大到小依次为变质程度、温度、粒径、含 水量ꎬ对吸附常数 ｂ 的影响程度由大到小依次为变质程度、含水量、温度、粒径ꎻ吸附常数 ａ 与变质程 度的变化呈正相关ꎬ与温度、含水量、粒径的变化呈负相关ꎬ吸附常数 ｂ 与变质程度的变化呈正相关ꎬ 与温度变化呈负相关ꎬ随粒径、含水量变化呈阶段性变化ꎮ 通过对煤吸附甲烷多因素影响分析ꎬ为进 一步研究煤体吸附甲烷特性提供理论基础ꎬ同时为井下开采过程中实施防突措施提供了理论指导ꎮ 关键词甲烷吸附ꎻ多因素影响ꎻ吸附常数ꎻ煤变质程度 中图分类号ＴＤ７１２ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０６－００４０－０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｔｈａｎｅ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｓｅａｍ Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｆａｃｔｏｒｓ ＬＩ Ｓｈｕ￣ｇａｎｇꎬＡＮ Ｚｈａｏ￣ｆｅｎｇꎬＬＩＮ Ｈａｉ￣ｆｅｉꎬＺＨＡＯ Ｐｅｎｇ￣ｘｉａｎｇꎬＤＩＮＧ Ｙａｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ＥｎｅｒｇｙꎬＸｉ̓ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ̓ａｎ ７１００５４ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｎａｌｙｓｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔꎬｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｇｒａｄｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｏｎ ｍｅｔｈａｎｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎꎬ ｍｅｔｈａｎｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｄｅｔｅｃｔｏｒ.Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅ￣ ｔｗｅｅｎ Ｌａｎｇｍｕｉｒ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａ ａｎｄ ｂ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆａｃｔｏｒｓꎬａｎｄ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａ ｖａｒｉｅｄ ｗｉｔｈ ｆｏｕｒ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｖａｒｉａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ.Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｃｏａｌ ｓａｍｐｌｅｓ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌ￣ ｔｉｐｌｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｍｅｔ Ｌａｎｇｍｕｉｒ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ.Ｅｖｅｒｙ ｓｉｎｇｌｅ ｆａｃｔｏｒ ｗｏｕｌｄ ａｆｆｅｃｔ Ｌａｎｇｍｕｉｒ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａ ａｎｄ ｂꎬｂｕｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｅｘｔｅｎｔ ｗａｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ.Ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｄｅｇｒｅｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａ ｗａｓ ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｆａｃｔｏｒｓꎬｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅꎬａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ｔｈｅ ｌａｓｔ.Ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｄｅｇｒｅｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂ ｗａｓ ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇｅｓｔꎬｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔꎬｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａ￣ ｔｕｒｅ ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｗａｓ ｔｈｅ ｗｅａｋｅｓｔ.Ｃｏｎｓｔａｎｔ ａ ｗａｓ ｉｎ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｄｅｇｒｅｅ ａｎｄ ｉｎ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｅｍ￣ ｐｅｒａｔｕｒｅꎬｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅꎬｂｕｔ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｂ ｗａｓ ｉｎ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｄｅｇｒｅｅꎬｉｎ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｈａｎｇｅｄ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｗｈｅｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｃｈａｎｇｉｎｇ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈａｎｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｕｎ￣ ｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｆａｃｔｏｒｓꎬｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｏｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｅｔｈａｎｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎꎻｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｆａｃｔｏｒｓꎻａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔꎻｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｇｒａｄｅ ｏｆ ｃｏａｌ 收稿日期２０１４－０１－１５ꎻ责任编辑代艳玲 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０６.００８ 基金项目国家自然科学基金科学仪器基础研究专款资助项目５１３２７００７ꎻ国家自然科学基金资助项目５１１７４１５７ꎬ５１１０４１１８ꎬ５１２０４１３４ 作者简介李树刚１９６３ꎬ男ꎬ甘肃会宁人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎮ Ｔｅｌ０２９－８５５８７００７ꎬＥ－ｍａｉｌｌｉｓｇ＠ ｘｕｓｔ􀆱 ｅｄｕ􀆱 ｃｎ 引用格式李树刚ꎬ安朝峰ꎬ林海飞ꎬ等.多因素影响下煤层吸附甲烷特性试验研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２６４０－４４. ＬＩ Ｓｈｕ￣ｇａｎｇꎬＡＮ Ｚｈａｏ￣ｆｅｎｇꎬＬＩＮ Ｈａｉ￣ｆｅｉꎬｅｔ ａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｔｈａｎｅ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｓｅａｍ Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｆａｃｔｏｒｓ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２６４０－４４. ０ 引 言 研究煤吸附甲烷的特性及机理是进行瓦斯抽采 和瓦斯治理的重要依据ꎮ 国内外学者对煤吸附甲烷 的特性进行了大量研究ꎬ取得了丰硕的研究成果ꎮ 文献[１－２]研究了温度对煤吸附甲烷性能的影响ꎬ ０４ 李树刚等多因素影响下煤层吸附甲烷特性试验研究２０１４ 年第 ６ 期 认为随环境温度升高ꎬ煤体吸附甲烷量减小ꎬＬａｎｇ￣ ｍｕｉｒ 吸附常数 ａ 随温度的增大而减小ꎬ温度越高ꎬａ 值变化幅度越小ꎬ最终趋于稳定ꎬ而吸附常数 ｂ 与温 度以及煤体自身性质密切相关ꎻ文献[３－５]提出了 煤中含水量对煤吸附甲烷性能的影响机理ꎬ得到了 实际条件下煤吸附甲烷随含水量变化的校正公式及 不同含水量条件下煤吸附甲烷模型ꎬ认为含水量的 增加抑制煤吸附甲烷ꎻ文献[６－８]研究了不同粒径 对甲烷吸附特性的影响ꎬ得到了不同粒径条件下煤 样的等温吸附曲线ꎬ认为煤样吸附量随粒径增大呈 减小趋势ꎮ 上述研究集中分析了单因素对煤吸附甲 烷特性的影响ꎬ而实际地层中的煤体同时处于多因 素环境中ꎬ其中包括含水量、温度及煤体自身的变质 程度等ꎬ多因素对煤体吸附甲烷特性影响的研究目 前还鲜见报道ꎬ基于此ꎬ笔者设计了多因素影响煤体 吸附甲烷特性的正交试验方案ꎬ结合多因素方差分 析及多元回归分析的方法ꎬ研究多因素对煤吸附甲 烷特性影响的规律特征ꎬ旨在揭示各因素对 Ｌａｎｇ￣ ｍｕｉｒ 吸附常数 ａ、ｂ 影响的主次关系ꎬ以期对井下工 作面回采过程中实施防突措施提供参考ꎬ并为进一 步研究煤体吸附甲烷特性提供理论基础ꎮ １ 煤吸附甲烷多因素正交试验设计 试验选取 ３ 种不同变质程度的原煤作为煤样ꎬ 分别记为煤样 １、煤样 ２ 和煤样 ３ꎬ采用标准筛对煤 样进行筛分ꎬ制备出粒径为 ０􀆱 １８ ０􀆱 ２５、０􀆱 ２５ ０􀆱 ３８、０􀆱 ３８０􀆱 ７５ ｍｍ 的 ３ 种煤样ꎻ采用人工加湿的 方法并通过烘干称重制备出含水量为 ２％、４％、６％ 的 ３ 种煤样ꎮ 试验采用挥发分表征煤的变质程度ꎬ 变质程度越大ꎬ煤的挥发分越低ꎮ 试验暂不考虑因 素间的交互作用ꎬ采用“四因素、三水平”Ｌ９３４正 交试验设计的方法[９－１１]ꎬ正交试验设计因素及水平 见表 １ꎮ 表 １ 正交试验设计因素及水平 水平 因素 Ａ 温度/ ℃ 因素 Ｂ 含水量/ ％ 因素 Ｃ 粒径/ ｍｍ 因素 Ｄ 挥发分/ ％ １２０２０􀆱 １８０􀆱 ２５３８􀆱 ５６ ２４０４０􀆱 ２５０􀆱 ３８２８􀆱 １４ ３６０６０􀆱 ３８０􀆱 ７５２７􀆱 １６ ２ 正交试验结果 运用 ＷＹ－９８Ｂ 型吸附常数测定仪ꎬ对正交试验 设计中的 ９ 个不同方案进行甲烷吸附试验ꎬ试验吸 附压力从 ０􀆱 ８０ ＭＰａ 逐渐增至 ５􀆱 ６０ ＭＰａꎬ正交试验 结果及不同设计方案的 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ａ、ｂ 值 计算结果见表 ２ꎮ 不同设计方案煤样的等温吸附曲 线如图 １ 所示ꎮ 多因素影响下ꎬ煤样吸附甲烷试验 的整个测试过程满足 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 方程ꎬ对试验结果进 行拟合得到的关系式见表 ２ꎮ 拟合度越高ꎬ表明多 因素影响下ꎬ煤样吸附甲烷过程越符合 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 单 分子层吸附理论ꎮ 表 ２ 煤样吸附甲烷多因素正交试验结果及煤样吸附甲烷拟合关系式 方案 编号 水平 ＡＢＣＤ Ｑ/ ｃｍ３􀅱ｇ －１ ａ/ ｃｍ３􀅱ｇ －１ ｂ/ ＭＰａ －１ 拟合关系式拟合度 １１１１１２４􀆱 ０８５３７􀆱 ２９２０􀆱 ３０１Ｑ＝１１􀆱 ２２４ ９ｐ/ １＋０􀆱 ３０１ｐ０􀆱 ９９６ ２１２２２２５􀆱 ４５６３８􀆱 １０４０􀆱 ６５８Ｑ＝２５􀆱 ０７２ ４ｐ/ １＋０􀆱 ６５８ｐ０􀆱 ９９３ ３１３３３３０􀆱 ９６９４１􀆱 ５４８０􀆱 ７５５Ｑ＝３１􀆱 ３６８ ７ｐ/ １＋０􀆱 ７５５ｐ０􀆱 ９８７ ４２１２３２９􀆱 ９６３３８􀆱 ７５６０􀆱 ６３２Ｑ＝２４􀆱 ４９３ ７ｐ/ １＋０􀆱 ６３２ｐ０􀆱 ９９２ ５２２３１１６􀆱 ２１６２７􀆱 ８６７０􀆱 ３９６Ｑ＝１１􀆱 ０３５ ３ｐ/ １＋０􀆱 ３９６ｐ０􀆱 ９９６ ６２３１２２０􀆱 １３７３３􀆱 １７８０􀆱 ５２５Ｑ＝１７􀆱 ４１８ ５ｐ/ １＋０􀆱 ５２５ｐ０􀆱 ９８５ ７３１３２１５􀆱 ７３１２９􀆱 ８９４０􀆱 ４５１Ｑ＝１３􀆱 ４８２ ２ｐ/ １＋０􀆱 ４５１ｐ０􀆱 ９８９ ８３２１３２６􀆱 ３０２３６􀆱 ５４３０􀆱 ６９５Ｑ＝２５􀆱 ３９７ ３ｐ/ １＋０􀆱 ６９５ｐ０􀆱 ９９１ ９３３２１１２􀆱 ２１８２４􀆱 ２７８０􀆱 ３３７Ｑ＝８􀆱 １８１ ７ｐ/ １＋０􀆱 ３３７ｐ０􀆱 ９８５ 注Ｑ、ｐ 分别表示甲烷吸附量和吸附平衡压力ꎮ ３ 多因素对吸附常数 ａ 和 ｂ 的影响 ３􀆱 １ 多因素对吸附常数 ａ 的影响 根据表 ２ 正交试验结果ꎬ各因素同水平的吸附 常数 ａ 之和计算结果见表 ３ꎮ 根据表 ３ 得到各因素 指标的偏差平方和ꎬＳＳＡ＝ １１８􀆱 １６ꎬＳＳＢ＝ ８􀆱 ０３ꎬＳＳＣ＝ １０􀆱 １２ꎬＳＳＤ＝ １２６􀆱 １０ꎬ各因素指标偏差平方和不为 零ꎬ且 ＳＳＤＳＳＡＳＳＣＳＳＢꎬ表明各因素对 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸 附常数 ａ 值的大小均有影响ꎬ但影响程度存在差异ꎮ 根据正交设计中因素显著性检验方法知ꎬ因 ＳＳＢ最 １４ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 图 １ 多因素影响下煤样等温吸附曲线 小ꎬ将因素 Ｂ 作为误差列ꎬ进行因素显著性检验ꎬ取 显著性水平 α＝０􀆱 １ꎬ方差分析结果见表 ４ꎮ 表 ３ 各因素同水平的吸附常数 ａ 之和计算结果 因素ＡＢＣＤ Ｋｉ１１１６􀆱 ９４３１０５􀆱 ９４２１０７􀆱 ０１３８９􀆱 ４３６ Ｋｉ２９９􀆱 ８０１１０２􀆱 ５１３１０２􀆱 １４１１０１􀆱 １７５ Ｋｉ３９０􀆱 ７１４９９􀆱 ００３９９􀆱 ３０９１１６􀆱 ８４７ 注Ｋｉ１、Ｋｉ２、Ｋｉ３分别为因素 ｉ 第 １ 水平、第 ２ 水平、第 ３ 水平的 指标和ꎮ 表 ４ 吸附常数 ａ 方差分析结果 变异来源ＳＳｉｄｆＭＳＦ 值Ｆ０􀆱 １２ꎬ２ 因素 Ｄ１２６􀆱 １０２６３􀆱 ０５１５􀆱 ７９􀆱 ００ 因素 Ａ１１８􀆱 １６２５９􀆱 ０８１４􀆱 ７ 因素 Ｃ１０􀆱 １２２５􀆱 ０６１􀆱 ２６ ＢΔ８􀆱 ０３２４􀆱 ０２ 误差 ｅ８􀆱 ０３２４􀆱 ０２ 总和２６２􀆱 ４１ 注ＳＳｉ表示 ｉ 因素指标的偏差平方和ꎬＳＳｉ＝ １ ｒ ∑ ｍ ｉ＝１Ｋｉｊ ２－∑ ｎ ｔ＝１ｋｔ ２/ ｎꎬ其中ｒ 为正交试验设计的水平数ꎬ取 ３ꎻｍ 为各因素水平数ꎬ取 ３ꎻ Ｋｉｊ为因素 ｉ 的第 ｊ 水平的指标和ꎬｊ＝１、２、３ꎻｋｔ为方案编号 ｔ 对应的试 验结果指标ꎬｔ＝１、２、􀆻、９ꎻｎ 为试验总次数ꎬ取 ９ꎻｄｆ 为自由度ꎬｄｆ＝ｍ－ １ꎻＭＳ 为均方差ꎬＭＳ＝ＳＳｉ/ ｄｆꎮ 由表 ４ 方差分析结果可知ꎬ ＦＤＦ０􀆱 １２ꎬ２ꎬＦＡ Ｆ０􀆱 １２ꎬ２ꎬＦＣＡＣＢꎬ 表明吸附常数 ａ 的各因素中ꎬ因素 Ｄ变质程度对 吸附常数 ａ 起主要控制作用ꎬ因素 Ｂ含水量对吸 附常数 ａ 的影响作用最小ꎮ 据表 ３ 求得各因素同水 平吸附常数 ａ 的均值ꎬ得到吸附常数 ａ 随各因素变 化的关系ꎬ如图 ２ 所示ꎮ 由图 ２ 可知ꎬ温度升高、粒 径增大、含水量增多ꎬＬａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ａ 减小ꎻ煤 变质程度增高ꎬ吸附常数 ａ 增大ꎮ 煤对甲烷吸附量 的 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 修正方程[１２]为 Ｑ ＝ ａｂｐ １ ＋ ｂｐ ｅＮＴ－Ｔ０ １ ＋ ０􀆱 ３１Ｗ ＋ １０Ｖｐ γ １ 图 ２ 吸附常数 ａ 与多因素变化的关系 式中Ｎ 为试验系数ꎻＴ 为煤层温度ꎬＫꎻＴ０为测定 ａ、 ｂ 值时的实验室温度ꎬＫꎻＷ 为煤样含水量ꎬ％ꎻＶ 为 煤层的孔隙体积ꎬｍ３ꎻγ 为甲烷压缩系数ꎮ 式１表明ꎬ吸附量 Ｑ 与实验室温度 Ｔ０和含水 量 Ｗ 呈负相关ꎬ温度 Ｔ０和含水量 Ｗ 增大ꎬ吸附量 Ｑ 减小ꎬ因吸附常数 ａ 表征煤体的极限吸附量ꎬ则吸附 量 Ｑ 减小ꎬ吸附常数 ａ 减小ꎮ 因煤体吸附甲烷为放 热过程ꎬ温度升高ꎬ煤体孔隙表面吸附瓦斯的自由活 化能逐渐降低ꎬ瓦斯不能存在于孔隙表面ꎬ而是游离 到孔隙中ꎬ整个体系向脱附方向进行[６]ꎬ煤的吸附 能力下降ꎬ从而使得 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ａ 减小ꎮ 甲 烷分子在煤体表面主要以正三角锥的方式吸附ꎬ而 水分子则是以 １ 个氧原子向上、２ 个氢原子向下的 分子结构形式吸附ꎬ因此煤表面对水分子的吸附远 大于甲烷分子[１３]ꎬ同时因煤体内部的部分水分会以 水蒸气形式存在ꎬ在煤吸附甲烷过程中水蒸气会占 据煤体部分表面积ꎬ导致甲烷吸附位相对减小ꎬ另一 方面水的存在导致煤体孔隙内产生毛细现象ꎬ进而 形成毛细管阻力[１４]ꎬ当孔隙内部与外部环境间的压 差小于毛细阻力时ꎬ会阻碍甲烷分子进入孔隙内部ꎬ 导致吸附常数 ａ 减小ꎮ 由表面能原理知ꎬ煤吸附甲烷过程ꎬ煤的表面张 力降低[１]ꎬ煤体表面张力降低值为 Δχ＝ ＲＴ′ Ｖ０Ｓ∫ ｐ ０ ａｂｐ １ ＋ ｂｐ １ ｐ ＝ ａＲＴ′ Ｖ０Ｓ ｌｎ１ ＋ ｂｐ２ 式中Δχ为煤在真空条件下表面张力与吸附平衡时 煤表面张力之差ꎬＪ/ ｍ２ꎻＲ 为气体常数ꎬ取 ８􀆱 ３１４ Ｊ/ ｍｏｌ􀅱ＫꎻＴ′为吸附温度ꎬＫꎻＶ０为标准状况下气 体摩尔体积ꎬＬ/ ｍｏｌꎻＳ 为煤比表面积ꎬｍ２/ ｇꎮ 吸附平衡时ꎬΔχ为一定值[１]ꎬ吸附常数 ｂ 与煤 变质程度相关ꎬ吸附常数 ａ 表示为 ａ ＝ ΔχＶ０Ｓ/ ｋＲＴ′３ 式中ｋ 为与煤变质程度相关的常数ꎮ 根据式３ꎬ温度恒定时ꎬ煤比表面积 Ｓ 与吸附 常数 ａ 呈正相关ꎬ因煤比表面积决定煤体对甲烷的 ２４ 李树刚等多因素影响下煤层吸附甲烷特性试验研究２０１４ 年第 ６ 期 吸附量大小ꎬ随煤粒径的递增ꎬ比表面积 Ｓ 减小ꎬ Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ａ 减小ꎮ 煤的微孔孔容是吸附甲 烷的主要载体ꎬ微孔孔容越大ꎬ煤的吸附能力越大ꎬ 低变质程度的煤ꎬ其含氧官能团较多ꎬ低分子化合物 的质量较大ꎬ内部结构无方向性ꎬ微孔的孔容较小ꎬ 而高变质程度的煤ꎬ煤的内部会出现规整和定向规 律ꎬ从而导致煤内部微孔孔容增大ꎬ因此煤变质程度 增高ꎬＬａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ａ 增大ꎬ挥发分对煤吸附瓦 斯量的校正关系式为[５] η ＝ １/ [１ ＋ ０􀆱 １４７ｅ０􀆱 ０２２ＶｒＷ]４ 式中η 为校正系数ꎻＶｒ为挥发分ꎬ％ꎮ 采用多元回归分析的方法对 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常 数 ａ 的试验结果进行拟合ꎬ得到回归方程 ａ ＝ ８９􀆱 ２９ － ０􀆱 ８８ｘ１－ ５７􀆱 ８２ｘ２－ ７􀆱 ７７ｘ３－ ６２􀆱 ６５ｘ４ ５ 式中 ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４分别为煤样温度、含水量、粒径、 挥发分ꎬ只表示数值ꎬ不带量纲ꎮ 对方程的回归性进行显著性检验ꎬ样本容量为 ９ꎬ显著性水平 α 取 ０􀆱 ０５ꎬ样本检验值 Ｆｔ＝８􀆱 ３９ꎬＦｔ Ｆ０􀆱 ０５４ꎬ４＝ ６􀆱 ３３８ꎬ表明回归方程有较高显著性ꎮ 拟合结果表明ꎬ多因素影响下ꎬＬａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ａ 与各影响因素之间的变化关系可按式５进行统计 分析式中 ａ、ｘ 只表示数值ꎬ不带量纲ꎮ ａ ＝ ｋ０ ＋ ｋ １ｘ１ ＋ ｋ ２ｘ２ ＋ ｋ ３ｘ３ ＋ ｋ ４ｘ４ 式中ｋ０、ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４是由煤体自身物理特性所决定 的常数项ꎮ ３􀆱 ２ 多因素对吸附常数 ｂ 的影响 根据表 ２ 正交试验结果ꎬ各因素同水平的吸附 常数 ｂ 之和计算结果见表 ５ꎮ 表 ５ 吸附常数 ｂ 试验结果分析 因素ＡＢＣＤ Ｋｉ１１􀆱 ７１４１􀆱 ３８４１􀆱 ５２１１􀆱 ０３４ Ｋｉ２ １􀆱 ５５３１􀆱 ７４９１􀆱 ６２７１􀆱 ６３４ Ｋｉ３１􀆱 ４８３１􀆱 ６１７１􀆱 ６０２２􀆱 ０８２ 由表 ５ 得到各因素指标的偏差平方和ꎬＳＳＡ＝ ０􀆱 ００９ꎬＳＳＢ＝０􀆱 ０２３ꎬＳＳＣ＝０􀆱 ００２ꎬＳＳＤ＝０􀆱 １８４ꎬ各因素 指标的偏差平方和不为零ꎬ且 ＳＳＤＳＳＢＳＳＡＳＳＣꎬ表 明各因素对 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ｂ 均存在影响ꎬ但影 响程度相同ꎬ各因素显著性方差分析结果见表 ６ꎮ 由表 ６ 可知ꎬＦＤＦ０􀆱 １２ꎬ２ꎬＦＢＦ０􀆱 １２ꎬ２ꎬＦＡＢＡＣꎬ即因素 Ｄ变质程度对吸附常数 ｂ 起主要控制作用ꎬ因素 Ｃ粒径对吸附常数 ｂ 的影 响作用最小ꎮ 表 ６ 吸附常数 ｂ 方差分析 变异来源 ＳＳｉ ｄｆＭＳＦ 值 Ｆ０􀆱 １２ꎬ２ 因素 Ｄ０􀆱 １８４２０􀆱 ０９２ ０９２􀆱 ０９􀆱 ００ 因素 Ｂ０􀆱 ０２３２０􀆱 ０１１ ５１１􀆱 ５ 因素 Ａ０􀆱 ００９２０􀆱 ００４ ５４􀆱 ５ 因素 ＣΔ０􀆱 ００２２０􀆱 ００１ ０ 误差 ｅ０􀆱 ００２２ 总和０􀆱 ２１８ 根据表５ 得到 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ｂ 随各因素变 化的关系ꎬ如图 ３ 所示ꎬ温度升高ꎬ吸附常数 ｂ 减小ꎻ 煤粒径、含水量的增大ꎬ吸附常数 ｂ 呈阶段性变化ꎻ 变质程度增高ꎬ吸附常数 ｂ 增大ꎮ 图 ３ 吸附常数 ｂ 与多因素变化的关系 由 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 单分子层吸附模型及煤体表面能 原理推导出温度影响吸附常数 ｂ 的具体表达式[１] ｂ ＝ ｐ －１ [ｅｘｐｈ/ Ｔ′ － １]６ 式中ｈ 为煤体自身物理性能所决定的定值ꎬ与外界 温度无关ꎮ 由式６可知ꎬ温度升高ꎬＬａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ｂ 明显下降ꎬ文献[１５]也通过试验及理论推导证实吸 附常数 ｂ 与温度呈负相关ꎮ 含水量、煤粒径增大ꎬ吸 附常数 ｂ 呈阶段性变化与煤体自身的物理特性相 关[７]ꎻ煤变质程度增高ꎬ一定程度上增大了煤体内 表面对甲烷的吸附能力[１５]ꎬ致使 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ｂ 增大ꎮ ３􀆱 ３ 工程指导意义 井下采煤过程中ꎬ同一回采工作面煤体的变质 程度相差不大ꎬ但温度、含水量、粒径等因素时常会 发生较大变化ꎬ变质程度相同ꎬ则温度对煤体的甲烷 吸附量起主要控制作用ꎮ 若温度升高ꎬ打破了煤体 内部原来的吸附平衡状态ꎬ会导致煤体解吸瓦斯ꎬ瓦 斯解吸量 Ｑｔ [１６]可表示为 Ｑｔ/ Ｑ∞＝１ － ｅ －４π２Ｄ′ηｔ/ ｒ２０ ７ ３４ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 Ｑ∞＝ ａｂｐ/ １ ＋ ｂｐ － ０􀆱 １ａｂ/ １ ＋ ０􀆱 １ｂ ８ Ｄ′ ＝ ＺＴ/ ６πμｒ１９ μ ＝ α′Ｅ１０ 式中Ｑｔ为 ｔ 时间段内煤体的瓦斯解吸量ꎬｃｍ３/ ｇꎻ Ｑ∞为煤体的极限解吸量ꎬｃｍ３/ ｇꎻＤ′为瓦斯在煤体中 的扩散系数ꎬ ｍ２/ ｍｉｎꎻη 一般取 ０􀆱 ９６ꎻｒ０为煤样粒 径ꎬ ｍꎻＺ 为波尔兹曼常数ꎬ取 １􀆱 ３８０ ６５０ ５１０－ ２３ Ｊ/ Ｋꎻ Ｔ 为煤层温度ꎬ Ｋꎻμ 为煤的黏度ꎬ Ｐａ􀅱ｍｉｎꎻｒ１ 为瓦斯半气体分子的半径ꎬ ｍꎻα ′为黏膜系数ꎻＥ 为 煤体的弹性模量ꎬ Ｐａꎮ 联立式７式１０可得 Ｑｔ＝ ａｂｐ １ ＋ ｂｐ － ０􀆱 １ａｂ １ ＋ ０􀆱 １ｂ １ － ｅｘｐ－ ２πＺＴηｔ ３ｒ１α′Ｅｒ２ ０ 温度升高ꎬ煤体瓦斯的解吸量增大ꎬ由于煤吸附 甲烷存在时间效应ꎬ随温度升高ꎬ甲烷气体分子的活 性增强ꎬ分子动能增大ꎬ甲烷分子停留在孔隙表面的 时间减少ꎬ煤体表面吸附甲烷分子的覆盖率降低ꎬ另 一方面ꎬ温度升高ꎬ煤体孔隙表面吸附瓦斯的自由活 化能逐渐降低ꎬ瓦斯不能存在于孔隙表面ꎬ而是游离 到孔隙中ꎬ导致煤层中游离瓦斯集聚ꎮ 大量游离瓦斯若集聚在煤体松软处ꎬ在其某个 方向形成自由弱面ꎬ导致松软煤层瓦斯的原始压力 平衡状态受到破坏ꎬ从而在煤体孔隙中形成较大的 压力梯度及浓度梯度变化ꎬ则极易在松软煤体的自 由弱面引发煤与瓦斯突出ꎬ因此ꎬ井下采煤过程中ꎬ 温度、煤粒径等多因素变化时ꎬ首先要实时监测温度 变化ꎬ以防止温度突然变化诱发大量瓦斯解吸ꎬ导致 在松软煤体的自由弱面引发煤与瓦斯突出ꎮ ４ 结 论 １通过正交试验得到温度、含水量、粒径及变 质程度等多因素影响煤吸附甲烷的等温吸附曲线ꎬ 利用 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附模型对其进行拟合ꎬ拟合度较 高ꎬ表明多因素影响下煤样吸附甲烷过程满足 Ｌａｎｇ￣ ｍｕｉｒ 单分子层吸附理论ꎮ ２温度、含水量、粒径及变质程度等各因素对 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ａ 的影响程度由大到小依次为变 质程度、温度、粒径、含水量ꎬ变质程度对吸附常数 ａ 值的大小起主要控制作用ꎬ含水量的影响作用最小ꎻ 根据试验结果ꎬ提出了多因素影响下吸附常数 ａ 值 的计算式ꎮ ３各因素对 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 吸附常数 ｂ 的影响程度 由大到小依次为变质程度、含水量、温度、粒径ꎻ变质 程度增高ꎬ吸附常数 ｂ 增大ꎬ温度升高ꎬ吸附常数 ｂ 减小ꎬ含水量、粒径增大ꎬ吸附常数 ｂ 呈阶段性变化ꎮ ４井下工作面回采过程中ꎬ温度、含水量、煤粒 径等多因素变化时ꎬ首先要实时监测温度的变化ꎬ以 防止温度突然变化诱发瓦斯大量解吸ꎬ使煤体孔隙 形成较大的压力梯度及浓度梯度ꎬ导致在松软煤体 的自由弱面引发煤与瓦斯突出ꎮ 笔者仅进行了温 度、含水量、粒径及变质程度等多因素对煤吸附甲烷 特性影响的试验研究ꎬ由于样本量有限ꎬ其结论的普 适性仍需进一步研究ꎮ 参考文献 [１] 张天军ꎬ许鸿杰ꎬ李树刚ꎬ等.温度对煤吸附性能的影响[Ｊ].煤 炭学报ꎬ２００９ꎬ３４６８０２－８０５. [２] 钟玲文ꎬ郑玉柱ꎬ吴争荣ꎬ等.煤在温度和压力综合影响下的吸 附性能及气含量预测[Ｊ].煤炭学报ꎬ２００２ꎬ２７６５８１－５８４. [３] 谢振华ꎬ陈绍杰.水分及温度对煤吸附甲烷的影响[Ｊ].北京科 技大学学报ꎬ２００７ꎬ２９２４２－４４. [４] 李树刚ꎬ赵鹏翔ꎬ潘宏宇ꎬ等.不同含水量对煤吸附甲烷的影响 [Ｊ].西安科技大学学报ꎬ２０１１ꎬ３１４３７９－３８２. [５] 张占存ꎬ马丕梁.水分对不同煤种瓦斯吸附特性影响的试验研 究[Ｊ].煤炭学报ꎬ２００８ꎬ３３２１４４－１４７. [６] Ｈｕｅｏｎ ＮａｍｋｕｎｇꎬＸｕ Ｌｉ－ｈｕａꎬＹｏｕｎｇｓｈｉｎ Ｊｅｏｎ.Ｆｏｕｌｉｎｇ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｂｙ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｉｚｅ ａｎｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ＤＴＦＤｒｏｐ Ｔｕｂｅ Ｆｕｒｎａｃｅ[Ｊ].Ｃｌｅａｎｅｒ Ｃｏｍｂｕｓ￣ ｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｗｏｒｌｄꎬ２０１３ꎬ２６５２３１－２３２. [７] Ｔａｅ－Ｊｉｎ ＫａｎｇꎬＮａ－Ｈｙｕｎｇ ＪａｎｇꎬＨｙｕｎｇ－Ｔａｅｋ Ｋｉｍ.Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ｕｐｇｒａｄｅｄ Ｌｏｗ Ｒａｎｋ Ｃｏａｌ Ｌｉｇｎｉｔｅ － ＩＢＣ ｂｙ Ｃｈａｎｇｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｉｚｅ[Ｊ].Ｚｅｒｏ－Ｃａｒｂｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｋｙｏｔｏꎬ２０１０ꎬ３５６２２２－２２３. [８] 张天军ꎬ许鸿杰ꎬ李树刚.粒径大小对煤吸附甲烷的影响[Ｊ].湖 南科技大学学报ꎬ２００９ꎬ２４１９－１２. [９] 董金玉ꎬ杨继红ꎬ杨国香ꎬ等.基于正交试验的模型试验相似材 料的配比试验研究[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０１２ꎬ３７１４３－４８. [１０] 于怀昌ꎬ余宏明ꎬ刘汉东.基于正交试验与运动学的滚石防护 计算方法 Ｊ].煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５１５５－６０. [１１] 高富强ꎬ王兴库.岩石力学参数敏感性正交数值模拟试验[Ｊ]. 采矿与安全工程学报ꎬ２００８ꎬ２５１９５－９８. [１２] 李树刚ꎬ赵 勇ꎬ张天军.基于低频振动的煤样吸附/ 解吸特性 测试系统[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５７１１４２－１１４６. [１３] Ｌｅｖｙ Ｊ ＨꎬＤａｙ Ｓ ＪꎬＫｉｌｌＩｎｇｌｅｙ Ｊ Ｓ.Ｍｅｔｈａｎｅ Ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ ｏｆ Ｂｏｗｅｎ Ｂａｓｉｎ Ｃｏａｌｓ Ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ Ｃｏａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ[Ｊ].Ｆｕｅｌꎬ１９９７ꎬ７６９ ８１３－８１９. [１４] 降文萍ꎬ张庆玲ꎬ崔永君.不同变质程度煤吸附二氧化碳的机 理研究[Ｊ].中国煤层气ꎬ２０１０ꎬ７４１９－２２. [１５] 张庆玲ꎬ崔永君ꎬ曹利戈ꎬ等.煤的等温吸附实验中各因素影响 分析[Ｊ].煤田地质与勘探ꎬ２００４ꎬ３２２１６－１９. [１６] 陈向军ꎬ贾东旭ꎬ王 林.煤解吸瓦斯的影响因素研究[Ｊ].煤 炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４１６５０－５３. ４４