摘 要：煤體瓦斯解吸過程與吸附過程相比不具有完全可逆性，解吸相對吸附存在遲滯特征，需要對瓦斯解吸遲滯特征及其相關(guān)影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究。在合理選擇擬合模型的基礎(chǔ)上，利用煤體瓦斯吸附與解吸動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置分別開展了煤樣在不同變質(zhì)程度、不同含水率、不同溫度和不同粒徑下的瓦斯吸附和解吸實(shí)驗(yàn)，得到了瓦斯吸附和解吸曲線，計算了不同條件下煤體瓦斯的解吸遲滯系數(shù)。結(jié)果表明：隨著變質(zhì)程度增加，瓦斯解吸遲滯系數(shù)和遲滯面積先減小后增大，解吸遲滯程度呈現(xiàn)“U”型變化;隨著煤樣水分含量增大，瓦斯解吸遲滯系數(shù)和遲滯面積減小，瓦斯解吸遲滯程度減弱;隨著實(shí)驗(yàn)溫度升高，瓦斯解吸遲滯系數(shù)和遲滯面積減小，瓦斯解吸遲滯程度減弱;隨著煤樣粒徑減小，瓦斯解吸遲滯系數(shù)和遲滯面積減小，瓦斯解吸遲滯程度減弱。解吸遲滯特征會對瓦斯含量直接法測定和吸附常數(shù)測定產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　關(guān)鍵詞：吸附;解吸;遲滯特征;變質(zhì)程度;孔隙結(jié)構(gòu)

　　《石油石化綠色低碳》(雙月刊)原名《石油石化節(jié)能與減排》，由中國石油化工集團(tuán)公司主管、中國石油化工集團(tuán)公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院主辦的科技學(xué)術(shù)期刊。

　　引 言

　　我國煤層氣(礦井瓦斯)資源豐富[1]，煤層氣既是煤礦安全的重大隱患，也是一種高效能資源[2]。開采煤層氣不僅能緩解能源壓力，也可以為井下安全生產(chǎn)提供保障。隨著開采技術(shù)和裝備發(fā)展，開采水平不斷延伸，深部煤層呈現(xiàn)高地應(yīng)力、高瓦斯壓力和低滲透性，煤層氣的相關(guān)特征也會隨之受到影響[3]。煤是一種多孔固體介質(zhì)，自身結(jié)構(gòu)和所處環(huán)境復(fù)雜，不同因素會導(dǎo)致煤體瓦斯吸附解吸性能特征不同。目前很多學(xué)者從變質(zhì)程度、溫度、時間、含水量、揮發(fā)分等宏觀以及孔隙結(jié)構(gòu)等微觀因素針對煤層瓦斯吸附解吸規(guī)律做出研究[4-7]。張強(qiáng)采用多種實(shí)驗(yàn)手段分析不同變質(zhì)程度煤樣的含氧官能團(tuán)規(guī)律和微觀孔隙結(jié)構(gòu)，獲得了一些關(guān)鍵參數(shù)，討論了變質(zhì)程度對煤體吸附解吸特性的影響[8]。田永東等從儲層溫度、儲層壓力、水分類型等多方面因素條件探究了煤的吸附性能的改變情況[9]。李樹剛等分析了不同含水量煤樣的瓦斯吸附常數(shù)，討論了不同含水量對煤中瓦斯吸附能力的影響[10]。

　　煤層氣的運(yùn)移機(jī)理是一個復(fù)雜過程，包括解吸-擴(kuò)散-滲流三方面[11]。在研究過程中，大多數(shù)人認(rèn)為煤體瓦斯解吸的過程是吸附的逆過程，因此大部分研究集中在瓦斯吸附規(guī)律，對于瓦斯解吸的遲滯現(xiàn)象研究甚少。實(shí)際現(xiàn)象表明，煤層瓦斯在煤中的等溫吸附與等溫解吸過程并非完全可逆過程，解吸過程相對吸附過程出現(xiàn)滯后，呈現(xiàn)遲滯現(xiàn)象[12-13]。從1966年R.B.Anderson等[14]利用體積法繪制出了煤層中不同氣體的吸附解吸等溫曲線并從中發(fā)現(xiàn)滯后現(xiàn)象開始，解吸遲滯效應(yīng)就逐漸為人所知。Busch等選擇多種煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)煤樣均存在解吸遲滯現(xiàn)象，不同煤樣的解吸曲線各有差異，呈現(xiàn)2種分類[15]。張遂安等從多角度分析煤中瓦斯吸附-解吸機(jī)理及其可逆性，并利用不同氣體進(jìn)行了物化模擬實(shí)驗(yàn)，提出甲烷分子解吸需要能量，因此解吸過程具有不同程度的滯后性[16]，王公達(dá)等提出了解吸遲滯效應(yīng)的定量評價指標(biāo)——解吸遲滯系數(shù)，并討論了吸附壓力和煤樣粒徑對遲滯現(xiàn)象的影響，進(jìn)一步總結(jié)了遲滯現(xiàn)象的機(jī)理和影響[17]。向衍斌等針對煤粒瓦斯擴(kuò)散特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為應(yīng)考慮煤粒形狀和解吸遲滯現(xiàn)象對瓦斯擴(kuò)散特性的影響，瓦斯在煤粒中的擴(kuò)散具有衰減特征，需要更為準(zhǔn)確描述擴(kuò)散運(yùn)移過程[18]。王飛從溫度、壓力、粒徑等多方面進(jìn)行吸附和脫附實(shí)驗(yàn)并引入遲滯量和遲滯比的觀點(diǎn)，從微觀孔隙結(jié)構(gòu)角度提出瓦斯脫附遲滯機(jī)制、建立系統(tǒng)的評價指標(biāo)[19]。聶雷選取多種煤樣進(jìn)行壓汞和液氮實(shí)驗(yàn)，分析煤質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)特征和分形特征并進(jìn)行瓦斯吸附-解吸遲滯實(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究[20]。

　　針對國內(nèi)外學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)解吸遲滯現(xiàn)象是普遍存在的，但是目前對于解吸滯后效應(yīng)的深入研究少之甚少，缺乏系統(tǒng)的有針對性的探究。而解吸滯后效應(yīng)對煤層瓦斯含量的確定及吸附常數(shù)影響明顯，對于精確預(yù)測煤層瓦斯含量等工作具有非常重要的意義，所以文中在選取不同變質(zhì)程度煤樣的基礎(chǔ)上擬對煤層瓦斯解吸遲滯特征的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究。

　　1 解吸遲滯定量評價方法

　　繪制等溫吸附曲線和等溫解吸曲線是表征吸附解吸能力最直觀簡潔的方式，而不同擬合模型的選擇會影響到曲線的形態(tài)和精確度，所以選擇合適的擬合模型尤為重要。目前針對瓦斯吸附和解吸有多種廣泛使用的模型，見表1.利用表1中不同模型對來自不同國家不同地區(qū)學(xué)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并將結(jié)果進(jìn)行擬合度對比，見表2.可以看出Langmuir吸附模型具有更高的擬合度和穩(wěn)定性;馬東民提出的解吸方程也具有最佳相關(guān)系數(shù)，能更真實(shí)的反映煤中瓦斯的解吸規(guī)律[21]。因此選擇Langmuir吸附模型和解吸方程模型分別對實(shí)驗(yàn)所得吸附數(shù)據(jù)和解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理。

　　確定擬合模型之后，可以用遲滯系數(shù)[20]來定量分析瓦斯解吸遲滯效應(yīng)，如式(1)和圖1所示。

　　式中 S遲為遲滯面積;S理為理想狀態(tài)完全不可逆面積;xmax為最大吸附壓力;

　　f解吸(x)為等溫解吸曲線的表征模型;f吸附(x)為等溫吸附曲線的表征模型。

　　2 煤中瓦斯解吸遲滯實(shí)驗(yàn)研究

　　2.1 瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)

　　2.1.1 實(shí)驗(yàn)方案

　　選取園子溝煤礦、許疃煤礦、雙柳煤礦和新景煤礦的煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(后文均用縮寫YZG，XT，SL，XJ代替)。參照GB/T 477—2008《煤樣篩分實(shí)驗(yàn)方法》并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，將從煤礦現(xiàn)場取回的大塊煤樣用破碎機(jī)進(jìn)行破碎處理，按照不同粒徑進(jìn)行篩分。煤樣的基本物性參數(shù)見表3.

　　實(shí)驗(yàn)方案為

　　1)上述4種煤樣依次為長焰煤、肥煤、焦煤和無煙煤，屬于不同變質(zhì)程度煤。選取上述4種煤樣進(jìn)行瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)，粒徑均為0.2～0.25 mm，實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃，煤樣均干燥。

　　2)選擇含水率分別為0%，1.5%，3%，5%的YZG煤樣進(jìn)行瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)，粒徑在0.2～0.25 mm之間，實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃.

　　3)選取SL煤樣在溫度為30，35，40，45 ℃的條件下分別進(jìn)行瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)，煤樣均干燥，粒徑在0.2～0.25 mm之間。

　　4)選取0.074～0.2，0.2～0.25，0.25～1，1～3 mm 4個粒徑段的XJ煤樣分別進(jìn)行瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)。煤樣均干燥，實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃.

　　2.1.2 不同含水率煤樣制備

　　第1步：將煤樣放入到真空干燥箱中進(jìn)行抽真空操作，并將干燥箱的溫度調(diào)節(jié)到110 ℃，維持一個真空恒溫的環(huán)境之后真空干燥至少8 h.結(jié)束之后將一部分干燥基煤樣迅速裝入密封袋以進(jìn)行干燥煤樣的實(shí)驗(yàn)。