中变质煤小分子相对煤的吸附及渗流特性影响

发布时间：2020-03-01 15:42

【摘要】：为研究煤中小分子对煤的瓦斯吸附及流动特性的影响,采用四氢呋喃溶剂萃取煤中可溶有机小分子,得到萃取后煤样(残煤)。对原煤和残煤分别进行甲烷等温吸附、解吸实验和径向渗流实验;同时,采用氮气吸附法测试了它们的孔隙结构参数。结果表明,残煤的饱和吸附量a值低于原煤,吸附常数b值增大,萃取小分子降低了煤对甲烷的吸附能力,提高了低压段(4 MPa)煤对甲烷的解吸速率;原煤的孔体积和平均孔径高于残煤,比表面积和微孔孔体积却减少;萃取后,煤粒表面传质阻力和扩散阻力均减小,残煤甲烷解吸速率和解吸量均高于原煤;同一渗流条件下,残煤的渗透率明显高于原煤。分析认为,煤中部分小分子被溶解后,煤孔隙结构的改变,降低了煤对瓦斯的吸附能力,减小了甲烷在煤粒中的内外扩散阻力,扩大了瓦斯在煤中的流动通道,改变了煤层储运特性,为煤储层的化学增透提供依据。
【图文】：

谧孕醒兄频氖笛槠教ㄉ辖鈉?的，测试流经煤体进出口气体的压力和流量，即可计算出样品的渗透率，系统测试的最大相对标准误差为3．94%［12］。实验系统及操作步骤参考文献［13，14］。2结果与讨论2．1煤中小分子对瓦斯吸附特性的影响一般认为煤吸附瓦斯符合Langmuir方程:Q=abp1+bp(1)式中，Q为某压力下的吸附量(cm3/gdaf);a为吸附常数，表示单位质量煤的饱和吸附量(cm3/gdaf);b为吸附常数，MPa－1;p为平衡压力。利用式(1)回归分析，结果见表2。原煤与残煤30℃甲烷等温吸附曲线见图1。表2原煤和残煤回归分析Table2SorptionparametersbyLangmuirequationforrawcoalsandtheirresiduesCoalsamplea/(cm3·g－1)Increment/%b/MPa－1Increment/%Ｒ2ZJNo．9rawcoal23．287910．230．5362－23．890．9925residualcoal20．90560．66430．9932GBNo．8rawcoal21．01865．550．6571－5．140．9972residualcoal19．85290．69090．9976由图1和表2可知，原煤和残煤吸附甲烷均可用Langmuir方程来描述，其拟合相关系数均大于0．99。萃取后，煤吸附甲烷的能力低于原煤，特别是当平衡压力高于2MPa时，吸附曲线出现明显分离，萃取后煤的吸附量略高于残煤，结果与相关学者研究类似［7，9，15］。由饱和吸附量b的变化也可以看出，张集9煤饱和吸附量a下降了10．23%，涡北8煤饱和吸附量下降了5．55%。四氢呋喃萃取后，张集残煤饱和吸附量的降幅高于涡北残煤，这与它们的萃取率相一致(煤样的萃取率见表1)。图1原煤与残煤30℃甲烷等温吸附曲线Figure1Methaneisothermsofrawcoalsandtheirresiduesat30℃吸附常数b值一般表示低压下(＜4MPa)吸附曲线的斜率，它的大小与瓦斯从煤层中解吸出来的速率?

BJH法算得的)均增大(Table3)，充分说明游离或者镶嵌于煤高分子主体结构的部分有机小分子被溶解后，在一定程度上起到扩孔、增孔的作用，这与前人［7，8］的研究结果一致。而比表面积和微孔孔体积减少可能是残煤的饱和吸附量低于原煤的重要原因之一。2．3煤中小分子对瓦斯放散特性影响为了考察四氢呋喃萃取对瓦斯放散过程的影响，在30℃，不同吸附平衡压力(0．38、0．72和1．41MPa，均为表压，此压力为预充气压力平衡后压力，为了对比，后期样品平衡压力均控制在此系列压力)下，测试各样品的瓦斯解吸量，其结果见图2。由图2可知，平衡压力越大，瓦斯解吸量越大，即平衡压力是煤解吸量的主控因素之一。相同压力下，残煤的解吸量均高于原煤，且残煤解吸量不变的时间也早于原煤，说明萃取后，孔隙结构相较于原煤趋于简单化，有利于瓦斯解吸，而且萃取后煤样的解吸量高于原煤，说明残煤解吸更彻底，不可解吸量更少。图2原煤和残煤的解吸曲线Figure2Desorptioncurvesofrawcoalsandtheirresidues□，○，△:rawcoal;■，●，▲:residualcoal□，■:0．38MPa;○，●:0．72MPa;△，▲:1．41MPa图3为不同平衡压力下瓦斯解吸速率曲线。由图3可知，吸附平衡压力越大，初始解吸速率越大。而且解吸速率均随时间延长逐渐减小，在10min之后，不同平衡压力，无论原煤还是残煤，，它们的解吸速率都趋于一致，而且解吸速率衰减非常快。萃取后，特别是前3min，残煤的解吸速率明显高于原煤，这说明煤中小分子化合物被溶解后，有利于瓦斯从煤中解吸。研究表明，在煤粒较小孔隙中，瓦斯流动符合Fick扩散定理［16，17］。假设煤颗粒为均质、各项同性的;煤粒在吸附-解吸过程中不变形;瓦斯流动过程中符合连续性原理和质量守?

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