摘 要：煤體瓦斯解吸過程與吸附過程相比不具有完全可逆性，解吸相對吸附存在遲滯特征，需要對瓦斯解吸遲滯特征及其相關影響因素進行系統研究。在合理選擇擬合模型的基礎上，利用煤體瓦斯吸附與解吸動力學實驗裝置分別開展了煤樣在不同變質程度、不同含水率、不同溫度和不同粒徑下的瓦斯吸附和解吸實驗，得到了瓦斯吸附和解吸曲線，計算了不同條件下煤體瓦斯的解吸遲滯系數。結果表明：隨著變質程度增加，瓦斯解吸遲滯系數和遲滯面積先減小后增大，解吸遲滯程度呈現“U”型變化;隨著煤樣水分含量增大，瓦斯解吸遲滯系數和遲滯面積減小，瓦斯解吸遲滯程度減弱;隨著實驗溫度升高，瓦斯解吸遲滯系數和遲滯面積減小，瓦斯解吸遲滯程度減弱;隨著煤樣粒徑減小，瓦斯解吸遲滯系數和遲滯面積減小，瓦斯解吸遲滯程度減弱。解吸遲滯特征會對瓦斯含量直接法測定和吸附常數測定產生負面影響。

　　關鍵詞：吸附;解吸;遲滯特征;變質程度;孔隙結構

　　《石油石化綠色低碳》(雙月刊)原名《石油石化節能與減排》，由中國石油化工集團公司主管、中國石油化工集團公司經濟技術研究院主辦的科技學術期刊。

　　引 言

　　我國煤層氣(礦井瓦斯)資源豐富[1]，煤層氣既是煤礦安全的重大隱患，也是一種高效能資源[2]。開采煤層氣不僅能緩解能源壓力，也可以為井下安全生產提供保障。隨著開采技術和裝備發展，開采水平不斷延伸，深部煤層呈現高地應力、高瓦斯壓力和低滲透性，煤層氣的相關特征也會隨之受到影響[3]。煤是一種多孔固體介質，自身結構和所處環境復雜，不同因素會導致煤體瓦斯吸附解吸性能特征不同。目前很多學者從變質程度、溫度、時間、含水量、揮發分等宏觀以及孔隙結構等微觀因素針對煤層瓦斯吸附解吸規律做出研究[4-7]。張強采用多種實驗手段分析不同變質程度煤樣的含氧官能團規律和微觀孔隙結構，獲得了一些關鍵參數，討論了變質程度對煤體吸附解吸特性的影響[8]。田永東等從儲層溫度、儲層壓力、水分類型等多方面因素條件探究了煤的吸附性能的改變情況[9]。李樹剛等分析了不同含水量煤樣的瓦斯吸附常數，討論了不同含水量對煤中瓦斯吸附能力的影響[10]。

　　煤層氣的運移機理是一個復雜過程，包括解吸-擴散-滲流三方面[11]。在研究過程中，大多數人認為煤體瓦斯解吸的過程是吸附的逆過程，因此大部分研究集中在瓦斯吸附規律，對于瓦斯解吸的遲滯現象研究甚少。實際現象表明，煤層瓦斯在煤中的等溫吸附與等溫解吸過程并非完全可逆過程，解吸過程相對吸附過程出現滯后，呈現遲滯現象[12-13]。從1966年R.B.Anderson等[14]利用體積法繪制出了煤層中不同氣體的吸附解吸等溫曲線并從中發現滯后現象開始，解吸遲滯效應就逐漸為人所知。Busch等選擇多種煤樣進行實驗，發現實驗煤樣均存在解吸遲滯現象，不同煤樣的解吸曲線各有差異，呈現2種分類[15]。張遂安等從多角度分析煤中瓦斯吸附-解吸機理及其可逆性，并利用不同氣體進行了物化模擬實驗，提出甲烷分子解吸需要能量，因此解吸過程具有不同程度的滯后性[16]，王公達等提出了解吸遲滯效應的定量評價指標——解吸遲滯系數，并討論了吸附壓力和煤樣粒徑對遲滯現象的影響，進一步總結了遲滯現象的機理和影響[17]。向衍斌等針對煤粒瓦斯擴散特征進行了系統研究，認為應考慮煤粒形狀和解吸遲滯現象對瓦斯擴散特性的影響，瓦斯在煤粒中的擴散具有衰減特征，需要更為準確描述擴散運移過程[18]。王飛從溫度、壓力、粒徑等多方面進行吸附和脫附實驗并引入遲滯量和遲滯比的觀點，從微觀孔隙結構角度提出瓦斯脫附遲滯機制、建立系統的評價指標[19]。聶雷選取多種煤樣進行壓汞和液氮實驗，分析煤質孔隙結構特征和分形特征并進行瓦斯吸附-解吸遲滯實驗及機理研究[20]。

　　針對國內外學者的研究可以發現解吸遲滯現象是普遍存在的，但是目前對于解吸滯后效應的深入研究少之甚少，缺乏系統的有針對性的探究。而解吸滯后效應對煤層瓦斯含量的確定及吸附常數影響明顯，對于精確預測煤層瓦斯含量等工作具有非常重要的意義，所以文中在選取不同變質程度煤樣的基礎上擬對煤層瓦斯解吸遲滯特征的影響因素進行系統研究。

　　1 解吸遲滯定量評價方法

　　繪制等溫吸附曲線和等溫解吸曲線是表征吸附解吸能力最直觀簡潔的方式，而不同擬合模型的選擇會影響到曲線的形態和精確度，所以選擇合適的擬合模型尤為重要。目前針對瓦斯吸附和解吸有多種廣泛使用的模型，見表1.利用表1中不同模型對來自不同國家不同地區學者的實驗數據進行擬合并將結果進行擬合度對比，見表2.可以看出Langmuir吸附模型具有更高的擬合度和穩定性;馬東民提出的解吸方程也具有最佳相關系數，能更真實的反映煤中瓦斯的解吸規律[21]。因此選擇Langmuir吸附模型和解吸方程模型分別對實驗所得吸附數據和解吸數據進行擬合處理。

　　確定擬合模型之后，可以用遲滯系數[20]來定量分析瓦斯解吸遲滯效應，如式(1)和圖1所示。

　　式中 S遲為遲滯面積;S理為理想狀態完全不可逆面積;xmax為最大吸附壓力;

　　f解吸(x)為等溫解吸曲線的表征模型;f吸附(x)為等溫吸附曲線的表征模型。

　　2 煤中瓦斯解吸遲滯實驗研究

　　2.1 瓦斯吸附解吸實驗

　　2.1.1 實驗方案

　　選取園子溝煤礦、許疃煤礦、雙柳煤礦和新景煤礦的煤樣進行實驗(后文均用縮寫YZG，XT，SL，XJ代替)。參照GB/T 477—2008《煤樣篩分實驗方法》并根據實驗需求，將從煤礦現場取回的大塊煤樣用破碎機進行破碎處理，按照不同粒徑進行篩分。煤樣的基本物性參數見表3.

　　實驗方案為

　　1)上述4種煤樣依次為長焰煤、肥煤、焦煤和無煙煤，屬于不同變質程度煤。選取上述4種煤樣進行瓦斯吸附解吸實驗，粒徑均為0.2～0.25 mm，實驗溫度為30 ℃，煤樣均干燥。

　　2)選擇含水率分別為0%，1.5%，3%，5%的YZG煤樣進行瓦斯吸附解吸實驗，粒徑在0.2～0.25 mm之間，實驗溫度為30 ℃.

　　3)選取SL煤樣在溫度為30，35，40，45 ℃的條件下分別進行瓦斯吸附解吸實驗，煤樣均干燥，粒徑在0.2～0.25 mm之間。

　　4)選取0.074～0.2，0.2～0.25，0.25～1，1～3 mm 4個粒徑段的XJ煤樣分別進行瓦斯吸附解吸實驗。煤樣均干燥，實驗溫度為30 ℃.

　　2.1.2 不同含水率煤樣制備

　　第1步：將煤樣放入到真空干燥箱中進行抽真空操作，并將干燥箱的溫度調節到110 ℃，維持一個真空恒溫的環境之后真空干燥至少8 h.結束之后將一部分干燥基煤樣迅速裝入密封袋以進行干燥煤樣的實驗。