專題——煤層瓦斯含量測定.ppt

專題講座 煤層的甲烷吸附含量的測定 陳裕佳,煤層瓦斯含量 指煤層內(nèi)單位重量或單位體積的煤在自然條件下所含的瓦斯量(標(biāo)準(zhǔn)狀況下的m3數(shù))。它的單位是m3/t煤或m3/m3煤。 準(zhǔn)確計(jì)算煤層瓦斯含量對(duì)于提高瓦斯預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，礦井的瓦斯治理，及礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)和瓦斯資源評(píng)估都具有重要意義。,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(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對(duì)溫度(273K)；T瓦斯的絕對(duì)溫度，T273+t，為瓦斯的攝氏溫度；P0標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，等于101.3kPa；瓦斯的壓縮系數(shù)(表2-5)。,煤的吸附瓦斯含量 煤是多孔介質(zhì)，內(nèi)表面積很大，每克煤有數(shù)十至200m2，其中微孔表面積占絕大多數(shù)，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(jì)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(shù)，kPa-1。,A,W煤中的灰分與水分，%； e自然指數(shù)，e2.718； t0，t實(shí)測a,b常數(shù)時(shí)的溫度和煤層溫度， n系數(shù)，,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(shí)測表明，在目前開采深度(10002000m以內(nèi))煤層的吸附瓦斯占8895%，而游離瓦斯占512%。,煤的吸附常數(shù)a、b的測定,一、定義 吸附常數(shù)，表示在給定溫度下，單位質(zhì)量固體的表面飽和吸附氣體時(shí)，吸附的氣體體積，一般為1555； 吸附常數(shù)，一般為0.55.0。,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(yè)部19971230批準(zhǔn) 19980601實(shí)施,前言 本標(biāo)準(zhǔn)以國內(nèi)新型結(jié)構(gòu)類型的實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，規(guī)定了傳統(tǒng)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(guī)定了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)條件，保證高壓甲烷吸附量測定結(jié)果的可比性和準(zhǔn)確性。 本標(biāo)準(zhǔn)的附錄A、附錄B、附錄C和附錄D都是標(biāo)準(zhǔn)的附錄。 本標(biāo)準(zhǔn)由煤炭工業(yè)部科技教育司提出。 本標(biāo)準(zhǔn)由煤炭工業(yè)部煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口。 本標(biāo)準(zhǔn)由煤炭科學(xué)研究總院撫順分院負(fù)責(zé)起草。 本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：楊思敬、寧德義、劉云生。 本標(biāo)準(zhǔn)委托煤炭工業(yè)部煤炭科學(xué)研究總院撫順分院負(fù)責(zé)解釋。,1 范圍 本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jié)果表述等。 本標(biāo)準(zhǔn)適用于測定煤及其他吸附劑。,2 引用標(biāo)準(zhǔn) 下列標(biāo)準(zhǔn)包含的條文，通過在本標(biāo)準(zhǔn)中引用而構(gòu)成本標(biāo)準(zhǔn)的條文。本標(biāo)準(zhǔn)出版時(shí)，所示版本均為有效。所有標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)被修訂，使用本標(biāo)準(zhǔn)的各方應(yīng)探討使用下列標(biāo)準(zhǔn)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(yè)分析方法 GBT 2171996 煤的真相對(duì)密度測定方法,3 測定原理 煤中大量的微孔內(nèi)表面具有表面能，當(dāng)氣體與內(nèi)表面接觸時(shí)，分子的作用力使甲烷或其他多種氣體分子在表面上發(fā)生濃集，稱為吸附。氣體分子濃集的數(shù)量漸趨增多，為吸附過程；氣體分子復(fù)返回自由狀態(tài)的氣相中，表面上氣體分子數(shù)量漸趨減少，為脫附過程。 表面上氣體分子維持一定數(shù)量，吸附速率和脫附速率相等時(shí)，為吸附平衡。,煤對(duì)甲烷的吸附為物理吸附。 當(dāng)吸附劑和吸附質(zhì)特定時(shí)，吸附量與壓力和溫度呈函數(shù)關(guān)系，即 (1) 當(dāng)溫度恒定時(shí)： (2) 式(2)稱為吸附等溫線，在高壓狀態(tài)下符合郎格繆爾(Langmuir)方程： (3),式(3)變換后得一直線方程： (4) 式中：T溫度，； P壓力，MPa； Xp壓力下吸附量，cm3g； a吸附常數(shù)，當(dāng)p時(shí)，Xa，即為飽和吸附量，cm3g； b為吸附常數(shù)，MPa-1。,4 測定裝置 41 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示。主要部件和規(guī)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(tài)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(zhǔn)瓶； e)充氣罐：容積為吸附罐的14倍，耐壓16MPa； f)水浴； g)真空系統(tǒng)：20mm40mm玻璃管，帶玻璃活塞及真空硅管； h)高純甲烷氣：壓力15 MPa，甲烷濃度不低于99。,1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(tài)壓力傳感器；11吸附罐；12電線；13復(fù)合真空計(jì)；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(jí)恒溫器；20充氣罐；21多路信號(hào)調(diào)理器；22高壓氣源,42 輔助設(shè)備 a)復(fù)合真空計(jì)； b)恒溫器：恒溫和控溫01001； c)多路信號(hào)調(diào)理器：壓力傳感器二次儀表； d)動(dòng)槽式氣壓計(jì)； e)標(biāo)準(zhǔn)量管；容積200cm3，分度05cm3； f)球磨機(jī)； g)干燥箱； h)標(biāo)準(zhǔn)篩； i)精密天秤，感量00001 g。,5 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(nèi)壓力達(dá)到平衡，部分氣體被吸附，部分氣體仍以游離狀態(tài)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(fù)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。,當(dāng)壓力由低向高采取充入甲烷氣體方式測試時(shí)，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(shí)，得到解吸等溫線。 吸附和解吸等溫線在高壓狀態(tài)下是可逆的，測定二者之一，在應(yīng)用上是等效的。,6 測定步驟 61 測定前準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)，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(fā)分(Vdaf)和真密度TRD20等；,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(nèi)冷卻； d)稱煤樣和稱量皿總質(zhì)量G1，將煤樣裝滿吸附罐，再稱剩余煤樣和稱量皿質(zhì)量G2，則吸附罐中的煤樣質(zhì)量G為： (5) 煤樣可燃物質(zhì)量Gr為： (6),(7) 式中：Ad干燥基灰分，； Aad分析基灰分，； Mad分析基水分，。,612 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(tǒng)，抽成壓力為10Pa，關(guān)閉閥門，再接通標(biāo)準(zhǔn)量管。讀取量管初始液面高度值，打開閥門，空氣進(jìn)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(fù)3次，取其平均值。 613 充氣罐體積測定 方法同612。,614 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(nèi)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(biāo)定，在沒有氦氣的情況下，按式(8)進(jìn)行計(jì)算： (8) (9) 式中：Vs空罐體積，cm3； Vc純煤體積，cm3； TRD20樣品相對(duì)真密度，gcm3。,62 吸附等溫線測定 621 打開罐閥和真空抽氣閥，關(guān)閉高壓充氣閥和放氣閥。設(shè)定水浴溫度為601，開啟真空泵，進(jìn)行長時(shí)間脫氣，直到真空計(jì)顯示壓力為4Pa時(shí)，關(guān)閉真空抽氣閥和各罐閥。 622 設(shè)定水浴溫度為試驗(yàn)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(jìn)入充氣罐及連通管，關(guān)閉充氣罐控制閥，讀出充氣罐壓力值P1i。,624 讀出Pli后，緩慢打開罐閥門，使充氣罐中甲烷氣進(jìn)入吸附罐，待罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)(一般在06MPa試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)設(shè)定測，n=7個(gè)壓力間隔點(diǎn)數(shù)，每點(diǎn)約為最高壓力的1n)，立即關(guān)閉罐閥門，讀出充氣罐壓力P2i、室溫t1。按式(10)計(jì)算充入吸附罐內(nèi)的甲烷量Qci。 (10),當(dāng)使用壓縮度K時(shí)式(10)為： (11) 式中： Qci充入吸附罐的甲烷標(biāo)準(zhǔn)體積，cm3； P1i、P2i分別為充氣前后充氣罐內(nèi)絕對(duì)壓力(下同)，MPa； Z1i、Z2i，K1i、K2i分別為P1、P2壓力下及t1時(shí)甲烷的壓縮系數(shù)及壓縮度，1MPa，見標(biāo)準(zhǔn)的附錄A、附錄B； t1室內(nèi)溫度，； Vo充氣罐及連通管標(biāo)準(zhǔn)體積，cm3。,625 保持7h，使煤樣充分吸附，壓力達(dá)到平衡，讀出平衡壓力Pi，并計(jì)算出吸附罐內(nèi)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(dāng)使用壓縮度K時(shí)則式(12)改為： (13),充入吸附罐的甲烷量扣除吸附罐內(nèi)剩余體積放出的游離甲烷量即為壓力段內(nèi)煤樣吸附甲烷量Qi： (14) 每克煤壓力段內(nèi)的吸附量為： (15) 式中：Vd吸附罐內(nèi)除煤實(shí)體外的全部剩余體積，cm3； t3試驗(yàn)溫度，； Gr煤樣品可燃物質(zhì)量,626 依次重復(fù)623、624、625步驟，逐次增高試驗(yàn)壓力，可測得，2個(gè)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(jì)量，故逐次按式(14)計(jì)算時(shí)，充入吸附罐的總氣量Qci應(yīng)是： (16) 同時(shí)，隨試驗(yàn)壓力的增高達(dá)05MPa以上后，吸附平衡時(shí)間應(yīng)改為4h。,627 按逐