煤的吸附性能影響因素分析

摘要：本文通過(guò)對(duì)煤層氣的組分、形成原因分析了影響煤層氣吸附性能的因素，為下一步開發(fā)利用煤層氣資源、有效增加潔凈能源供給、改變目前不合理的能源結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：吸附態(tài)；煤；影響因素引言煤是一種復(fù)雜的高分子多孔材料，具有不同的組成成分和孔結(jié)構(gòu)。在前人的工作中，已大量研究了溫度、壓力、煤級(jí)、顯微組分和水分含量等因素對(duì)煤吸附煤層氣的影響。但是，煤對(duì)煤層氣的吸附能力不僅依賴于煤的孔結(jié)構(gòu)，煤的表面特性也影響其對(duì)CH4的吸附能力。因此，本文對(duì)煤層氣的組分和形成原因進(jìn)行概述，分析了煤層氣吸附性能的影響因素，并對(duì)煤吸附性進(jìn)行研究與應(yīng)用展望。1煤層氣的組分和形成原因（1）煤層氣的組成。按煤層氣的存儲(chǔ)形式，可將煤層氣分為吸附狀態(tài)、自由狀態(tài)和溶解狀態(tài)。煤層氣的主要成分是CH4，其余為其它烴類氣體和CO2，包括煤化作用過(guò)程中生成的氣體：CH4、濕氣（C2H6、C3H8等）、N2、H2、H2S等。其中，CH4占93%，CO2占3%，濕氣占3%，N2占1%，煤層氣干燥系數(shù)占0.77～1.0。（2）煤層氣形成原因。煤層氣的成因具有明顯的階段性和復(fù)雜性，不同地區(qū)、不同地質(zhì)背景煤層氣成因類型不同。結(jié)合近期完成的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，提出了煤層氣成因分為4類：生物成因、熱成因、混合成因和無(wú)機(jī)成因。2煤層氣吸附性能的影響因素2.1煤級(jí)和煤體結(jié)構(gòu)煤的變質(zhì)程度直接影響著煤的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成，并嚴(yán)重制約著煤的吸附能力。在一般情況下，煤對(duì)氣體吸附能力隨著煤階變化有兩種趨勢(shì)：吸附能力隨煤階的增加而增大；“U”型變化，即吸附量在高揮發(fā)分煙煤A階段附近存在一個(gè)最小值。鏡質(zhì)體最大反射率在1.2%~4%時(shí)，吸附量隨著煤化程度增加而增加。2.2吸附膨脹應(yīng)力和滲透率的關(guān)系煤吸附氣體必然會(huì)產(chǎn)生膨脹變形，煤粒變形向孔隙空間發(fā)展必然會(huì)受到有限空間的限制而產(chǎn)生一種力，即吸附膨脹應(yīng)力。而煤的吸附能力越強(qiáng)，吸附的瓦斯越多，發(fā)生的膨脹變形越大，使?jié)B透孔隙通道減小的越多。因此，尋找由吸附膨脹變形而滋生的吸附膨脹應(yīng)力和滲透率的關(guān)系，也顯得十分重要。氣體在煤層中主要呈吸附態(tài)，其對(duì)煤的力學(xué)作用主要是吸附氣體引起的。吸附能使煤產(chǎn)生膨脹變形，在約束條件下產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，而煤粒接觸點(diǎn)處相當(dāng)于單向受壓狀態(tài)，所以吸附膨脹應(yīng)力與吸附膨脹變形服從Ｈｏｏｋｅ定律。2.3孔隙結(jié)構(gòu)隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增強(qiáng)(原生結(jié)構(gòu)煤–碎裂煤–碎粒煤–糜棱煤)，胡襄煤田煤樣中總孔體積先減小后增大，其孔隙率和總孔比表面積均呈高–低–高的變化規(guī)律，與總孔體積變化趨勢(shì)相一致。煤吸附氣體的過(guò)程中，在孔徑大小允許氣體分子通過(guò)的前提下，孔徑越小，孔隙內(nèi)表面能疊加的表面勢(shì)能也越大，對(duì)氣體的吸附能力也就越大，氣體分子在多孔介質(zhì)運(yùn)移過(guò)程中，優(yōu)先吸附在微孔，其后隨著流體壓力的增大，氣體分子在較大孔隙中吸附。因此，變質(zhì)程度低的煤，煤層壓實(shí)、收縮尚不夠強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)疏松，大孔含量高，微孔、過(guò)渡孔含量相對(duì)較低，飽和吸附量也相對(duì)較低；而隨著煤變質(zhì)程度的增加，煤層經(jīng)歷了劇烈的構(gòu)造應(yīng)力作用(碎粒煤、糜棱煤)，微孔、過(guò)渡孔含量明顯增高，隨之微孔比表面積也增加，吸附性測(cè)試結(jié)果(屬于焦煤)顯示，吸附在其孔隙表面的煤層氣含量也相對(duì)增大。2.4溫度游離氣越多，吸附氣就越少，吸附作用還和溫度有密切關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：溫度每提高1℃，煤吸附瓦斯的能力減少約7%。因?yàn)闇囟鹊脑黾?，瓦斯的活性變高，使得煤體吸附困難，與此同時(shí)甲烷分子獲取了能動(dòng)性，從而離開煤體表面。2.5有機(jī)顯微組分由各樣品顯微組分與吸附能力關(guān)系來(lái)看，煤的吸附能力與煤中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量總和呈一定正相關(guān)，隨著二者組分含量的增加，煤的吸附能力逐漸增強(qiáng)。研究表明，煤變質(zhì)程度對(duì)煤吸附能力影響較大，而煤顯微組分的含量又隨煤變質(zhì)程度變化而變化，為分析鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組含量對(duì)煤吸附能力的影響，必須排除煤變質(zhì)程度對(duì)二者的干擾，故分別做出其隨煤變質(zhì)程度變化的關(guān)系。隨煤變質(zhì)程度的增高，煤中鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組含量呈階段性變化，在Ｒo＜2．0%時(shí)，煤的吸附能力隨鏡質(zhì)組含量升高而變大，隨惰質(zhì)組含量升高而變小，且隨著Ｒo的增大變化速率逐漸減小，曲線斜率降低;當(dāng)Ｒo＞2．0%時(shí)，鏡質(zhì)組含量持續(xù)升高，惰質(zhì)組含量變化趨于平穩(wěn)，吸附能力與鏡質(zhì)組相關(guān)性降低，表現(xiàn)出與惰質(zhì)組的較好相關(guān)性。中低煤變質(zhì)階段，煤的吸附能力隨鏡質(zhì)組含量增高而增強(qiáng)的規(guī)律較為明顯，二者總是分別在同時(shí)取到高值和低值，說(shuō)明鏡質(zhì)組在該階段對(duì)煤的吸附能力影響較大，這是由于隨著鏡質(zhì)組含量增加，儲(chǔ)層內(nèi)微孔體積變大，而煤中以甲烷為主的氣體優(yōu)先吸附于孔徑較小的孔隙中導(dǎo)致。隨著煤變質(zhì)程度的增高，其吸附能力與惰質(zhì)組含量的相關(guān)性變大，蘭氏體積隨惰質(zhì)組含量增加而增大，這一現(xiàn)象與惰質(zhì)組中絲質(zhì)體的含量有關(guān)。絲質(zhì)體是由植物的根莖葉經(jīng)絲炭化作用而形成，其內(nèi)多保存了植物細(xì)胞孔，可作為氣體吸附空間，且親甲烷能力強(qiáng)于鏡質(zhì)組，當(dāng)含量較低時(shí)對(duì)煤的吸附能力影響不明顯，隨著煤變質(zhì)程度升高，絲質(zhì)體含量上升，進(jìn)而導(dǎo)致煤吸附能力增強(qiáng)。上述分析表明，隨著煤變質(zhì)程度的增高，孔隙度、微孔體積與比表面積均呈現(xiàn)U型變化，鏡質(zhì)組含量升高，惰質(zhì)組含量下降，孔隙形態(tài)也發(fā)生了一些變化。當(dāng)煤變質(zhì)程度較低時(shí)，孔隙度與比表面積較大，氣體吸附空間較大，但由于該階段儲(chǔ)層內(nèi)氣體主要以游離態(tài)賦存于大中孔之中，易于擴(kuò)散，且孔隙形態(tài)以開放性連通孔為主，使得其吸附能力較低;隨著煤變質(zhì)程度的增高，孔吸度與比表面積有所下降，但在該階段微孔所占比例上升，鏡質(zhì)組含量升高，惰質(zhì)組中絲質(zhì)體含量亦有所上升，并伴隨有墨水瓶孔的出現(xiàn)，使得煤樣吸附能力變強(qiáng)，蘭氏體積變大;到達(dá)高變質(zhì)程度階段，煤樣孔隙與比表面積變大，微孔體積增加，惰質(zhì)組含量升高，在中等變質(zhì)程度出現(xiàn)的墨水瓶孔成為主要孔隙類型，進(jìn)而導(dǎo)致蘭氏體積變大，吸附能力增強(qiáng)。3煤吸附性研究與應(yīng)用展望煤的吸附性研究現(xiàn)在主要集中在對(duì)氣體分子如CH4、CO2、N2、O2，水分、一些伴生礦物和重金屬離子，而研究目的也主要集中在了煤炭開采危險(xiǎn)性、煤炭自燃危險(xiǎn)性及風(fēng)化速度、煤炭燃燒值降低和運(yùn)輸成本升高問(wèn)題、煤炭燃燒后的污染，其他方面的研究相對(duì)較少。盡管煤的吸附性能與非金屬礦物如沸石、膨潤(rùn)土、麥飯石等相比還有很多不足，并且吸附性能與煤的種類及煤階高低、產(chǎn)地等因素有很大關(guān)系，但我們相信將來(lái)對(duì)于煤吸附性的研究會(huì)擴(kuò)展到表面活化與鈍化、煤吸附有害物質(zhì)、煤中有害物質(zhì)的分離等方面?？傊旱奈叫允敲焊鞣N特性中尚未完全開發(fā)利用的領(lǐng)域，必將成為未來(lái)研究的重要課題之一。結(jié)語(yǔ)煤的吸附能力作為影響煤層含氣量的關(guān)鍵因素之一，直接影響到煤層氣井的產(chǎn)能。對(duì)于煤吸附特征及其影響因素的研究，國(guó)內(nèi)外研究者從煤階角度對(duì)煤吸附能力進(jìn)行了研究，認(rèn)為煤階是控制煤吸附能力的主要因素之一，但對(duì)其余因素均有不同見解。所以，對(duì)比同一盆地不同變質(zhì)程度煤吸附能力控制因素及差異，對(duì)整合煤層氣富集機(jī)制具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐意義，而且對(duì)指導(dǎo)不同煤階煤層氣藏勘探開發(fā)理念也有十分重要的意義。參考文獻(xiàn)[1]鐘玲文.煤的吸附