煤的平衡水分测定系统开发及实验分析

2017-11-07张卫国李焕同

中国测试 2017年10期

关键词：等温煤样煤层气

张卫国，李焕同，李智，李沛，张渴

（西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054）

煤的平衡水分测定系统开发及实验分析

张卫国，李焕同，李智，李沛，张渴

（西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054）

针对目前制备煤的平衡水分基样品实验方法中普遍存在温度、压力和湿度等指标控制不准，制备样品量太少，耗时费力等问题，开发一套煤的平衡水分基样品的制备系统，该系统结构简单、设计合理、操作方便、实用性强。利用该系统对6样次平衡水分测定进行重复实验，结果符合一般实验测试允许误差要求，且数据稳定、重现性好。选取2种不同变质程度的煤样（长焰煤和无烟煤），进行平衡水分基样品制备过程对比实验。结果表明：2组样品在8～36h内的水分平衡效率最高，长焰煤早于无烟煤达到水分平衡。综上所述，该系统适用于不同变质程度的煤样进行平衡水分基样品制备，通过多次实验总结经验，设定合理的平衡时间，可以大幅度提高实验效率，便于推广使用。

煤层气；平衡水分；测定系统

0 引言

煤层气作为一种清洁能源，是我国21世纪重要的战略资源[1]。我国煤层气资源丰富，预测结果显示：2 000m以浅的煤层气地质资源量达36.81×1012m3，埋深1000m以浅的占38.86%，埋深1000m以深[2-3]的占61.14%。煤储层是固-液-气三相耦合体系，煤层气的吸附、解吸能力受多种因素共同控制[4]，其中水分是影响甲烷吸附解吸扩散规律的重要因素之一[5-7]。桑树勋等[8]认为煤层中的液态水对煤基质吸附气体具有显著影响，液态水可以提升煤基质吸附气体的能力。秦勇等[9]将平衡水分基应用于研究深部煤储层甲烷吸附效应。傅雪海等[10]发现朗格缪尔体积随平衡水含量增加呈现减少的趋势，且平衡水条件下低阶煤的等温吸附特性与中、高煤级煤存在一定的差异。张时音等[11]基于分子间作用力对液态水影响机理进行分析，认为煤基质的润湿程度是影响煤吸附甲烷的主要因素。刘高峰等[12]对煤样进行高温高压平衡水条件下吸附甲烷的实验，发现水分对焦煤的吸附影响大于温度的影响，认为煤样吸附甲烷的特性是由于温度、压力和水分综合作用的结果。刘彦伟等[13]发现随着水分的增加，各煤阶甲烷扩散系数减小幅度不同。综上所述，平衡水分基样品的制备对研究煤层甲烷吸附解吸扩散规律至关重要。

1 实验方法

平衡水分又称平衡湿度、最高内在水分、临界水分等，是在相对湿度为 96%～97%，温度为（30±0.1)℃的环境条件下测得的煤样品中的含水量[14]。平衡水分基本为地层条件下煤层的含水量，是影响煤层吸附等温曲线特征的因素之一。模拟地层湿度条件测定吸附等温曲线时，要将煤样预先达到平衡水状态，才能进行下一步操作。因此，精准地制备煤的平衡水分基样品尤为重要。

GB/T 19560——2008《煤的高压等温吸附试验方法》中规定了煤样的平衡水分测定方法。称取不少于35g的空气干燥基煤样；将称量后的煤样置于器皿中，均匀加入适量蒸馏水；将装有样品的器皿放入湿度平衡的干燥器中，干燥器底部装有足量的过饱和K2SO4溶液；每隔24h称重一次，直到相邻两次称重变化不超过试样质量[15]的2%。MT/T 1157——2011《煤的等温吸附试验中平衡水分的测定方法》中要求准确称取不少于35.0 g（精确到0.1 mg)的空气干燥基煤样；将称量后的煤样置于150mL玻璃烧杯中，均匀加入一定量的蒸馏水或储层水使煤样全部淹没为止并充分搅拌；煤样在室温下浸泡2 h，然后将煤样倾入有定性滤纸的玻璃漏斗中，吸滤出多余水分；往干燥器底部铺放15～20 mm厚的过饱和K2SO4溶液；将湿煤样连同滤纸放在洁净的吸水纸上，吸干游离水分，放入湿度平衡的干燥器中；将干燥器放入30℃恒温装置中；每隔24h更换一次吸水纸并称其质量，直到相邻两次称重变化不超过试样质量的2%，即认为达到水分平衡[16]。

傅雪海等[10]在研究低煤级煤平衡水条件下的吸附实验时，先将样品破碎到小于60目（0.25mm)，称重100 g，精确到0.2 mg，把预湿煤样或自然煤样放入装有过饱和K2SO4溶液的恒温箱中，48 h后煤样被全部湿润，间隔一定时间称重一次，直到质量恒定为止。郑凯歌等[17]基于平衡水吸附实验对深部煤层瓦斯含量进行预测，将煤样品预湿后，装入有过饱和K2SO4溶液的恒温箱里，平衡时间大于24h之后即被全部浸润，间隔一段时间称一下质量，直至质量恒定。

通过对目前制备煤的平衡水分基样品实验方法进行对比分析，发现普遍存在以下问题：由于实验设备简单，温度、压力和湿度等指标控制不精确；制备样品量太少，不能满足大样量等温吸附解吸实验；每次称量都需要将样品取出，导致称重误差大，从而很难判断煤样是否达到水平衡状态；整个实验过程都需要实验人员亲力亲为，费力耗时。因此需要一种结构简单、设计合理的煤的平衡水分基样品的制备装置，以达到指标控制精确、称量误差较小、自动化程度高的要求，进而提高实验效率。

2 实验装置

为了满足GB/T 19560——2008和MT/T 1157——2011中规定的煤平衡水分基样品制备要求，着重解决目前存在的技术问题，本文研究开发了一种煤的平衡水分基样品制备系统。

该系统包括制备装置和制备电路，制备装置包括制备箱和用于对制备箱抽真空的真空泵，制备箱包括溶液槽（过饱和K2SO4溶液)、样品托盘、天平以及用于连接样品托盘和天平的升降机构，升降机构包括升降柱和设置在升降柱上的称重挡板，天平上连接有称重卡体，称重挡板上连接有与称重卡体配合的称重挂钩和用于连接样品托盘的称重杆，称重杆上连接有真空塞。制备电路包括微控制器、存储器和传感器模块，微控制器接有电源指示灯、控温模块、显示器、泄压阀、升降驱动模块和真空泵驱动电机，传感器模块包括温度传感器、湿度传感器和压力传感器。该系统具体示意图如图1～图3所示。

煤的平衡水分基样品制备系统实验操作包括以下步骤：

图1 煤的平衡水分基样品制备系统示意图

图2 煤的平衡水分基样品制备系统制备箱结构示意图

1)将煤样品破碎至60目以下，称量样品1000g左右（G)，向煤样品喷洒蒸馏水使其预湿，预湿的样品放在样品托盘中，样品托盘悬挂在制备箱中。

2)在溶液槽中加入过饱和K2SO4溶液，将溶液槽放入制备箱中，关闭制备箱门。

3)打开电源开关，微控制器通过传感器模块检测制备箱内温度和湿度是否达到额定指标，同时升降柱下降带动真空塞落到最底部。

4)当制备箱内温度和湿度达到额定值后（温度为（30±0.1)℃，相对湿度为 96%～97%)，真空泵开始工作，对制备箱进行抽真空。

5)当制备箱内负压值达到额定值时，真空泵停止工作，计时器开始计时。

6)12h后，微控制器驱动泄压阀打开，外界气体进入制备箱，制备箱内负压解除。

7)开始第一次称重，升降柱通过称重挡板带动称重挂钩、真空塞和称重杆开始上升，当称重挂钩顶冲过与天平相连称重卡体后，升降柱开始下降，称重挡板与称重挂钩和称重杆脱离，称重挂钩与称重卡体衔接在一起，将天平与样品托盘连。通过天平测到样品托盘内煤样品的质量，记做Gm，将Gm存储在存储器内（质量显示屏上显示)，其中 m（1，2，…，n，n 为正整数且n≥2)表示测量次数。

图3 煤的平衡水分基样品制备系统自动称重装置结构示意图

8)称重结束后，升降柱上升，通过称重挡板带动称重挂钩再次顶冲过称重卡体后，升降柱开始下降，称重挂钩离开称重卡体，天平释重，升降柱持续下降，直至真空塞落到最底部。

9)重复4)～8)，再次称量得到样品的质量，记做Gm+1，将Gm+1存储在存储器内。计算，G表示预湿前样品质量，如果Δ≤2%，则平衡水样品制备完成，否则重复上述步骤，直到Δ≤2%。

10)待实验完成后，取出样品，并将K2SO4溶液回收。

3 实验分析

选取同一煤样品破碎至60目，运用上述煤的平衡水分基样品制备系统进行6样次平衡水分测定对比实验，测试结果见表1。

实验结果显示，该系统进样量可达到千克级，满足了大样量煤层气等温吸附解吸实验的要求。加水量（预湿)的多少影响平衡时间，一般加水量越多平衡时间越长，但只要加水过量最终必能达到平衡状态，加水量偏少则只能达到欠平衡状态，如ZH-3。总体上，利用该系统进行煤的平衡水分样制备时间要比以往报道的时间短，平衡状态终点判断准确且快速。由于ZH-3样加水量为欠平衡状态，其余5次平衡水分数据的方差和标准差分别为0.0127和0.1125，符合一般实验测试允许误差范围，数据稳定，重现性好。通过该系统进行多批次测试实验，可以确定煤样品的最佳水分平衡时间和平衡水分含量，保障了煤的平衡水分样后续实验的准确性。

表1 平衡水分测定装置测试结果

为了研究本系统的广泛适用性，选取2种不同变质程度的煤样（长焰煤CYM和无烟煤WYM)，进行平衡水分基样品制备过程的对比实验。首先分别充分润湿2组样品，测定初始水分含量为14.11%和14.15%，启动本系统程序进行平衡过程测定，实验结果见图4。结果表明，2组样品在8～36h内的水分平衡效率最高，长焰煤（36h)早于无烟煤（48h)达到水分平衡。综上所述，本系统适用于不同变质程度的煤样进行平衡水分基样品制备，通过多次实验总结经验，设定合理的平衡时间，可以大幅度提高实验效率。

图4 不同煤级平衡水分过程对比图

4 结束语

针对现有煤的平衡水分基测定实验方法中的不足，开发了一种煤的平衡水分基样品的制备系统。该系统利用升降机构使盛有煤样品的托盘升起或降落，巧妙地完成了与天平的衔接和脱离，实现自动称样过程，避免将样品从制备箱中取出，减少称重误差，缩短实验时间，提高样品水平衡状态的判断准确度。该系统结构简单、设计合理、操作方便、实用性强，提高了实验准确度和效率。通过该系统对6样次平衡水分测定进行对比实验，结果符合一般实验测试允许误差要求，数据稳定，重现性好，适用于不同变质程度的煤样，便于推广使用。

[1]车长波，杨虎林，李富兵，等.我国煤层气资源勘探开发前景[J].中国矿业，2008，17（5)：1-4.

[2] 中国煤田地质总局.中国煤层气资源[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999：176-180.

[3]邵龙义，侯海海，唐跃，等.中国煤层气勘探开发战略接替区优选[J].天然气工业，2015，35（3)：1-11.

[4]钟玲文.煤的吸附性能及影响因素[J].地球科学，2004，29（3)：327-333.

[5] 刘彦伟，薛文涛.水分对煤粒瓦斯扩散动态过程的影响规律[J].安全与环境学报，2016，16（1)：62-66.

[6]成前辉，梁为，李春虎，等.两种不同实验条件下煤的吸附性能研究[J].分析仪器，2013（2)：41-44.

[7] 张群，杨锡禄.平衡水条件下煤对甲烷的等温吸附特性研究[J].煤炭学报，1999，24（6)：565-570.

[8]桑树勋，朱炎铭，张井，等.液态水影响煤吸附甲烷的实验研究：以沁水盆地南部煤储层为例[J].科学通报，2005，50（增 1)：70-75.

[9]秦勇，宋全友，傅雪海.煤层气与常规油气共采可行性探讨-深部煤储层平衡水条件下的吸附效应[J].天然气地球科学，2005，16（4)：492-498.

[10]傅雪海，焦宗福，秦勇，等.低煤级煤平衡水条件下的吸附实验[J].辽宁工程技术大学学报，2005，24（2)：161-164.

[11]张时音，桑树勋，杨志刚.液态水对煤吸附甲烷影响的机理分析[J].中国矿业大学学报，2009，38（5)：707-712.

[12]刘高峰，张子戌，宋志敏，等.高温高压平衡水条件下煤吸附 CH4实验[J].煤炭学报，2012，37（5)：794-797.

[13]刘彦伟，张加琪，刘明举，等.水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响[J].中国安全生产科学技术，2015，11（6)：12-17.

[14]张庆玲.煤储层条件下水分-平衡水分测定方法研究[J].煤田地质与勘探，1999，27（4)：25-27.

[15]煤的高压等温吸附试验方法：GB/T 19560-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[16]煤的等温吸附试验中平衡水分的测定方法：MT/T 1157-2011[S].北京：煤炭工业出版社，2011.

[17]郑凯歌，陈赓，胡宝林.基于平衡水吸附实验的深部煤层瓦斯含量预测研究[J].煤炭工程，2013（12)：75-77.

Development and experimental analysis of the coal equilibrium moisture measurement system

ZHANG Weiguo，LI Huantong，LI Zhi，LI Pei，ZHANG Ke
（College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

In order to solve such problems as inaccurate control of the temperature，pressure and humidity，too small amount of sample preparation and great time and labor consumption in the preparation of coal equilibrium moisture based samples，a preparation system of coal equilibrium moisture based samples was developed.The system was of simple structure，reasonable design，easy operation and strong practicality.Repeated experiment of equilibrium moisture measurement of 6 samples was carried out with the system，and the results were in accordance with the allowable error requirements of general experiments，and the data were stable and reproducible.Two kinds of coal samples with different metamorphism （long flame coal and anthracite）were selected to carry out the comparative experiment of the preparation process of equilibrium moisture based samples.The results show that the water equilibrium efficiency of the two groups is the highest in 8-36h and the long flame coal is earlier than the anthracite to reach the water equilibrium.In summary，the system is suitable for the preparation of equilibrium moisture based samples of coal with differentmetamorphism.Through severalexperiments，itcan be summed up thatsetting a reasonable equilibration time can greatly improve the experimental efficiency and convenience for the promotion and use.

coalbed methane；equilibrium moisture；measurement system

1674-5124（2017）10-0065-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.013