煤吸附CH_(4)体积测试与分析

摘要

煤层中CH_(4)主要以游离态和吸附态赋存,煤吸附CH_(4)性能往往受煤阶、温度、压力、粒径和含水率等多种因素共同影响,为研究多因素耦合对煤吸附CH_(4)的Langmuir体积影响规律,选取山西长治地区常村和赵庄煤矿煤样,利用HCA–1高压吸附装置测定不同环境温度、煤样粒径、含水率的煤样吸附CH_(4)体积,然后以赵庄矿煤样试验结果为基础,通过Design Expert软件设计Box Behnken试验,构建煤吸附CH_(4)体积2次回归响应曲面模型,分析温度、粒径、含水率3种因素耦合作用时对煤吸附CH_(4)体积影响程度,并对不同条件下煤吸附CH_(4)体积进行预测与验证,并探讨了试验结果的工程应用启示。结果表明:CH_(4)吸附量随温度、粒径增加及含水率升高而降低;环境温度由15℃增加至40℃时,常村及赵庄煤CH_(4)吸附量分别降低37.09%,37.5%;煤样粒径由0.15 mm增加至0.3 mm时,CH_(4)吸附量分别降低14.87%、15.52%;常村煤样含水率由0.08%增至4.21%,CH_(4)吸附量降低10.61%,赵庄煤样含水率由0.04%增至3.62%,CH_(4)吸附量降低16.31%;温度、粒径、含水率单因素作用均对CH_(4)吸附量表现为极显著影响(P煤样粒径(F=346.64)>含水率(F=133.32);各交互项对CH_(4)吸附量影响程度为:粒径和含水率(F=21.31)>温度和粒径(F=6.33)>温度和含水率(F=3.65),粒径与含水率交互作用极显著(P=0.0024),温度和煤样粒径交互作用显著(P=0.0401),温度和含水率交互作用不显著(P=0.0978);编码区间外试验值与模型预测值的偏差最大为3.98%,最小为2.01%,平均误差率为3.315%;井下回采过程中,温度、含水率、煤样粒径等多因素变化时,首先实时监测温度变化,防止温度骤变引发瓦斯大量解吸,导致瓦斯超限甚至发生煤与瓦斯突出事故。