姜海纳，徐乐华，程远平

（1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原030024；2.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原030024；3.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州221116）

煤炭开采利用及煤与瓦斯突出等矿井灾害发生时，均存在煤体粉化现象，粉化程度的大小对煤中瓦斯吸附/解吸性能的改变具有重要影响，当前相关研究大致包含测定煤中瓦斯的朗格缪尔吸附等温线及解吸曲线2方面内容[1－2]。研究表明，由于构造煤的破碎程度较原生结构煤大，故其平均粒径相对较小，故而造成大部分构造煤的吸附瓦斯能力与原生结构煤相比要强。高魁，李一波，许江等分别研究了构造软煤、型煤颗粒粒径与瓦斯吸附性能之间的关系[3－6]，研究结果表明，煤粒径减小吸附能力增强。许满贵等[7]进一步考虑了压力对瓦斯吸附能力的影响，发现吸附量受粒径与压力双重控制，压力增大，粒径减小，吸附量增大。张天军等[8]研究表明粒径存在一定的阈值，低于阈值，吸附量会随颗粒减小而增大，超过该阈值后，煤呈现过度破坏特征，吸附量会有所减小。此外，构造煤粒径对瓦斯解吸速度影响较大，主要表现为：随着粒径减小，单位时间内瓦斯解吸量、初始瓦斯解吸速度及衰减幅度增大[9－16]，且吸附达到平衡前，煤吸附瓦斯时间对瓦斯解吸量也将产生较大影响[14]。随着煤破碎程度增加，粒径减小，瓦斯吸附与解吸能力一般呈增大趋势，然而尚缺乏粒径对吸附平衡时间影响的研究。吸附平衡时间选取准确性将直接影响瓦斯吸附常数测定结果精度，进而影响煤矿现场瓦斯吸附量测定结果准确性[17]。为此，针对粒径对煤吸附瓦斯所需的平衡时间开展研究，由此消除吸附平衡时间对瓦斯含量测定结果的影响。

1 实验方法

煤样吸附等温线的测定在GB/T 19860—2008标准及MT/T 752—1997标准基础上进行改进，以增加实验的严谨性。吸附实验测定原理图如图1。

图1 吸附实验测定原理图Fig.1 Schematic diagram for adsorption experiment

实验过程中，除装样质量均为50 g、恒温水浴条件均为30℃外，实验还对以下几点进行了改进：①煤样罐的充气方式，采用等体积的参比罐进行；②实验罐体的压力表由机械表替换为数字压力表，压力表的精度为小数点后3位数，用以提高压力平衡点判定的准确性，以便得到精度较高的吸附平衡时间；③为保证各粒径煤样罐在装样后，煤样罐自由空间相同，实验装样后，采用钢球对煤样罐体进行填充，钢球所用材质与罐体相同。

煤体内孔隙具有表面能，导致瓦斯在与煤孔隙表面接触时被吸附，表现为煤孔隙内表面瓦斯富集，瓦斯浓度增加。研究表明，恒温条件下，煤中瓦斯吸附量与吸附平衡压力满足朗格缪尔关系式：

式中：Q为标况下，单位质量煤可燃基的瓦斯饱和吸附量，m3/t；a为单位质量煤可燃基被瓦斯单层吸附覆盖时的极限值，m3/t；b为朗格缪尔常数，MPa－1；p为给定温度下吸附平衡时的瓦斯压力值，MPa。

通过测定给定煤粒径、充气压力，在恒定温度条件下煤样的瓦斯吸附量，可获得煤中瓦斯吸附量Q与平衡压力点p的关系曲线，即吸附等温线，采用式（1）对吸附等温线进行拟合，可求得朗格缪尔参数a、b值。

2 实验结果及分析

2.1 各粒径级吸附等温线

为研究瓦斯吸附等温线随煤颗粒粒径变化情况，以马场矿煤样为研究对象，所选样品可分为4个级别：微米级（＜0.01 mm）、十微米级（0.01～0.08 mm）、百微米级（0.08～0.2 mm、0.2～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm）、毫米级（1～3 mm、3～4 mm）为研究对象，开展瓦斯等温吸附实验，采用式（1）对吸附数据拟合，煤样吸附等温线随粒径变化关系图如图2，p0、p1、p2、p3、p4、p5为吸附平衡时各点压力值。

由图2可知，随压力增大，各粒径煤样瓦斯吸附量均呈增速变缓趋势[18－19]。各粒径煤样吸附等温线存在“分级”现象，位于最上方的微米级粒径（＜0.01 mm）煤样的等温线为“一级”，吸附量最大；十微米及较小粒径百微米（0.01～0.08 mm与0.08～0.2 mm）粒径煤样的吸附等温线近乎重合，吸附量次之，为“二级”，吸附量较“一级”煤样偏小；大粒径百微米级粒径煤样（0.2～0.25、0.25～0.5、0.5～1 mm）吸附瓦斯的等温线较接近，为“三级”；毫米级粒径煤样（1～3、3～4 mm）的吸附瓦斯等温线较接近，为“四级”，位于图2的最下方，吸附量最小。由分级情况可知，煤样粒径级别越低，煤样吸附性越强，吸附所得等温线越高，这是由于煤样在破碎过程中，煤孔隙结构的损伤程度增强，孔隙复杂程度降低，瓦斯更易进入煤体内部。

图2 煤样吸附等温线随粒径变化关系Fig.2 Variation of adsorption isotherms of coal particles w ith particle sizes

进一步观察各粒径煤样吸附能力差异，根据式（1）对图2中朗格缪尔吸附等温线数据进行回归分析，各粒径煤样朗格缪尔吸附常数a、b值见表1。

表1 各粒径煤样朗格缪尔吸附常数a、b值Table 1 Langmuir constants of a and b w ith particle sizes

由表1可知，各粒径级煤样的极限吸附量a值为19.71～29.68 mL/g，且该值随粒径级的减小呈增大趋势，这可能是由于煤样粒径减小，煤体孔隙结构被破坏，部分闭孔被打开，导致实验测定的煤比表面积及孔容均呈增大趋势，且由于闭孔的打开煤孔隙吸附点位增多，从而导致瓦斯吸附空间增大。

此外，各粒径级煤样的压力参数b值介于0.544～0.616 MPa－1间。研究表明，b值越大，吸附量随压力变化的幅度越大。由表1可知，随粒径级的降低，该值呈先增后减趋势，在百微米粒径级处达到最大值。其原因可能是随粒径减小，一方面，孔隙比表面积及孔容的增大，导致瓦斯吸附性能对压力的敏感性增大；另一方面瓦斯进入煤中路径复杂程度及长度均减小，瓦斯进入煤孔隙内的难易程度降低，而在微米级及十微米级粒径的煤样可能产生过度破坏，从而导致大量孔隙内比表面积暴露而变为外比表面积。

为获得吸附常数a、b值随粒径变化的定量关系，以各粒径级煤颗粒的平均直径D为横坐标，分别以朗格缪尔参数a、b值为纵坐标绘图，朗格缪尔参数a、b值随煤粒径变化图如图3。

图3 朗格缪尔参数a、b值随煤粒径变化图Fig.3 Variations of Langmuir constants of a and b w ith coal particle sizes

由式（2）中参数Ba＜0、Ca＞0亦可说明，随粒径增大，吸附常数a值均呈幂函数下降趋势。由式（3）及其参数情况可知，吸附常数b值与煤颗粒直径均呈开口向下的二次函数形式，在百微米粒径位置取得最大值。综合分析吸附常数a、b值随粒径变化规律可知，对于选定粒径煤样，在百微米级粒径处煤样的a、b值相对较大，由此计算得到的瓦斯吸附量可能取得最大或次大值，由此可初步判定煤矿现场瓦斯含量测定所选粒径煤样需控制在百微米级粒径以下。

2.2 各粒径级煤样吸附平衡时间

测定煤样的吸附平衡时间的步骤如下：①打开参比罐；②参比罐压力稳定后，打开煤样罐，以便连通参比罐和煤样罐；③参比罐与煤样罐连通瞬间，按下秒表开始计时；④煤样罐内样品吸附瓦斯，瓦斯压力下降，待2罐压力稳定后，按下秒表。秒表所走时间即为煤样吸附瓦斯，到达平衡时所需时间，即吸附平衡时间，吸附平衡时间与粒径关系见表2。

表2 吸附平衡时间与粒径关系Table 2 Variation of adsorption equilibrium time for coal samplesw ith four degrees of particle sizes

由表2可知，吸附平衡时间随吸附平衡压力的增大而急剧缩短，观察最低压力点和最高压力点的吸附平衡时间可知，对于小于0.01 mm煤样而言，吸附平衡时，所需时间由低压的上百分钟急剧减小到高压下的几分钟，高压吸附平衡时间与低压吸附平衡时间之比为0.032；同理，随着粒径增大，经计算可得，其余各粒径煤样的高低压吸附平衡时间之比依次为0.079、0.1114、0.1224、0.11、0.1、0.072及0.119。综上可知，吸附平衡所需时间会随着瓦斯压力的增大而减小，减幅则随粒径的增大先增后减，说明在粒径过大或过小，吸附平衡时间的改变对粒径的敏感性均会降低。结合瓦斯吸附常数a、b值随粒径变化规律，可得出在百微米粒径处，选择较小粒径进行瓦斯吸附量测定，可在较短时间内获得更精确的结果。

以微米级粒径（＜0.01 mm）煤样吸附平衡时，到达各压力平衡点时，所需时间为基准，观察其余粒径煤样与小于0.01 mm粒径煤样吸附平衡时间的比值，吸附平衡时间的粒径敏感性见表3。

表3 吸附平衡时间的粒径敏感性Table 3 Particle size sensitivity to adsorption equilibrium time

由表3可知，随着粒径增大，较大粒径煤样的吸附平衡时间与微米级粒径（＜0.01 mm）煤样的吸附平衡时间比值呈增大趋势，在低压p0条件下，吸附平衡时间随粒径增大的比值介于1.61～440.49之间，在高压p5条件下，随粒径增大，吸附平衡时间增长倍数介于4～1643.2倍。

由表2、表3可知，各粒径级煤样吸附平衡时间均随压力增大而减小，与粒径呈正相关关系；吸附平衡时，对于微米级粒径煤样，吸附平衡时所需时间最短仅需几分钟，而对于毫米级粒径煤样所需最短时间则可高达数天，这与张力[20]及李小彦[21]等研究结果一致，这是由于粒径增大，煤样运移路径趋于复杂，瓦斯在煤孔内的运移变困难。为定量观察吸附平衡时间与粒径、吸附平衡压力的关系，对各粒径煤样的吸附平衡时间与吸附平衡压力作关系图，煤样吸附平衡时间与压力变化关系如图4。

对图4中各粒径级煤样的吸附平衡时间tp对压力p的数据进行拟合，得到式（4）：

图4 煤样吸附平衡时间与压力变化关系Fig.4 Variation of adsorption equilibrium time for coal samp les w ith pressure

式中：tp为给定粒径及压力条件下，粉煤颗粒吸附平衡所需时间，min；E、F为吸附平衡时间tp与压力p的拟合参数，二者共同决定tp～p曲线的变化趋势，E＞0，F＜0表示曲线单调递减，即随着压力的增大，吸附平衡时间缩短。

各粒径煤样的tp～p曲线采用式（3）进行拟合，吸附平衡时间的压力敏感性见表4。

表4 吸附平衡时间的压力敏感性Table 4 Pressure sensitivity to adsorption equilibrium time

由表4可知，对于给定粒径煤样，压力增大，吸附平衡时时间tp减幅变小，即tp对高压的敏感性较低压小。粒径改变时，各粒径级煤样对应的拟合关系相关度均在0.9以上，随着粒径级的增高，常数E呈明显增大趋势，而常数F除微米级及十微米级粒径煤样外，其余粒径级煤样基本相同，故这2个高粒径级煤样的吸附平衡时间主要由常数E决定。由图4及表4中数据可知，对于微米级粒径煤样的吸附平衡时间较十微米级粒径煤样比明显偏小。

3 结 论

1）吸附常数a值与煤粒径值呈幂函数减小关系，而b值，则与煤粒径呈开口向下的二次函数关系，在百微米级粒径处获得最大值，故百微米级粒径煤样的吸附量相对偏高，更适合用于煤矿瓦斯含量测定。

2）对于某一给定粒径的煤样，吸附平衡压力增大，吸附平衡时间降幅变缓，表明吸附平衡时间对高压的敏感性低。

3）粒径级减小，各粒径级煤样吸附平衡时间均呈减小趋势；粒径级增大，吸附平衡时间的增幅先增后减，表明粒径过大或过小，其对吸附平衡时间的影响敏感度均降低，而百微米粒径区间煤样最敏感，综上可考虑选择百微米粒径煤样中较小粒径的煤样进行瓦斯含量测定，以用最短时间获得更精确结果。