专题——煤层瓦斯含量测定ppt课件

1、 专题讲座 煤层的甲烷吸附含量的测定 陈裕佳 煤层瓦斯含量 指煤层内单位重量或单位体积的煤在自然条件下所含的瓦斯量(标准状况下的m3数)。它的单位是m3/t煤或m3/m3煤。 准确计算煤层瓦斯含量对于提高瓦斯预测预报的准确性，矿井的瓦斯治理，及矿井设计生产和瓦斯资源评估都具有重要意义。煤的游离瓦斯含量 (m3/t煤)式中 V煤的孔隙容积(大于微孔孔隙的容积)，m3/t煤；P瓦斯压力，kPa；T0标准状况下的绝对温度(273K)；T瓦斯的绝对温度，T273+t，为瓦斯的摄氏温度；P0标准状况下的压力，等于101.3kPa；瓦斯的压缩系数(表2-5)。00TPVPTXy煤的吸附瓦斯含量 煤是多孔介

2、质，内表面积很大，每克煤有数十至200m2，其中微孔表面积占绝大多数，吸附瓦斯量主要取决于微孔隙表面积、瓦斯压力与温度。煤的吸附瓦斯服从兰格缪尔吸附方程。按兰格缪尔方程计算并考虑煤中水分、可燃物的百分比，温度的影响：式中 p瓦斯压力，kPa；a在该温度下，极限吸附量，m3/t可燃物；b取决于温度和煤的吸附性能常数，kPa-1。tmWAWebpabpXttnx3)(,10010031. 01110 A,W煤中的灰分与水分，%； e自然指数，e2.718； t0，t实测a,b常数时的温度和煤层温度， n系数， Pn07. 0993. 002. 0煤的瓦斯含量 煤层瓦斯含量等于吸附含量与游离含量之和

3、： XXyXx 实测表明，在目前开采深度(10002000m以内)煤层的吸附瓦斯占8895%，而游离瓦斯占512%。一、定义一、定义 吸附常数，表示在给定温度下，单位吸附常数，表示在给定温度下，单位质量固体的表面饱和吸附气体时，吸附质量固体的表面饱和吸附气体时，吸附的气体体积，一般为的气体体积，一般为1555；吸附常数，一般为吸附常数，一般为0.55.0。 MTT 7522019中华人民共和国煤炭工业部中华人民共和国煤炭工业部20191230批准批准 20190601实施实施 前言前言本标准以国内新型结构类型的实验装置为基础，规定了传本标准以国内新型结构类型的实验装置为基础，规定了传统的容量法

4、测定煤的郎格缪统的容量法测定煤的郎格缪(Langmuir)吸附等温线和解吸附等温线和解吸等温线方法，规定了统一的实验条件，保证高压甲烷吸等温线方法，规定了统一的实验条件，保证高压甲烷吸附量测定结果的可比性和准确性。吸附量测定结果的可比性和准确性。本标准的附录本标准的附录A、附录、附录B、附录、附录C和附录和附录D都是标准的附录。都是标准的附录。本标准由煤炭工业部科技教育司提出。本标准由煤炭工业部科技教育司提出。本标准由煤炭工业部煤矿安全标准化技术委员会归口。本标准由煤炭工业部煤矿安全标准化技术委员会归口。本标准由煤炭科学研究总院抚顺分院负责起草。本标准由煤炭科学研究总院抚顺分院负责起草。本标准

5、主要起草人：杨思敬、宁德义、刘云生。本标准主要起草人：杨思敬、宁德义、刘云生。本标准委托煤炭工业部煤炭科学研究总院抚顺分院负责解本标准委托煤炭工业部煤炭科学研究总院抚顺分院负责解释。释。1 范围范围 本标准规定了用高压容量法测定本标准规定了用高压容量法测定煤的甲烷吸附量的测定原理、测定装煤的甲烷吸附量的测定原理、测定装置、测定方法、测定步骤、精密度和置、测定方法、测定步骤、精密度和结果表述等。结果表述等。 本标准适用于测定煤及其他吸附本标准适用于测定煤及其他吸附剂。剂。2 引用标准引用标准 下列标准包含的条文，通过在本下列标准包含的条文，通过在本标准中引用而构成本标准的条文。本标准中引用而构成

6、本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。能性。 GBT 2112019 煤的全水分的测定煤的全水分的测定方法方法 GBT 2122019 煤的工业分析方法煤的工业分析方法 GBT 2172019 煤的真相对密度测煤的真相对密度测定方法定方法3 测定原理测定原理 煤中大量的微孔内表面具有表面煤中大量的微孔内表面具有表面能，当气体与内表面接触时，分子的能，当气体与内表面接触时，分子的作用力使甲烷或其他多种气体分子在作用力使甲烷

7、或其他多种气体分子在表面上发生浓集，称为吸附。气体分表面上发生浓集，称为吸附。气体分子浓集的数量渐趋增多，为吸附过程；子浓集的数量渐趋增多，为吸附过程；气体分子复返回自由状态的气相中，气体分子复返回自由状态的气相中，表面上气体分子数量渐趋减少，为脱表面上气体分子数量渐趋减少，为脱附过程。附过程。 表面上气体分子维持一定数量，表面上气体分子维持一定数量，吸附速率和脱附速率相等时，为吸附吸附速率和脱附速率相等时，为吸附平衡。平衡。煤对甲烷的吸附为物理吸附。 当吸附剂和吸附质特定时，吸附量与压力和温度呈函数关系，即 (1) 当温度恒定时： (2) 式(2)称为吸附等温线，在高压状态下符合郎格缪尔(L

8、angmuir)方程： (3) TpfX)(bpabpX1)(pTfX，式(3)变换后得一直线方程： (4)式中：T温度，； P压力，MPa； Xp压力下吸附量，cm3g； a吸附常数，当p时，Xa，即为饱和吸附量，cm3g； b为吸附常数，MPa-1。abapXp14 测定装置测定装置41 实验装置实验装置 实验装置结构如下图所示。主要部件实验装置结构如下图所示。主要部件和规格如下和规格如下a)吸附罐：容积吸附罐：容积50cm3，工作压力，工作压力8MPa，耐，耐压压16MPa；b)高压截止阀：工作压力高压截止阀：工作压力16MPa，耐压，耐压25MPa。密封处要求耐低压。密封处要求耐低压4

9、MPa；c)固态压力传感器：测量范围为固态压力传感器：测量范围为08MPa，精度为精度为02；d)饱和食盐水量管：容积饱和食盐水量管：容积500cm3，分度，分度5cm3，带水准瓶；带水准瓶；e)充气罐：容积为吸附罐的充气罐：容积为吸附罐的14倍，耐压倍，耐压16MPa；f)水浴；水浴；g)真空系统：真空系统：20mm40mm玻璃管，带玻玻璃管，带玻璃活塞及真空硅管；璃活塞及真空硅管；h)高纯甲烷气：压力高纯甲烷气：压力15 MPa，甲烷浓度不低，甲烷浓度不低于于99。 42 辅助设备 a)复合真空计； b)恒温器：恒温和控温01001； c)多路信号调理器：压力传感器二次仪表； d)动槽式气

10、压计； e)标准量管；容积200cm3，分度05cm3； f)球磨机； g)干燥箱； h)标准筛； i)精密天秤，感量00001 g。5 测定方法测定方法 高压容量法测定煤的甲烷吸附量高压容量法测定煤的甲烷吸附量的方法是：将处理好的干燥煤样，装的方法是：将处理好的干燥煤样，装入吸附罐，真空脱气，测定吸附罐的入吸附罐，真空脱气，测定吸附罐的剩余体积，向吸附罐中充入或放出一剩余体积，向吸附罐中充入或放出一定体积甲烷，使吸附罐内压力达到平定体积甲烷，使吸附罐内压力达到平衡，部分气体被吸附，部分气体仍以衡，部分气体被吸附，部分气体仍以游离状态处于剩余体积之中，已知充游离状态处于剩余体积之中，已知充入入

11、(放出放出)的甲烷体积，扣除剩余体积的的甲烷体积，扣除剩余体积的游离体积，即为吸附体积。重复这样游离体积，即为吸附体积。重复这样的测定，得到各压力段平衡压力与吸的测定，得到各压力段平衡压力与吸附体积量，连接起来即为吸附等温线。附体积量，连接起来即为吸附等温线。 当压力由低向高采取充入甲烷气体方式测试时，得到吸附等温线；反之，压力由高向低采取放出甲烷气体方式测试时，得到解吸等温线。 吸附和解吸等温线在高压状态下是可逆的，测定二者之一，在应用上是等效的。 6 测定步骤测定步骤61 测定前准备工作测定前准备工作611 煤样处理煤样处理 a)采集煤层全厚样品采集煤层全厚样品(或分层或分层)，除，除去矸

12、石，四分法缩分成去矸石，四分法缩分成1 kg，标准采样，标准采样要素，装袋，备用；要素，装袋，备用； b)取送样的一半全部粉碎，通过取送样的一半全部粉碎，通过017025 mm筛网，取筛网，取017025 mm间的颗粒，称出间的颗粒，称出100g，放入，放入称量皿。其余煤样分别按称量皿。其余煤样分别按GBT 217、GBT 211、GBT 212测定水分测定水分(Mad)、灰分、灰分(Ad，Aad)、挥发分、挥发分(Vdaf)和真密度和真密度TRD20等；等； c)将盛煤样的称量皿放入干燥箱，恒温到100，保持1 h取出；放入干燥器内冷却； d)称煤样和称量皿总质量G1，将煤样装满吸附罐，再称

13、剩余煤样和称量皿质量G2，则吸附罐中的煤样质量G为： (5) 煤样可燃物质量Gr为： (6)21GGG100)100(drAGG (7) 式中：Ad干燥基灰分，； Aad分析基灰分，； Mad分析基水分，。adaddMAA100612 吸附罐体积测定 吸附罐体积(Vs)包括吸附罐体积和压力表、接头、阀门、连通管的通径体积之和。 测定方法是先将吸附罐连通真空系统，抽成压力为10Pa，关闭阀门，再接通标准量管。读取量管初始液面高度值，打开阀门，空气进入吸附罐，量管液面上升，液面上升体积值即为吸附罐容积。如此重复3次，取其平均值。613 充气罐体积测定 方法同612。 614 吸附罐剩余体积测定 剩

14、余体积(Vd)指吸附罐中除纯煤体积外包括煤颗粒内孔隙、颗粒间空隙、吸附罐残余空间和通径体积的总和。剩余体积可通过真空充氦方法标定，在没有氦气的情况下，按式(8)进行计算： (8) (9) 式中：Vs空罐体积，cm3； Vc纯煤体积，cm3； TRD20样品相对真密度，gcm3。 csdVVV20/TRDGVc62 吸附等温线测定 621 打开罐阀和真空抽气阀，关闭高压充气阀和放气阀。设定水浴温度为601，开启真空泵，进行长时间脱气，直到真空计显示压力为4Pa时，关闭真空抽气阀和各罐阀。 622 设定水浴温度为试验温度(301)。 623 打开高压充气阀和充气罐控制阀，使高压钢瓶甲烷气进入充气罐

15、及连通管，关闭充气罐控制阀，读出充气罐压力值P1i。l624 读出Pli后，缓慢打开罐阀门，使充气罐中甲烷气进入吸附罐，待罐内压力达到设定压力时(一般在06MPa试验压力范围内设定测，n=7个压力间隔点数，每点约为最高压力的1n)，立即关闭罐阀门，读出充气罐压力P2i、室温t1。按式(10)计算充入吸附罐内的甲烷量Qci。l (10)101325. 0)2 .273(2 .273)(102211tVZPZPQiiiici当使用压缩度K时式(10)为： (11)式中： Qci充入吸附罐的甲烷标准体积，cm3； P1i、P2i分别为充气前后充气罐内绝对压力(下同)，MPa； Z1i、Z2i，K1i

16、、K2i分别为P1、P2压力下及t1时甲烷的压缩系数及压缩度，1MPa，见标准的附录A、附录B； t1室内温度，； Vo充气罐及连通管标准体积，cm3。101325.0/)(02211VKPKPQiiiici 625 保持7h，使煤样充分吸附，压力达到平衡，读出平衡压力Pi，并计算出吸附罐内剩余体积的游离甲烷量Qdi，煤样吸附甲烷量Q以及每克煤可燃物吸附甲烷量Xi。 (12) 当使用压缩度K时则式(12)改为： (13)101325. 0)2 .273(2 .2733tZPVQiiddi101325. 0iiddiKPVQ 充入吸附罐的甲烷量扣除吸附罐内剩余体积放出的游离甲烷量即为压力段内煤样

17、吸附甲烷量Qi： (14) 每克煤压力段内的吸附量为： (15) 式中：Vd吸附罐内除煤实体外的全部剩余体积，cm3； t3试验温度，； Gr煤样品可燃物质量diciiQQQriiGQX 626 依次重复623、624、625步骤，逐次增高试验压力，可测得，2个Qci、Qdi、Qi及Xi值。由于充气罐向吸附罐充气为逐次充入的单值量，而充入吸附罐的总气量是各单值量的累计量，故逐次按式(14)计算时，充入吸附罐的总气量Qci应是： (16) 同时，随试验压力的增高达05MPa以上后，吸附平衡时间应改为4h。 niciciQQ1 627 按逐次测得的Pi及Xi作图，即为郎格缪尔吸附等温线，并代入式(4)用最小二乘法求得直线的斜率S(1a)和截距I(1