煤吸附甲烷能力影响因素分析

煤吸附甲烷能力影响因素分析
作者：冯松宝刘瑞余磊
来源：《科技创新与应用》2015年第09期
摘要：传统的煤成气理论认为，煤对甲烷的吸附能力主要受煤层温度和压力等因素的影响。

近年来国内外的一些相关研究对该传统理论提出了不同的看法。

文章在总结前人研究成果的基础上，从煤的粒径、煤层温度和压力、煤中水类型及水含量和煤的显微组分方面阐述了影响煤吸附甲烷的因素。

一般认为，煤的主体是交联的有机大分子网状结构，网状结构会促使煤岩表面发育大量的超微裂隙和气孔构造，为甲烷提供更多的储集场所。

高压和高温会使煤岩表面产生许多裂纹与空隙，甲烷更容易赋存在裂纹与空隙中。

高温高压也会加快煤的变质速率，煤变质程度越高，甲烷含量越大。

高压也会使甲烷在水中的溶解度变大，流水作用可以带走大量的甲烷。

另外，吸附在煤岩的裂隙与孔隙的水还会减弱煤对甲烷的吸附能力。

关键词：煤；甲烷；温度；压力；显微组分；吸附能力
引言
传统的煤成气理论认为，煤对甲烷吸附能力主要受煤层温度和压力等因素影响。

随着近年来国内外的一些相关研究，这一传统理论不断得到完善。

如李树刚等[1]、陈学习等[2]和张天军等[3]将煤样放在温度不变，不同含水量的条件下进行试验发现，随着含水量增加，煤对甲烷的吸附量不断减少；蔺亚兵等[4]认为，在恒温下，煤级不同会导致煤吸附甲烷的含量不同，这主要是由于温度变化引起煤岩粒径发生变化；张时音等[5]则认为，煤级不同会导致煤岩孔隙结构发生变化，从而影响吸附扩散系数，当煤岩表面过渡孔和微孔的数量增多时，吸附扩散速率就会变小。

许满贵等[6]发现，压力也会影响煤体吸附能力，压力大会使煤岩粒径大小发生剧烈的变化，煤的吸附量也会随之发生变化。

可以看出，煤对甲烷吸附能力是受多种因素的影响。

为此，笔者依照近十年来的文献资料，对该领域的研究进展与成果进行总结，并根据其发展的趋势提出自己的看法。

1 煤的粒径对煤体吸附能力的影响
煤孔隙表面对甲烷具有很强的吸附能力，其中物理吸附占主导，甲烷的吸附量与煤的孔隙体积以及孔隙表面积的大小有关[7]。

对煤的吸附机理及特性进行研究，可以为煤和煤成气勘探开发提供重要的理论依据。

前人对粒径影响煤体吸附性能的研究发现，在煤体孔隙的比表面积中，微孔的吸附是最主要的[8]。

张天军等[7]采集几种高瓦斯矿井的煤样，分别制成了粒径大小不同的五种试样，使用WY-98B吸附常数测定仪，在同一温度下进行试验，发现煤的粒径在0.096 0.150mm的范围内时，随着粒径的变小煤的吸附量增大。

理论上认为，煤对甲烷的吸附能力与孔隙度、空隙比表面积和微孔比表面积均呈正相关关系。

煤的比表面积增大是由于粒径减小，比表面积增大使甲烷吸附位增多，甲烷吸附量变大，但当粒度过小时，颗粒内部空间遭到破坏，煤的比表面积就不会发生显著变化，甲烷的吸附量就不会有改变。

此外，煤岩颗粒
的分选性也会影响煤体吸附能力，如果煤岩颗粒分选性差，颗粒间被大量的泥质或砂质充填，会阻塞煤岩的孔隙和裂隙，吸附能力下降[9]。

笔者通过前期研究认为，煤中的粒径还受到煤岩的结构影响。

煤主体是交联的有机大分子网状结构，网状结构会使煤岩表面产生许多裂隙和气孔构造，为甲烷提供大量的储存空间。

同时，煤岩表面的网状结构可以增加甲烷分子和碳分子之间剩余的表面自由力，当气体分子碰到煤表面时，其中一部分就被吸附。

2 煤层的温度和压力对吸附能力的影响
甲烷的临界温度是196.6K，临界压力是4.54MPa，在常温下为超临界气体，即使高压也不可液化，它的吸、脱附平衡是典型的不可冷凝气体吸附平衡，形成超临界气体吸附，称为高压吸附。

大量实验证明，等温情况下煤岩不同压力的吸附解吸现象基本符合朗格缪尔（Langmuir）等温吸附方程。

在高压状态下，煤对甲烷的吸附符合朗格缪尔（Langmuir）方程。

随着煤层埋藏深度不断增加，温度与压力是煤吸附甲烷主要影响因素。

煤层压力增大时会促使煤化学反应，导致煤岩中部分烷基侧链断裂，断裂的侧链烷基与氢结合易生成以甲烷为主的烷烃。

高温和高压会使煤岩表面产生许多裂纹与空隙，甲烷更容易赋存在裂纹与空隙中。

除此之外，高温高压可能会加快煤的变质速率，煤的变质程度越高，含氧官能团越少，含氧官能团减少会增强煤的的疏水性，储存在裂隙和孔隙中的水量变小为甲烷提供更多的赋存场所。

3 煤中水类型及水含量对吸附能力的影响
水在煤中主要以两种形态存在，即游离态和化合态。

李树刚等[1]利用WY-98B型瓦斯常数测定仪进行实验，结果表明，煤岩中含水量越大，煤对甲烷的吸附量越小。

降文萍等[16]运用量子化学MP2计算方法，研究结果表明，甲烷分子在煤表面吸水方式使煤表面对水分子的吸附势阱远大于甲烷分子的吸附势阱，煤对甲烷的吸附量随煤中水分的含量增加而减小。

值得注意的是，地下水与甲烷共存于煤层之中，由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中甲烷的运移；另一方面又带动溶解于水中的甲烷一起流动。

尽管甲烷在水中的溶解度很小，但是在地下深处压力特别大的地方，甲烷能大量溶解水里，特别是在地下水交换活跃的地区，水能从煤层中带走大量的甲烷气体，使甲烷含量明显减少。

同时，水吸附在煤岩的裂隙和孔隙中，使煤岩的表面张力变大，特别是水中溶解了大量可溶性物质元素使表面张力更大，导致甲烷进入煤岩的孔隙的阻力变大，减弱了煤对甲烷的吸附能力。

因此，地下水的活动不利于煤对甲烷的吸附。

4 煤的显微组分对吸附能力的影响
镜质组与壳质组和惰质组相比，氧含量较高，氢含量中等，挥发分中等，碳含量低。

在高温高压的环境中，镜质组可生成少量的油和较多的甲烷。

虽然前人研究发现，在一定条件下，惰质组吸附能力高于镜质组，但是镜质组中的均质镜质体裂隙发育，并且镜质体的网状结构发育，可以为甲烷提供很好地储集场所。

同时，一个甲烷分子是由一个碳原子和四个氢原子组
成，因此要产生大量的甲烷必须要有足够的氢原子，而镜质组中氢含量比惰质组中的高，则在一定条件下，镜质组中的氢原子与碳原子结合形成甲烷后，消耗大量的氢原子，为甲烷提供储存空间。

5 结束语
虽然国内近年来在煤对甲烷吸附能力的影响因素的研究领域里取得了丰硕的成果，该领域的理论体系得到不断地完善，但这些成果基本都是在定性的研究煤对甲烷吸附能力的影响。

此外，植物从死亡、堆积到变质成煤再到生气要经历漫长的地质历史时期。

由于自然过程的影响因素复杂，加之时间的漫长性与空间的广泛性以及现代实验技术水平的限制，在地球科学中有时很难进行与自然界一致的真实实验，因此，目前得出煤对甲烷吸附的各种影响因素有很大的误差。

笔者认为应注重煤化学、煤岩学煤、煤中矿物学和地质构造学的综合研究，在研究各影响甲烷吸附能力的因素的基础上，建立模糊综合评价模型，定量评价煤对甲烷的吸附能力，可以有效地预测煤层中吸附气的含量。

参考文献
[1]李树刚，赵鹏翔，潘宏宇，等.不同含水量对煤吸附甲烷的影响[J].西安科技大学学报，2011，31（4）：379-382.
[2]陈学习，陈绍杰，马尚权.不同水分条件下煤吸附甲烷模型的探讨[J].煤矿安全，2010，41（3）：89-91.
[3]张天军，许鸿杰，李树刚，等.温度对煤吸附性能的影响[J].煤炭学报，2009，34（6）：802-805.
[4]蔺亚兵，马东民，刘钰辉，等.温度对煤吸附甲烷的影响实验[J].煤田地质与与勘探，2012，40（6）：24-28.
[5]张时音，桑树勋.不同煤级煤层气吸附扩散系数分析[J].中国煤炭地质，2009，21（3）：24-27.
[6]许满贵，马正恒，陈甲，等.煤对甲烷吸附性能影响因素的实验研究[J].矿业工程研究，2009，24（2）：51-54.
[7]张天军，许鸿杰，李树刚，等.粒径大小对煤吸附甲烷的影响[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2009，24（1）：9-12.
[8]钟玲文，张慧，员争荣，等.煤的比表面积孔体积及其对煤吸附能力的影响[J].煤田地质与勘探，2002，30（3）：26-28.
[9]周鸿璞，李振涛，白小虎.煤吸附甲烷能力的影响因素研究进展[J].西部探矿工程，2012，24（7），169-172.
[10]谢建林，郭勇义，吴世跃.常温下煤吸附甲烷的研究[J].太原理工大学学报，2004，35（5）：562-564，567.
作者简介：冯松宝（1982-），男，安徽宣城人，博士，讲师，主要从事有机地球化学、油气成藏研究。