陈立等：不同粒径煤吸附瓦斯过程中的热电效应 ·417· its correlation in the coal gas adsorption process of different particle sizes.The results show that an obvious thermoelectric effect accom- panies the coal gas adsorption process.The temperature of the coal increases from0.93C to 8.74C and the resistivity of the coal de- creases 0.14-0.16 times from that of its stability when it reaches adsorption equilibrium.We found the temperature of the coal to in- crease as the particle size decreased and the gas adsorption quantity increased,but the coal resistivity change was the opposite.Coal temperature and resistivity change are strongly correlated with the gas adsorption quantity,with the correlation coefficients r and r.ran- ging between 0.9502-0.9899 and -0.9316 to -0.9916,respectively,which are close to 1.Therefore,the heat adsorption process can reflect the adsorption ability of coal.When reaching equilibrium,the greater the temperature change,the higher the tem- perature and the lower the resistivity,which means that the adsorption capacity is greater,and in contrast,the adsorption capacity is weaker. KEY WORDS coal particles of different diameter;gas adsorption:temperature;resistivity:thermoelectric effect:correlation 由于煤是多孔介质，发育有大量的孔隙和裂隙， 质程度的原煤，制成5种不同粒径的煤粒，并压制 对瓦斯具有较强的吸附作用，煤在吸附瓦斯过程中 成型煤试样，进行等温吸附实验，利用SH一X多路 常伴有热效应四，进而使煤体的温度以及结构发生 温度测试仪和CHI660E型电化学工作站测试煤吸 改变，这些变化亦会引起煤电阻率的改变而引发电 附瓦斯过程中的温度变化和电流一时间(I一)曲 效应.煤吸附过程中的热电效应一直是专家学者研 线，基于Clausius--Clapeyron方程和相关性系数法， 究的热点问题，弄清煤吸附过程中的热电效应有助 分析和研究不同粒径煤吸附瓦斯过程中煤的热电 于揭示吸附过程中的能量转化和传递，更便于认识 效应及其相关性，试图从热电效应角度来研究煤 煤与瓦斯突出机理，同时对于地球物理的电法勘探 的吸附能力 及灾害预测具有重要意义.因此，国内外专家学者 开展了大量的研究工作.杨涛与聂百胜回研究了煤 1试样制备及试验系统 粒吸附瓦斯过程中的温度变化特征：刘延保等、 1.1试样制备 聂百胜等0和曹树刚等对煤吸附瓦斯过程中的 按照煤的不同变质程度，原煤煤样分别取自国 变形特征进行了试验研究：还有学者研究了煤体吸 电内蒙元宝山矿的褐煤、开滦集团钱家营矿的肥煤 附瓦斯过程中的表面电位特征和声发射特征6). 和邯矿集团陶二矿的无烟煤.首先用颚式破碎机将 Chen与Wang、董东等、康天慧等o利用原煤 大块原煤进行破碎处理，经球磨机进行研磨，通过振 煤样研究了煤电阻率随瓦斯吸附量的变化特征.秦 动筛进行筛选，筛选出粒径为0.038~0.048、0.08~ 跃平与刘鹏通过实验得到3种粒度煤样在不同 0.109、0.12~0.15、0.38-0.55和0.83-1.0mm的 瓦斯压力下累积吸附量随时间变化规律：张天军 5种煤粒.在煤粒中加入质量分数1%的腐殖酸钠， 等☒研究了5种粒径煤样瓦斯吸附量与吸附压力 利用压力机和制样模具进行压制，如图1所示，压制 的关系等；Han等)研究了页岩颗粒吸附气体时电 煤样的最大压力l5MPa,达到最大值时保压l0min, 阻率的变化规律. 然后进行脱模，并经切削和打磨，制成中25mm×50 综上所述，前人的研究多集中于煤吸附瓦斯的 mm圆柱体标准试样，如图2所示. 过程中的某个单一特征（诸如变形、温度、电阻率、 声发射特征等)的变化及其应用方面，而煤吸附瓦 斯过程中产生的热效应和电效应是相互关联的，己 有的文献虽对热效应或电效应有一定的研究，但都 是建立在各自独立的基础上，其相关性研究并不多 见.前人的研究多数采用吸附量来反映煤的吸附能 力，而煤吸附瓦斯过程中的热电效应与瓦斯吸附量 息息相关，确定它们的相关程度，利用热电效应变化 来研究煤的吸附能力，关于这方面的研究鲜有报道. 图1压力机及模具 Fig.I Press machine and mold 同时，专家学者研究表明不同粒径的煤粒对瓦斯吸 附能力有一定影响，而关于煤的粒径大小对热电效 试样按照煤的变质程度和粒径大小顺序依次进 应影响的研究较少.鉴于此，本文选取3种不同变 行编号.试样编号及基本参数，如表1所示.表中陈 立等: 不同粒径煤吸附瓦斯过程中的热电效应 its correlation in the coal gas adsorption process of different particle sizes． The results show that an obvious thermoelectric effect accom￾panies the coal gas adsorption process． The temperature of the coal increases from 0. 93 ℃ to 8. 74 ℃ and the resistivity of the coal de￾creases 0. 14--0. 16 times from that of its stability when it reaches adsorption equilibrium． We found the temperature of the coal to in￾crease as the particle size decreased and the gas adsorption quantity increased，but the coal resistivity change was the opposite． Coal temperature and resistivity change are strongly correlated with the gas adsorption quantity，with the correlation coefficients rd and rw ran￾ging between 0. 9502--0. 9899 and － 0. 9316 to － 0. 9916，respectively，which are close to ± 1． Therefore，the heat adsorption process can reflect the adsorption ability of coal． When reaching equilibrium，the greater the temperature change，the higher the tem￾perature and the lower the resistivity，which means that the adsorption capacity is greater，and in contrast，the adsorption capacity is weaker． KEY WOＲDS coal particles of different diameter; gas adsorption; temperature; resistivity; thermoelectric effect; correlation 由于煤是多孔介质，发育有大量的孔隙和裂隙， 对瓦斯具有较强的吸附作用，煤在吸附瓦斯过程中 常伴有热效应［1］，进而使煤体的温度以及结构发生 改变，这些变化亦会引起煤电阻率的改变而引发电 效应． 煤吸附过程中的热电效应一直是专家学者研 究的热点问题，弄清煤吸附过程中的热电效应有助 于揭示吸附过程中的能量转化和传递，更便于认识 煤与瓦斯突出机理，同时对于地球物理的电法勘探 及灾害预测具有重要意义． 因此，国内外专家学者 开展了大量的研究工作． 杨涛与聂百胜［2］研究了煤 粒吸附瓦斯过程中的温度变化特征; 刘延保等［3］、 聂百胜等［4］和曹树刚等［5］对煤吸附瓦斯过程中的 变形特征进行了试验研究; 还有学者研究了煤体吸 附瓦斯过程中的表面电位特征和声发射特征［6--7］． Chen 与 Wang［8］、董东等［9］、康天慧等［10］利用原煤 煤样研究了煤电阻率随瓦斯吸附量的变化特征． 秦 跃平与刘鹏［11］通过实验得到 3 种粒度煤样在不同 瓦斯压力下累积吸附量随时间变化规律; 张天军 等［12］研究了 5 种粒径煤样瓦斯吸附量与吸附压力 的关系等; Han 等［13］研究了页岩颗粒吸附气体时电 阻率的变化规律． 综上所述，前人的研究多集中于煤吸附瓦斯的 过程中的某个单一特征( 诸如变形、温度、电阻率、 声发射特征等) 的变化及其应用方面，而煤吸附瓦 斯过程中产生的热效应和电效应是相互关联的，已 有的文献虽对热效应或电效应有一定的研究，但都 是建立在各自独立的基础上，其相关性研究并不多 见． 前人的研究多数采用吸附量来反映煤的吸附能 力，而煤吸附瓦斯过程中的热电效应与瓦斯吸附量 息息相关，确定它们的相关程度，利用热电效应变化 来研究煤的吸附能力，关于这方面的研究鲜有报道． 同时，专家学者研究表明不同粒径的煤粒对瓦斯吸 附能力有一定影响，而关于煤的粒径大小对热电效 应影响的研究较少． 鉴于此，本文选取 3 种不同变 质程度的原煤，制成 5 种不同粒径的煤粒，并压制 成型煤试样，进行等温吸附实验，利用 SH--X 多路 温度测试仪和 CHI660E 型电化学工作站测试煤吸 附瓦斯过程中的温度变化和电流--时间( I--t) 曲 线，基于 Clausius--Clapeyron 方程和相关性系数法， 分析和研究不同粒径煤吸附瓦斯过程中煤的热电 效应及其相关性，试图从热电效应角度来研究煤 的吸附能力． 1 试样制备及试验系统 1. 1 试样制备 按照煤的不同变质程度，原煤煤样分别取自国 电内蒙元宝山矿的褐煤、开滦集团钱家营矿的肥煤 和邯矿集团陶二矿的无烟煤． 首先用颚式破碎机将 大块原煤进行破碎处理，经球磨机进行研磨，通过振 动筛进行筛选，筛选出粒径为 0. 038 ～ 0. 048、0. 08 ～ 0. 109、0. 12 ～ 0. 15、0. 38 ～ 0. 55 和 0. 83 ～ 1. 0 mm 的 5 种煤粒． 在煤粒中加入质量分数 1% 的腐殖酸钠， 利用压力机和制样模具进行压制，如图 1 所示，压制 煤样的最大压力 15 MPa，达到最大值时保压 10 min， 然后进行脱模，并经切削和打磨，制成 25 mm × 50 mm 圆柱体标准试样，如图 2 所示． 图 1 压力机及模具 Fig． 1 Press machine and mold 试样按照煤的变质程度和粒径大小顺序依次进 行 编号． 试样编号及基本参数，如表 1 所示． 表中 · 714 ·