不同含水量对煤吸附甲烷的影响

图 3 煤样 2 在不同含水量下的吸附等温线 Fig． 3 Sorption isotherm of the2# sample coal in the different moisture
结合图 2，图 3 可以看出，同一种煤样随着其中含水量的增加，吸附甲烷的量逐渐减小。对于变质程 度不同的煤而言，随含水量的变化其吸附量有所不同，而且下降幅度也有所不同。
试样的吸附性能进行测试。
3 实验结果分析
3． 1 含水量对 Langmuir 体积的影响 实验采用 WY － 98B 型瓦斯常数测定仪，对制备好的煤样进行吸附等温线测试。实验气体选择甲烷。
经过大量实验得出了不同含水量下煤样的吸附等温线，如图 2，图 3 所示。
图 2 煤样 1 在不同含水量下的吸附等温线 Fig． 2 Sorption isotherm of the1# sample coal in the different moisture
湿的方法将所选试样进行加湿。试样中水分的含量利用烘干称重 1 机体 2，3，4，5 控制阀 6，7 吸附煤样罐
8 加热器 9 蒸馏瓶 10 玻璃三通
的方法进行测定。煤样吸附水分通过人为地向试样中通入水蒸汽
11 储气瓶 12 恒温水浴（ 95 ℃ ）
的方法予以实现。具体方法如图 1［10］。分别制出含水量为： 0% ，
3） 水的存在阻塞了甲烷分子进入微孔隙的通道。 可以看出，煤中水的存在不仅影响了煤对甲烷的吸附量，也对煤体吸附甲烷的难易程度有所影响。
2 试样的制备及实验方法
选取 2 种处于不同变质程度的原煤作为本实验的煤样，即崔家
沟 7#煤（ 煤样 1） 和天池煤（ 煤样 2） 。新鲜煤样采集后，先采用鄂式
破碎机对原煤样进行破碎，再将煤样用盘式粉碎机进一步破碎，最
表面附着的水； ②化合水是和煤中矿物成分相互结合呈化合形态存在的水。游离水又分为外在水分和内
在水分。外在水分则是附着在煤的表面和被煤表面的大毛细管吸附的水，外在水分以机械方式与煤相结
合，其能否散失仅与外界条件有关，而与煤质本身无关。把煤放在空气中干燥时，由于煤周围温度的影响
* 收稿日期： 2011 － 05 － 15 基金项目： 国家自然科学基金项资助项目（ 50874089） ； 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（ 20096121110002） ； 陕西省教 育厅科研计划项目（ 2010JK681） 通讯作者： 李树刚（ 1963 － ） ，男，甘肃会宁人，教授，博士生导师，主要从事煤矿安全及瓦斯防治技术方面的研究工作．
2） 吸附实验分析了 Langmuir 吸附常数 a，b 随含水量不同的变化趋势，利用线性回归对其进行拟合， 找到了其变化规律所满足的关系式，发现常数 a，b 的变化与煤本身的特性有着极为密切的关系。
R2 = 0． 992 R2 = 0． 998 R2 = 0． 998 R2 = 0． 983
从上述拟合结果可以看出，在本实验中选择的
水分范围内，Langmuir 吸附常数 a 与含水量之间满足以下关系
a = D0 W3 + D1 W2 + D2 W + D3 ．
（ 4）
式中 D0 ，D1 ，D2 ，D3 是由煤的自身特性所确定的常数项。
a = 0． 509 4W3 － 1． 675W2 － 3． 648 5W + 22． 31 R2 = 0． 998 3
表 3 吸附常数 b 与含水量的关系式 Tab． 3 Relationship between adsorption
constant b and moisture
煤样 煤样 1 煤样 2
根据实验结果，对 a 值随含水量 W 变化的关系 进行拟合并作图，结果如图 4 所示。由图可见，随 着含水 量 的 升 高，煤 对 甲 烷 的 吸 附 量 变 小，煤 的 Langmuir 常数 a 随含水量的增大而递减。拟合的 出的关系式见表 2．
表 1 煤样 1 和煤样 2 在不同含水量下 的吸附等温线拟合关系式
李树刚，赵鹏翔，潘宏宇，肖 鹏
（ 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054）
摘 要： 运用 Langmuir 单分子层吸附理论，分析了煤对甲烷吸附能力受其含水量的影响。利用
WY － 98B 型瓦斯常数测定仪，分别对 2 种煤样在不同含水量时吸附甲烷气体的等温吸附曲线、
Langmuir 压力、吸附常数 a，b 进行了定性与定量分析，得出了煤对甲烷吸附量随压力的变化关系
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加之其表面积几乎完全暴露于空气中，故外在水分很容易蒸发。蒸发过程到煤表面的水蒸汽压和空气的 相对湿度平衡时为止。内在水是煤的内部小毛细管所吸附的水，在常温下这部分水不能失去，只有加热 到一定温度才能失去。煤的内表面积愈大，小毛细管愈多，内在水分也愈多。
由于水分子与煤表面的作用力比较强，因此煤中水的存在对瓦斯气体吸附量的影响就较大［9］。水的 存在可能通过以下 3 方面影响煤对甲烷的吸附。
在一定范围内有所增加。
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4结论
1） 煤样在恒温、不同含水量条件下对甲烷的吸附实验表明，随含水量增加，煤对甲烷的吸附量逐渐下 降，其下降幅度与煤的变质程度有一定关系。Langmuir 单分子层吸附理论拟合实验表明，拟合过程中有 很高的拟合度，即含水煤样也满足 Langmuir 单分子层吸附理论。
．
（ 3）
式（ 1） ～ （ 3） 中 Q 为在压力 p 下煤的吸附量，cm3 / g ； VL为 Langmuir 体积，mL； PL为 Langmuir 压力，MPa； p
为平衡压力，MPa； a 为吸ห้องสมุดไป่ตู้常数，cm3 / g，当 p→∞ 时，即为饱和吸附量； b 为吸附常数，MPa － 1 ．
水在煤中主要以 2 种形态存在，即游离态和化合态［8］： ①游离水是煤内部毛细管吸附可自由移动或
1 吸附理论相关分析
煤对甲烷的吸附以物理吸附为主［7］，根据单分子层定位吸附模型，它符合 Langmuir 吸附方程，即
Q = VLP = abp ． PL + P 1 + bp
（ 1）
式中 VL，PL分别与 a，b 相对应，对式（ 1） 整理得式（ 2） （ 3） 。
a = VL，
（ 2）
b
=
1 PL
0． 7% ，1% ，1． 2% ，2． 13% ，4． 2% ，6． 05% 的煤样。
将制备好的试样装入 2 个吸附罐，放好密封圈，密封煤样，置于 WY － 98B 型瓦斯吸附常数测定仪中。
将吸附平衡时间设定为 3 h，水浴温度定为 20 ℃ ，初始吸附压力从 0． 6 MPa 逐渐递增至 4． 6 MPa，对含水
后将粉碎后的煤样用标准筛筛分成 60 ～ 80 目。
图 1 煤样吸附水分装置
为了讨论煤中水分对煤吸附甲烷的影响，首先要获得一定重量 Fig． 1 Device for the coal sample
并且含有水分的煤样。实验中称取 23 g 左右的煤样，并采用人工加
absorbing the moisture
图 4 吸附常数 a 随含水量的变化曲线 Fig． 4 Changes curve of adsorption constant a with moisture
图 5 吸附常数 b 随含水量的变化 Fig． 5 Changes curve of adsorption
constant b with moisture
拟合度 R2 = 0． 996 R2 = 0． 993 R2 = 0． 987 R2 = 0． 995
煤样 2
0 1． 05 2． 13 6． 05
X = 7． 112p / （ 1 + 0． 2p） X = 10． 214 4p / （ 1 + 0． 32p） X = 14． 018 5p / （ 1 + 0． 53p） X = 19． 496 4p / （ 1 + 0． 84p）
第 31 卷 第 4 期 2011 年 07 月
西安科技大学学报 JOURNAL OF XI’AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
文章编号： 1672 － 9315（ 2011） 04 － 0379 － 04
Vol． 31 No. 4 Jul. 2011
*
不同含水量对煤吸附甲烷的影响
拟合关系式 b = 0． 112W + 0． 699 2 b = 0． 104 4W + 0． 231 7
拟合度 R2 = 0． 986 3 R2 = 0． 967 1
通过表 3 中的拟合关系式可得到 Langmuir 吸附常数 b 与含水量在实验所选取的水分条件下满足以
下关系
b = B0W + B1．
1） 部分自由水通过润湿作用和煤表面相结合，占据了煤体表面上一定数量的吸附空位，从而对煤吸 附甲烷的有效面积有所影响，导致吸附量降低。
2） 处于液态下的自由水不能达到小孔隙内，但由于水有一定的蒸汽压，有少量的水分子以气体状态 存在于煤小孔隙中。这些气态水分子将和甲烷在同一活性点中心展开竞争吸附，致使甲烷的吸附量减 少。
第4 期
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对含水量不同的试样进行的整个测试过程，满 足 Langmuir 方程的原理，则不同含水量煤样的吸附 等温线可近似用 Langmuir 方程来表示。对实验结 果进行拟合所得到的关系 式 见 表 1． 拟 合 度 处 于 ［0． 983，0． 998］范围内，表中 X，p 分别代表吸附量 和平衡压力。 3． 2 含水量对 Langmuir 吸附常数 a 的影响
由于部分自由水和分解水通过润湿作用和煤表面相结合，占据了表面上一定数量的吸附空位，相应 减小了煤吸附甲烷的有效面积，故使得煤体的单层吸附量随着含水量的增加而降低。 3． 3 含水量对 Langmuir 吸附常数 b 的影响
根据实验结果，Langmuir 吸附常数 b 值随水分 W 变化的关系结果如图 5 所示。由该图可知，吸附常 数 b 随含水量的增大其变化近似于线性增加，但均较小。拟合关系式见表 3．
（ 5）
式中 B0 ，B1 是由煤的自身特性所确定的常数项。 当水为液态时，其不能到达小孔隙内，但水有一定的蒸汽压，有少量的水分子以气体状态存在于煤小
孔隙中，加之由于煤表面对水的吸附作用大于对甲烷的吸附作用，这些气态水分子将和甲烷在同一活性
点中心展开竞争吸附，而随着含水量的不断增大，煤体表面上甲烷的分压逐渐减小，进而导致吸附常数 b
煤样 煤样 1 煤样 2
表 2 吸附常数 a 与含水量的关系式 Tab． 2 Relationship between adsorption
constant a and moisture
拟合关系式
拟合度
a = 0． 264 1W3 － 1． 590 2W2 － 2． 088 1W + 35． 56 R2 = 0． 997 6
式及 Langmuir 吸附常数 a，b 随煤样内水含量变化的关系式。研究结果表明： 含水煤样依然满足
Langmuir 单分子层吸附理论，吸附常数 a，b 与煤样中含水量的变化之间存在着一定相关性。
关键词： 吸附常数； 含水量； 甲烷
中图分类号： TD 712． 6
文献标志码： A
0引言
煤炭的大规模开采，使得矿井工作面瓦斯涌出量急剧上升，煤矿瓦斯事故频发，严重威胁着矿井安全 生产。从防止瓦斯灾害，保障煤矿安全生产角度来说，需要准确测定煤层原始瓦斯含量等基础参数［1 － 3］。 只有掌握了详实的煤层瓦斯赋存情况，才可采取正确有效的防治措施。目前，国内外对煤层瓦斯含量的 测定主要采用间接法［4 － 6］。本文中采用实验测试和分析的方法，研究固定温度（ 20 ℃ ） 条件下不同含水量 对煤吸附甲烷的影响。研究煤在含有水分条件的吸附机理及其特性，对于完善间接法测定瓦斯含量有重 要的意义。
Tab． 1 Sorption isotherm relationship of 1# and 2# sample coals in the different moisture
煤样 煤样 1
水分 0
0． 7 1． 2 4． 2
拟合关系式 X = 14． 947 7p / （ 1 + 0． 67p） X = 15． 096 9p / （ 1 + 0． 79p） X = 14． 104p / （ 1 + 0． 86p） X = 17． 608 8p / （ 1 + 1． 16p）