摘要：研究主要分析了环境温度对废弃矿井遗煤吸附瓦斯特性的影响，以沁水盆地某废弃矿井中的煤炭为研究对象，利用实验分析方法分析其在环境温度影响下的瓦斯吸附特性。研究结果显示，不同环境温度下遗煤瓦斯吸附效果并不相同，环境温度与甲烷吸附量之间具有负相关性，温度值越高，甲烷吸附量越低，在实验条件中环境温度为30℃时甲烷吸附量为11.19 mL/g、60℃时甲烷吸附量为11.16 mL/g、90℃时甲烷吸附量为10.56 mL/g。在废弃矿井遗煤资源开采期间应当注重对环境温度的科学控制，才能够提高遗煤资源开采效率，并保证环境安全。

　　关键词：环境温度；废弃矿井；遗煤；吸附瓦斯特性

　　0引言

　　煤是一种孔隙、裂隙发育的多孔介质，成煤过程中会同步生成大量瓦斯气体。瓦斯赋存形式主要以孔隙表面的吸附态为主，占比为80%～90%[1]。煤层环境温度具有比较明显的不稳定性，导致煤层瓦斯含量变化不定，尤其在废弃矿井环境中[2]。受到开采技术与环境等因素的限制，目前废弃矿井中依然存在比较丰富的可利用资源，其中以遗煤和瓦斯资源为主[3]。为进一步提高废弃矿井遗煤和瓦斯资源利用效率，有必要对废弃矿井中的遗煤吸附瓦斯特性与环境温度之间的关系进行深入分析，对加强遗煤开采，提升矿井经济效益具有显著的现实意义。

　　1试验煤样与主要参数

　　以沁水盆地某废弃矿井为例，该废弃矿井中的煤质相对较硬，主要为高变质程度无烟煤，其具有较高含量瓦斯气体，开发潜力巨大。

　　以2号煤层原煤为试验煤样分析，将煤粒控制在0.20～0.25 mm范围，利用干燥箱进行烘干，烘干温度控制在105℃,采用高压容量方法测量吸附常数值（a和b），其中a值为40.977 mL/g，b值为1.036 MPa-1。

　　对其进行工业分析，煤样水分质量分数为1.50%，灰分质量分数为9.48%，挥发分质量分数为4.04%，真密度为1.59 g/cm3，视密度为1.48 g/cm3，孔隙率为5.99%。

　　2试验方法与流程

　　在试验期间通过对甲烷注气量和游离量的计算分析煤样对甲烷气体的吸附量，由此分析环境温度对遗煤吸附瓦斯特性的具体影响[4]。试验流程具体情况如图1所示。

　　3环境温度变化条件下的瓦斯吸附特性分析

　　3.1吸附平衡压力

　　结合废弃矿井实际情况，在研究期间分析不同环境温度条件下的遗煤吸附瓦斯的特性，设定30、60、90℃三个不同环境温度，采用恒温水浴方法模拟，并依据标准流程将甲烷注入试验系统中，确保煤样能够达到吸附平衡压力标准，对甲烷注入量和煤样吸附甲烷量的数据记录，对甲烷吸附规律分析[5]。

　　不同环境温度下的煤样吸附甲烷平衡压力与吸附量的关系情况，如图2所示。

　　通过图2数据分析可知，吸附时间越长，煤样吸附甲烷量呈现出明显的增长变化，在吸附初期的吸附能力相对较强，在吸附后期增长趋势逐渐平缓。对不同环境温度条件下的关系对比分析发现，在相同环境温度下，吸附平衡压力值越大，甲烷吸附量越大；环境温度越高，甲烷吸附量越小。

　　对甲烷气体在不同吸附平衡压力下的吸附行为进行拟合，拟合效果显著（拟合度均超过0.9）。通过分析不同吸附平衡压力下的散点图及拟合曲线，发现同一温度下，煤样对甲烷的吸附能力随吸附平衡压力的升高而增强。试验数据表明，在所有测试温度下，甲烷吸附曲线均符合模型标准。在不同吸附平衡压力下，甲烷吸附量随温度上升呈现显著差异。特别是在60~90℃的温度范围内，甲烷的吸附量下降尤为明显。

　　研究进一步发现，在相同的温度差条件下，随着试验条件优化，甲烷在相同吸附平衡压力下的吸附量随温度升高而减少。试验在相同温度下采用同种煤样进行，结果显示，不同浓度的煤样中，瓦斯迁移速率随浓度和温度变化而异。不同条件下，煤样对气体的吸附能力也随之增加。试验数据揭示，煤体中气体迁移显著，有助于甲烷分子从煤体中解吸出来。随着煤吸附温度的上升，甲烷吸附量相应减少。

　　3.2煤样吸附速率

　　对不同环境温度下煤样吸附速率分析，具体情况如图3所示。

　　通过图3数据分析可知，在相同条件下，甲烷的初始吸收速率最高，并随时间推移逐渐减缓。甲烷的吸收率变化可分为两个阶段：快速下降期和缓慢下降期。在快速下降期，吸收率以较大梯度迅速下降，瓦斯吸收速率在短期内显著减少。进入缓慢下降期后，甲烷吸收速率随时间延长而降低，但在150 min后，不同吸附压力下的变化趋势趋于一致，直至达到饱和。试验数据表明，改变试验条件后的试验结果与预期基本吻合。观察图表，不同条件下，温度升高导致在较高吸收平衡压下，起始吸收速率提升；在环境压力为2.5 MPa的条件下，温度升高同样促使材料起始吸收速率增加。吸附速率曲线表明，在前50 min内，高吸附压力条件下瓦斯吸收速率高于低压力条件；超过50 min后，在较高吸附平衡压和较小压力下，煤样均趋向于较慢的吸收阶段。

　　3.3煤样吸附速率相对衰减率

　　对煤样在不同的环境温度下甲烷的吸附速率下的相对衰减率分析。

　　甲烷吸附平衡压力与相对衰减率在环境温度相同的实验条件下，表现出负相关性，压力值增大会降低相对衰减率。在环境温度为30℃的条件下，甲烷的相对衰减率在10、20、30min时分别为70.99%、81.46%和88.25%。

　　研究结果表明，在高温环境下，煤对甲烷的吸附速率出现一定幅度的下降变化，相对衰减率也表现出一定的下降。同时，在环境温度较高条件下，煤样吸附速率具有更加快速的下降变化趋势。

　　3.4煤样吸附时间

　　对不同环境温度条件下达到相应的甲烷吸附率需要的时间分析，以甲烷吸附率达到50%标准为例，具体情况如表1所示。

　　通过上表数据分析可知，煤样吸附温度越高，得到相同吸附率所消耗的时间越少，甲烷环境温度越高，煤样吸附甲烷越容易实现吸附平衡。

　　4环境温度对瓦斯吸附能力的影响

　　对不同环境温度下煤样对瓦斯吸附能力的影响情况分析，设定吸附平衡压力为1 MPa，对吸附时间2.5、12、24 h的甲烷吸附量分析，具体情况如表2所示。

　　通过表2数据分析可知，在不同环境温度下，煤样对甲烷吸附量随时间变化而减少。环境温度越高，相同吸附时间下的甲烷吸附量越少。温度升高对煤样吸附甲烷的能力具有比较显著的影响，温度升高会干扰煤样甲烷吸附能力。

　　主要原因在于，瓦斯中的甲烷分子主要表现为吸附态和游离态两种形态，在甲烷吸附期间会释放大量热能，在脱附期间会吸收大量热能[6]。随环境温度升高甲烷分子脱离反应现象更多，甲烷分子具有更大的动能，从而降低吸附量。

　　5结语

　　分析环境温度对废弃矿井遗煤吸附瓦斯特性影响具有重要的作用，能够为煤炭资源开发利用提供有力支持。在研究期间以实地废弃矿井中的煤炭为样品，通过模拟实验方法分析遗煤在30、60、90℃三种不同环境温度下的瓦斯吸附特征。通过研究结果发现，环境温度升高会缩短达到相同吸附平衡压力需要的时间；在吸附平衡压力相同条件下，环境温度升高会降低瓦斯吸附量，主要原因是瓦斯中的甲烷分子在环境温度升高后会出现更多的脱离变化，分子动能更大，从而降低吸附量。基于此，在废弃矿井开采中必须对环境温度因素的影响重点关注。

参考文献

　　[1]李振榕，田富超，王刚，等.不同环境温度和吸附压力下含瓦斯煤自燃微观分形特征研究[J].煤炭科学技术，2023，53（5）：213-232.

　　[2]申晓静，岳基伟，梁跃辉，等.高温高压氛围下煤体吸附瓦斯特性研究[J].中国安全科学学报，2024，34（2）：176-184.

　　[3]田富超，李振榕，李帅魁，等.高温高压条件下含瓦斯煤解吸-自燃演化特性研究[J].煤炭科学技术，2024，52（7）：101-113.

　　[4]田富超，贾东旭，陈明义，等.采空区复合灾害环境下含瓦斯煤自燃特征研究进展[J].煤炭学报，2024，49（6）：2711-2727.

　　[5]林海飞，陈晨，龙航，等.温度对瓦斯流动及全过程煤体变形的影响研究[J].中国安全科学学报，2023，33（8）：59-67.

　　[6]仇悦，龙航，白杨，等.温度效应下煤体吸附瓦斯热力学及动力学特征[J].中国安全科学学报，2023，33（7）：147-155.