从20世纪90年代开始，煤对ch4和co2的吸附、解吸特性及其机理成为人们关注的重点[1-2]。经过众多学者长期不懈的努力，煤对ch4和co2单组分气体吸附的研究已经取得了一定的成果[3-5]，但煤对多组分吸附机理要比对单组分吸附机理复杂的多，其研究程度也低于单组分吸附，且目前仍处于探索阶段。为了探讨无烟煤对ch4和co2混合气体的吸附特性，在研究寺家庄矿无烟煤对ch4和co2单组分吸附试验基础上，进行了寺家庄矿无烟煤对ch4和co2多组分吸附的试验研究，并得出了寺家庄矿无烟煤对ch4和co2多组分吸附的特征规律。
1 试验设计
1.1 试验煤样及条件
试验样品取自寺家庄矿15号煤层，工业分析结果为空气干燥基水分含量为2.33%，灰分为3.79%，挥发分为5.35%，煤质牌号为无烟煤。煤样吸附罐容积为998.33cm3，装样量为776.0g，煤样粒度为0.25～0.18mm，自由空间为263.47cm3。吸附试验在恒温30℃下进行，吸附前对系统抽真空，压力低于10pa。吸附试验共测定4个平衡压力点，每一个压力平衡的时间约24h。参考煤层原始瓦斯压力，最高吸附平衡压力选为3mpa。其具体的试验方案为阳泉15号无烟煤对80%ch4+20%co2的等温吸附试验，阳泉15号无烟煤对70%ch4+30%co2的等温吸附试验，阳泉15号无烟煤对60%ch4+40%co2的等温吸附试验。其吸附试验装置见图1。
图1 多组分气体吸附仿真试验装置原理图
1.2 试验方法
试验将用2种方法进行多组分吸附试验。方法1：先将多元气体进行均匀混合后，再将其注入煤样中进行吸附，这种吸附方式称为“竞争吸附”（而在实际生产中，向煤层中注co2置换ch4，是ch4先吸附平衡后，再注入co2进行置换。因此“竞争吸附”的试验过程和实际生产中的过程有所差别）。方法2：先将ch4注入煤样中，等吸附平衡后，再注入co2进行置换，这种吸附方式为“置换吸附”。其产生的效果是否相同，试验将对其进行检验。
2 竞争吸附和置换吸附结果分析
试验分别对80%ch4+20%co2、70%ch4+30%co2和60%ch4+40%co2进行了竞争吸附和置换吸附试验，并对其结果进行了比较，阳泉15号无烟煤对80%ch4+20%co2竞争吸附和置换吸附的实测值见图2（图2只列出了80%ch4+20%co2等温吸附试验的对比，其余对比结果与此类似）。
图2 阳泉15号无烟煤对80%ch4+20%co2竞争吸附和置换吸附的实测值
由图2可知，竞争吸附和置换吸附的结果基本相同，这说明煤对气体的吸附与过程无关。分析原因可能是因为：①煤对气体的吸附属于物理吸附，因此煤吸附和解吸气体后不会改变煤表面性质。②气体分子只有达到煤表面附近的空间才会有被吸附的可能[6]。竞争吸附时，先把co2气体和ch4气体混合均匀，然后注入到吸附罐中，由于气体的压力差，co2分子和ch4分子都能扩散到煤表面附近的空间。置换吸附时，先把ch4注入到吸附罐中，吸附平衡后，再注入co2，由于浓度差co2分子进行扩散运动，经过一段时间，co2分子同样会扩散到煤表面附近的空间。③由于煤对气体的吸附是动态平衡，即气体在煤中的吸附和解吸一直进行着，与煤分子间范德华力较小的气体分子在解吸的瞬间，分子间范德华力较大的气体分子就会占据原先的吸附位，分子间范德华力较小的分子气体会被从煤表面置换下来。竞争吸附时，co2分子和ch4分子同时达到煤表面，由于煤对co2优先吸附[7]，明显在竞争吸附中co2分子能将ch4分子从煤表面置换出来。置换吸附时，煤对ch4分子先吸附平衡，但这种平衡也是一种动态平衡，在ch4分子解吸的瞬间，co2分子就会优先占据原先ch4分子的吸附位。因此，co2分子仍能将ch4分子从煤表面置换出来。④混合气体中各组分的吸附量仅和各自的分压有关。同一浓度、同一压力下，竞争吸附和置换吸附注入的co2总量相同，吸附罐的自由空间相同。因此，无论是竞争吸附或置换吸附co2组分的分压相同，所以co2的吸附总量不变，置换出的ch4量也不变。综上所述，无论是竞争吸附还是置换吸附，co2置换ch4的性质没有改变，置换出ch4的总量也没有改变。通过上面分析可知，竞争吸附和置换吸附只是试验过程不同，对结果没有影响。
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