1、 專題講座 煤層的甲烷吸附含量的測定 1 煤層瓦斯含量 指煤層內單位重量或單位體積的煤在自然條件下所含的瓦斯量(標準狀況下的m3數)。它的單位是m3/t煤或m3/m3煤。 準確計算煤層瓦斯含量對于提高瓦斯預測預報的準確性，礦井的瓦斯治理，及礦井設計生產和瓦斯資源評估都具有重要意義。2煤的游離瓦斯含量 (m3/t煤)式中 V煤的孔隙容積(大于微孔孔隙的容積)，m3/t煤；P瓦斯壓力，kPa；T0標準狀況下的絕對溫度(273K)；T瓦斯的絕對溫度，T273+t，為瓦斯的攝氏溫度；P0標準狀況下的壓力，等于101.3kPa；瓦斯的壓縮系數(表2-5)。3煤的吸附瓦斯含量 煤是多孔介質，內表面積很大，

2、每克煤有數十至200m2，其中微孔表面積占絕大多數，吸附瓦斯量主要取決于微孔隙表面積、瓦斯壓力與溫度。煤的吸附瓦斯服從蘭格繆爾吸附方程。按蘭格繆爾方程計算并考慮煤中水分、可燃物的百分比，溫度的影響：式中 p瓦斯壓力，kPa；a在該溫度下，極限吸附量，m3/t可燃物；b取決于溫度和煤的吸附性能常數，kPa-1。4 A,W煤中的灰分與水分，%； e自然指數，e2.718； t0，t實測a,b常數時的溫度和煤層溫度， n系數， 煤的瓦斯含量 煤層瓦斯含量等于吸附含量與游離含量之和： XXyXx 實測表明，在目前開采深度(10002000m以內)煤層的吸附瓦斯占8895%，而游離瓦斯占512%。5煤的

3、吸附常數a、b的測定一、定義 吸附常數，表示在給定溫度下，單位質量固體的表面飽和吸附氣體時，吸附的氣體體積，一般為1555；吸附常數，一般為0.55.0。6煤的甲烷吸附量測定方法(高壓容量法) MTT 7521997中華人民共和國煤炭工業部19971230批準 19980601實施 7 前言本標準以國內新型結構類型的實驗裝置為基礎，規定了傳統的容量法測定煤的郎格繆(Langmuir)吸附等溫線和解吸等溫線方法，規定了統一的實驗條件，保證高壓甲烷吸附量測定結果的可比性和準確性。本標準的附錄A、附錄B、附錄C和附錄D都是標準的附錄。本標準由煤炭工業部科技教育司提出。本標準由煤炭工業部煤礦安全標準化

4、技術委員會歸口。本標準由煤炭科學研究總院撫順分院負責起草。本標準主要起草人：楊思敬、寧德義、劉云生。本標準委托煤炭工業部煤炭科學研究總院撫順分院負責解釋。81 范圍 本標準規定了用高壓容量法測定煤的甲烷吸附量的測定原理、測定裝置、測定方法、測定步驟、精密度和結果表述等。 本標準適用于測定煤及其他吸附劑。92 引用標準 下列標準包含的條文，通過在本標準中引用而構成本標準的條文。本標準出版時，所示版本均為有效。所有標準都會被修訂，使用本標準的各方應探討使用下列標準最新版本的可能性。 GBT 2111996 煤的全水分的測定方法 GBT 2121996 煤的工業分析方法 GBT 2171996 煤的

5、真相對密度測定方法103 測定原理 煤中大量的微孔內表面具有表面能，當氣體與內表面接觸時，分子的作用力使甲烷或其他多種氣體分子在表面上發生濃集，稱為吸附。氣體分子濃集的數量漸趨增多，為吸附過程；氣體分子復返回自由狀態的氣相中，表面上氣體分子數量漸趨減少，為脫附過程。 表面上氣體分子維持一定數量，吸附速率和脫附速率相等時，為吸附平衡。11煤對甲烷的吸附為物理吸附。 當吸附劑和吸附質特定時，吸附量與壓力和溫度呈函數關系，即 (1) 當溫度恒定時： (2) 式(2)稱為吸附等溫線，在高壓狀態下符合郎格繆爾(Langmuir)方程： (3) 12式(3)變換后得一直線方程： (4)式中：T溫度，； P

6、壓力，MPa； Xp壓力下吸附量，cm3g； a吸附常數，當p時，Xa，即為飽和吸附量，cm3g； b為吸附常數，MPa-1。134 測定裝置41 實驗裝置 實驗裝置結構如下圖所示。主要部件和規格如下a)吸附罐：容積50cm3，工作壓力8MPa，耐壓16MPa；b)高壓截止閥：工作壓力16MPa，耐壓25MPa。密封處要求耐低壓4MPa；c)固態壓力傳感器：測量范圍為08MPa，精度為02；d)飽和食鹽水量管：容積500cm3，分度5cm3，帶水準瓶；e)充氣罐：容積為吸附罐的14倍，耐壓16MPa；f)水??；g)真空系統：20mm40mm玻璃管，帶玻璃活塞及真空硅管；h)高純甲烷氣：壓力15

7、 MPa，甲烷濃度不低于99。 141玻璃活塞；2飽和食鹽水量管；3真空管系；4放氣閥；5真空抽氣控制閥；6旋片式真空泵；7高壓截止閥；8真空軌管；9吸附罐控制閥；10固態壓力傳感器；11吸附罐；12電線；13復合真空計；14水浴；15高壓空氣閥；17充氣罐控制閥；18銅管或軟膠管；19超級恒溫器；20充氣罐；21多路信號調理器；22高壓氣源 1542 輔助設備 a)復合真空計； b)恒溫器：恒溫和控溫01001； c)多路信號調理器：壓力傳感器二次儀表； d)動槽式氣壓計； e)標準量管；容積200cm3，分度05cm3； f)球磨機； g)干燥箱； h)標準篩； i)精密天秤，感量0000

8、1 g。165 測定方法 高壓容量法測定煤的甲烷吸附量的方法是：將處理好的干燥煤樣，裝入吸附罐，真空脫氣，測定吸附罐的剩余體積，向吸附罐中充入或放出一定體積甲烷，使吸附罐內壓力達到平衡，部分氣體被吸附，部分氣體仍以游離狀態處于剩余體積之中，已知充入(放出)的甲烷體積，扣除剩余體積的游離體積，即為吸附體積。重復這樣的測定，得到各壓力段平衡壓力與吸附體積量，連接起來即為吸附等溫線。 17 當壓力由低向高采取充入甲烷氣體方式測試時，得到吸附等溫線；反之，壓力由高向低采取放出甲烷氣體方式測試時，得到解吸等溫線。 吸附和解吸等溫線在高壓狀態下是可逆的，測定二者之一，在應用上是等效的。 186 測定步驟6

9、1 測定前準備工作611 煤樣處理 a)采集煤層全厚樣品(或分層)，除去矸石，四分法縮分成1 kg，標準采樣要素，裝袋，備用； b)取送樣的一半全部粉碎，通過017025 mm篩網，取017025 mm間的顆粒，稱出100g，放入稱量皿。其余煤樣分別按GBT 217、GBT 211、GBT 212測定水分(Mad)、灰分(Ad，Aad)、揮發分(Vdaf)和真密度TRD20等；19 c)將盛煤樣的稱量皿放入干燥箱，恒溫到100，保持1 h取出；放入干燥器內冷卻； d)稱煤樣和稱量皿總質量G1，將煤樣裝滿吸附罐，再稱剩余煤樣和稱量皿質量G2，則吸附罐中的煤樣質量G為： (5) 煤樣可燃物質量Gr

10、為： (6)20 (7) 式中：Ad干燥基灰分，； Aad分析基灰分，； Mad分析基水分，。21612 吸附罐體積測定 吸附罐體積(Vs)包括吸附罐體積和壓力表、接頭、閥門、連通管的通徑體積之和。 測定方法是先將吸附罐連通真空系統，抽成壓力為10Pa，關閉閥門，再接通標準量管。讀取量管初始液面高度值，打開閥門，空氣進入吸附罐，量管液面上升，液面上升體積值即為吸附罐容積。如此重復3次，取其平均值。613 充氣罐體積測定 方法同612。 22614 吸附罐剩余體積測定 剩余體積(Vd)指吸附罐中除純煤體積外包括煤顆粒內孔隙、顆粒間空隙、吸附罐殘余空間和通徑體積的總和。剩余體積可通過真空充氦方法標

11、定，在沒有氦氣的情況下，按式(8)進行計算： (8) (9) 式中：Vs空罐體積，cm3； Vc純煤體積，cm3； TRD20樣品相對真密度，gcm3。 2362 吸附等溫線測定 621 打開罐閥和真空抽氣閥，關閉高壓充氣閥和放氣閥。設定水浴溫度為601，開啟真空泵，進行長時間脫氣，直到真空計顯示壓力為4Pa時，關閉真空抽氣閥和各罐閥。 622 設定水浴溫度為試驗溫度(301)。 623 打開高壓充氣閥和充氣罐控制閥，使高壓鋼瓶甲烷氣進入充氣罐及連通管，關閉充氣罐控制閥，讀出充氣罐壓力值P1i。24624 讀出Pli后，緩慢打開罐閥門，使充氣罐中甲烷氣進入吸附罐，待罐內壓力達到設定壓力時(一般

12、在06MPa試驗壓力范圍內設定測，n=7個壓力間隔點數，每點約為最高壓力的1n)，立即關閉罐閥門，讀出充氣罐壓力P2i、室溫t1。按式(10)計算充入吸附罐內的甲烷量Qci。 (10)25當使用壓縮度K時式(10)為： (11)式中： Qci充入吸附罐的甲烷標準體積，cm3； P1i、P2i分別為充氣前后充氣罐內絕對壓力(下同)，MPa； Z1i、Z2i，K1i、K2i分別為P1、P2壓力下及t1時甲烷的壓縮系數及壓縮度，1MPa，見標準的附錄A、附錄B； t1室內溫度，； Vo充氣罐及連通管標準體積，cm3。26 625 保持7h，使煤樣充分吸附，壓力達到平衡，讀出平衡壓力Pi，并計算出吸附

13、罐內剩余體積的游離甲烷量Qdi，煤樣吸附甲烷量Q以及每克煤可燃物吸附甲烷量Xi。 (12) 當使用壓縮度K時則式(12)改為： (13)27 充入吸附罐的甲烷量扣除吸附罐內剩余體積放出的游離甲烷量即為壓力段內煤樣吸附甲烷量Qi： (14) 每克煤壓力段內的吸附量為： (15) 式中：Vd吸附罐內除煤實體外的全部剩余體積，cm3； t3試驗溫度，； Gr煤樣品可燃物質量28 626 依次重復623、624、625步驟，逐次增高試驗壓力，可測得，2個Qci、Qdi、Qi及Xi值。由于充氣罐向吸附罐充氣為逐次充入的單值量，而充入吸附罐的總氣量是各單值量的累計量，故逐次按式(14)計算時，充入吸附罐的總氣量Qci應是： (16) 同時，隨試驗壓力的增高達05MPa以上后，吸附平衡時間應改為4h。 29 6