Comparative analysis of pore structure parameters of coal adsorbed by different gas probe molecules
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摘要:
煤体微观孔隙结构的准确表征对深入了解煤的内部结构和气体吸附、解吸和扩散特性具有重要意义。在液氮（77 K）条件下，对3种变质程度的煤进行低压氩气吸附试验（LPGA-Ar）、低压氮气吸附试验（LPGA-N2）和低压氧气吸附试验（LPGA-O2），分析了煤的吸附变化规律；应用试验数据和非局部密度泛函理论（NLDFT），对煤的孔隙结构参数进行表征。结果表明：煤对Ar、N2和O2气体的吸附过程包含微孔填充、单层吸附、多层吸附以及毛细凝聚现象，其中煤对N2的吸附量略高于Ar，对O2的吸附量是N2的2～8倍。煤吸附/脱附等温线的滞后类型在不同探针分子测试试验中均属于同一类型即H3型，揭示了煤中含有大量狭缝形孔隙。在77 K测试温度下，不同探针分子测试的孔径范围不同，即Ar探针分子为0.87～12 nm；N2探针分子为1.09～250 nm；O2探针分子为0.81～50.82 nm。而煤样的孔径分布在不同探针分子测试下均呈“多峰”分布，其中在微孔范围内都表现为“单峰”特性。与N2、O2探针分子相比，Ar探针分子可以准确分析2～10 nm孔隙参数，同时Ar和O2探针分子可以进入极微孔（0.7～2 nm）。3种探针分子都很难对微孔孔容进行准确表征，尤其是N2探针分子。此外，不同探针分子测试下煤样的微孔和介孔比表面积贡献率不同，说明微孔是决定煤对N2吸附的主要因素，而煤对Ar和O2吸附则是介孔占主导。
Abstract:The accurate characterization of the microscopic pore structure of coal is of great significance to the in-depth understanding of the internal structure of coal and the characteristics of gas adsorption, desorption and diffusion. Under the condition of liquid nitrogen (77 K), the low pressure argon adsorption experiment (LPGA-Ar), low pressure nitrogen adsorption experiment (LPGA-N2) and low pressure oxygen adsorption experiment (LPGA-O2) are carried out on the coal with three kinds of metamorphic degrees, and the changes of coal adsorption are analyzed. Using experimental data and non-local density functional theory (NLDFT), the pore structure parameters of coal are characterized. The results show that the adsorption processes of Ar, N2 and O2 by coal include micropore filling, single-layer adsorption, multi-layer adsorption and capillary condensation. The adsorption capacity of N2 by coal is slightly higher than that of Ar, and the adsorption amount of O2 is 2−8 times that of N2. The hysteresis types of coal adsorption/desorption isotherms are of the same type in different probe molecular tests, that is, H3 type, which reveals that coal contains a large number of slit pores. At the test temperature of 77 K, the pore size range of different probe molecules is different, that is, the Ar probe molecules are 0.87−12 nm; the N2 probe molecules are 1.09−250 nm; the O2 probe molecules are 0.81−50.82 nm. However, the pore size distribution of coal samples shows a “multi-peak” distribution under different probe molecular tests, and it shows a “single-peak” characteristic in the range of micropores. Compared with N2 and O2 probe molecules, Ar probe molecules can accurately analyze 2−10 nm pore parameters, and Ar and O2 probe molecules can enter narrow micropores (0.7−2 nm). It is difficult to accurately characterize the pore volume of the three probe molecules, especially N2 probe molecule. In addition, the contribution rates of micropores and mesoporous specific surface areas of coal samples under different probe molecular tests are different, indicating that micropores are the main factor determining the adsorption of N2 by coal, while the adsorption of Ar and O2 is dominated by mesoporous pores.
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0. 引 言
煤作为一种多孔介质，具有复杂的孔隙结构。瓦斯是造成煤与瓦斯突出的主要原因之一，孔隙是瓦斯赋存的主要场所[1-3]。系统研究煤的孔隙结构及其发育规律，对深入研究煤层气的赋存和煤与瓦斯突出机理具有重要意义。近年来，对煤的孔隙结构研究方法越来越多，主要概括为2大类：流体侵入法和光电辐射法，其中流体侵入法包含压汞法和气体吸附法；光电辐射法包括低场核磁共振、扫描电镜和小角X射线散射等方法[4-6]。而气体吸附法因所选气体的优异特性在试验精度上具有优势。目前，煤的孔隙结构分类方案有很多。前苏联学者Hodot在工业吸附剂基础上提出孔隙分类。之后，许多学者采用其分类方案或者根据研究目的不同对其进行重新分类。依据煤孔隙表现出分段的分形特征，HAN等[7]提出新的分段分形维数的孔隙分类方案，即Ⅰ（0～2 nm，对应D1）、Ⅱ（2～50 nm，对应D2）、Ⅲ（50～2 000 nm，对应D3）、Ⅳ（2 000～20 000 nm，对应D4）、Ⅴ（>20 000 nm，对应D5）；根据气体在煤中的储存和运移，降文萍等[8]将孔隙分为吸附孔隙(<10 nm)、游离孔隙(10～100 nm)、扩散孔隙(100～1 000 nm)和渗流孔隙(>1 000 nm)；张开仲等[9]则提出“填充孔（<1.5 nm）−扩散孔（1.5～100 nm）−渗流孔（>100 nm）”多级孔隙的分类方法。国际理论化学和应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)提出了接受最广泛的孔隙分类标准[10]：微孔（<2 nm）、介孔（2～50 nm）和大孔（>50 nm）。本文中采用IUPAC孔隙分类方法对煤样孔隙结构进行分析。
针对瓦斯运移与孔隙结构的关系，学者通常认为，微孔是瓦斯吸附的主要场所，介孔是瓦斯扩散的空间，大孔是瓦斯渗流的空间[11-12]。低压CO2吸附法（LPGA-CO2）主要用于分析微孔，低压N2吸附法（LPGA-N2）和压汞法用于分析介孔和大孔。REN等[13]通过氮气吸附试验获得了中高阶煤样的原生结构和构造变形结构。而WANG等[14]采用N2/CO2吸附法对原生煤和构造煤的孔隙结构进行分析，发现构造煤的微孔、介孔和大孔体积以及比表面积均大于原生煤。WANG等[15]通过低压氮气吸附方法分析构造演化对煤孔隙结构的影响，发现在构造演变过程中煤的介孔和大孔体积逐渐增加。程远平等[16]利用低压N2/CO2吸附方法对煤的微观孔隙结构进行定量分析，发现煤的吸附能力受微孔孔隙容积和外比表面积双重因素控制。李阳等[17]利用压汞法和N2/CO2吸附法发现煤中孔容和比表面积存在微孔>大孔>介孔的规律。LIU等[18]利用N2吸附试验对不同煤阶煤样的孔隙体积和孔径分布进行表征，结果表明介孔体积和比表面积与煤阶呈正相关。WEN等[19]对6个不同变质程度煤样的全尺寸孔隙结构进行研究，发现全尺寸孔隙体积和比表面积随变质程度的增加均先减小后增大。WANG等[20]采用N2物理吸附方法研究不同粒径下中阶煤的微孔和介孔结构特征，结果表明比表面积随粒径的减小而增加。至此可知，LPGA-N2方法应用于煤的孔隙结构参数测定。需要说明的是，由于氮气分子是极性分子，它的四极矩会和煤表面的官能团和暴露的离子发生相互作用，引起氮气分子的取向问题。同时，氮气分子呈椭球体，在不同方向所占据的有效面积也不同，采用公认的0.162 nm2计算表面积会使其值小于真实值。IUPAC[21]推荐Ar替代N2成为更好的吸附剂，因为它具有零四极矩，特别适用于孔径分布评估。然而，从成本角度来看，使用昂贵的液态氩(87 K)作为冷却剂不合适，因此采用液氮(77 K)的测量方法。最近，具有低四极矩和与材料表面官能团的表面相互作用有限的O2被提出作为表征孔径分布的替代吸附剂，然而这种方法应用于活性炭[22]，目前还没有关于煤的研究。通过查阅文献发现用低压Ar吸附（LPGA-Ar）和低压O2吸附（LPGA-O2）方法对煤的孔隙结构研究不够全面，所以笔者将采用LPGA-Ar、LPGA-N2和LPGA-O2方法对煤样进行孔隙结构表征，分析3种探针分子测试煤的孔隙结构存在的差异，为煤的孔隙结构表征提供参考。
1. 研究方法
1.1 煤 样
试验煤样分别来自山西晋华宫（JHG）、鸡西东山（DS）和沈阳林盛（SY）3个煤矿的采煤工作面，其中JHG是弱黏煤，DS是1/3焦煤，SY是肥煤。按照GB/T474—2008《煤样的制备方法》先将煤样进行预破碎，然后使用煤样筛按粒度分选为0.18～0.25 mm（60～80目）和<0.18 mm（>80目）。<0.18 mm的煤样按照GB/T212—2008《煤的工业分析方法》测定煤的空气干燥基水分（Mad）、干燥基灰分（Aad）、干燥无灰基挥发分（Vdaf）和空气干燥基固定碳（FCad），其结果见表1。
表 1 试验煤样工业分析Table 1. Proximate analysis of experimental coal samples样品编号 Mad/% Aad/% Vdaf/% FCad/% JHG 2.55 10.21 35.57 51.67 DS 1.76 7.68 30.23 60.33 SY 0.67 9.75 22.35 67.23 1.2 试验方法
本研究使用ASAP2020 Plus全自动物理/化学吸附仪进行吸附/脱附试验。试验前将60～80目（0.18～0.25 mm）的煤样置于干燥箱内，在100 ℃下干燥至恒重。随后将样品装入样品管中，安装在脱气站，在100 ℃温度下脱气10 h，以除去样品中的杂质。脱气结束后，将样品管安装到分析站，在液氮（77 K）的温度下分别测试3种煤样的Ar、N2和O2吸附/脱附等温曲线，其中试验参数设置和气体分子性质分别见表2—表3。
表 2 LPGA-Ar、LPGA-N2和LPGA-O2试验测试参数设置Table 2. Test parameter settings of LPGA-Ar, LPGA-N2 and LPGA-O2 experiments参数 LPGA-Ar LPGA-N2 LPGA-O2 饱和蒸气压P0/MPa 0.027 0.100 0.021 最大平衡压力P/MPa 0.0268 0.0995 0.0209 相对压力（P/P0） 5×10−4～0.995 10−6～0.995 2×10−4～0.995 试验温度/K 77 77 77 煤样质量/g 1.5～2.0 2～3 0.5～1.0 平衡间隔时间/s 30 30 30 表 3 气体探针分子基础参数Table 3. Molecular basic parameters of gas probe探针分子 分子直径/
nm分子截面积/
nm2四极矩/
1040 cm2极化率/
10−25 cm3Ar 0.340 0.142 0 16.4 N2 0.364 0.162 −4.91 17.4 O2 0.346 0.136 −1.33 15.8 1.3 孔隙结构参数表征方法
目前有多种吸附理论模型用于研究煤的孔隙结构，主要包含Brunauer-Emmett-Teller （BET）、Barret-Joyner-Halenda （BJH）和Density Functional Theory （DFT）等[23-25]。本研究将采用近年来发展迅速的非局部密度泛函理论（NLDFT）方法来分析吸附等温线，从而对煤的孔隙结构进行定量分析。该方法是DFT的变形模式。DFT方法基于分子热力学理论发展而来，可以不使用传统动力学或者现象逻辑处理，即可关联吸附等温线和固体的孔性质，包括流−固和流−流相互作用能量参数、孔大小、孔形状和温度。它从分子水平描述了受限于孔内的流体特性，将吸附质的分子性质与煤中的不同尺寸内的吸附性能联系起来，其表现形式如式(1)所示。
$$ N\left(P / P_{0}\right)=\int_{{{w}}_{\text {min }}}^{{{w}}_{\max }} N\left(P / P_{0}, W\right) f(W){\mathrm{ d}} W $$ (1) 式中：N(P/P0)为吸附等温数据线；W为孔宽，nm；N(P/P0, W)为单孔宽为W的吸附等温线；f(W)为孔径分布函数。
运用DFT方法可以得到孔径分布特征。由其发展而来的NLDFT方法可以更准确地描述液体在孔壁的状态，且NLDFT模型的准确性比传统模型高20%[26]。
2. 结果与讨论
2.1 吸附等温线
3个样品的LPGA-Ar、LPGA-N2、LPGA-O2吸附等温线如图1所示。在77 K温度下，JHG、DS和SY 3种煤样对O2的最大吸附量分别为4.97、3.43、2.36 cm3/g，对N2的最大吸附量分别为0.80、0.53、1.92 cm3/g，对Ar的最大吸附量分别为0.64、0.41、0.48 cm3/g。3种煤样对气体吸附能力均为O2>N2>Ar，其中对O2的吸附量是N2、Ar的2～8倍，而对N2的吸附量略高于Ar。气体的四极矩和极化率会影响气体和煤表面基团的相互作用。由表3可知，3种探针分子的四极矩和极化率顺序分别为N2>O2>Ar和N2>Ar>O2。N2的四极矩和极化率都大于Ar，表明N2与煤之间的作用力强于Ar，从而造成煤对N2的吸附量高于Ar，而O2有低四极矩和极化率，理论上O2与煤表面的相互作用有限，但拥有高吸附量，说明四极矩和极化率无法解释该现象。据研究[27]发现，O2的扩散率远高于N2和Ar，这可以解释本研究中O2吸附增强现象，然而要探究O2吸附现象的确切原因还需要进一步的研究。
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图 1 3种煤样的LPGA-Ar、LPGA-N2和LPGA-O2吸/脱附等温曲线注：空心图例为脱附等温线；实心图例为吸附等温线。Figure 1. Absorption/desorption isotherm curves of LPGA-Ar, LPGA-N2 and LPGA-O2 of three coal samples由煤样的吸附/脱附等温线可知：在极低压阶段吸附量急速增加，微孔填充占主导地位；在低压阶段吸附曲线向上凸起，煤样主要从微孔填充状态向单层吸附过渡，吸附状态主要为单层吸附；在中压阶段，煤样的单层吸附结束后立即发生多层吸附，吸附曲线缓慢线性增加，在高压阶段，吸附量迅速增加，吸附过程出现毛细凝聚现象，但在P/P0≈1未形成平台，说明吸附并未达到饱和。在标准状况下，3个煤样的等温线均存在吸脱附分支分离的现象，形成明显的滞后现象，这与高相对压力段发生毛细凝聚现象有关，但其归因是孔的作用，当Ar、N2和O2被吸附到煤孔中时，阻力较小，吸附容易进行，而在脱附时期，当压力下降时，脱附阻力较大，则脱附不完全，只能在更低的相对压力下脱附，这就产生滞后环。滞后环的形状可以反映一定的孔隙形状。根据IUPAC分类标准，3种方法的滞后环类型相同，可视为H3型。由此可知煤样含有大量的狭缝形孔，表明煤中气体的吸附运移较为稳定。此外，LPGA-Ar和LPGA-N2滞后环即使在相对压力很低的情况下也并未闭合，尤其是Ar吸附量与脱附量差值十分明显，其原因或许在于层间间距大致相当于数倍的Ar或N2分子直径。该尺度与煤中微孔接近，当Ar和N2进入层间后，很难脱离。
2.2 孔径分布
根据煤样吸附等温线和NLDFT方法的结果得到煤样的孔径分布（PSD）特征，如图2所示。煤样的孔径分布整体呈多峰分布，峰形特征差异明显，变化幅度大，表明煤的孔隙结构复杂。LPGA-Ar、LPGA-N2和LPGA-O2的PSD结果也有显著差异。由图2可知，在77 K温度下，Ar、N2和O2探针分子测得的孔径范围分别为0.87～12、1.09～250和0.81～50.82 nm。由表3可知，Ar、N2和O2分子直径分别为0.340、0.364和0.346 nm，理论上孔径分布的数据是从探针分子的直径开始，但实际上3种探针所测的最小孔径皆大于分子直径，说明气体分子可能无法进入分子直径大小的煤孔中。JHG、DS和SY煤样在Ar、N2和O2不同探针下测定的孔径分布，在微孔范围内均呈现“单峰”特性，其峰值孔径代表煤中的最可几孔径，即1.71、1.27和1.74 nm；在介孔范围，PSD均呈现多峰特征，其中Ar探针测定的PSD在孔径为3、5.5、6.6、11 nm处的峰分布明显，表明上述大小的孔广泛存在煤中；除N2探针测试下的JHG煤样在8.63和13.67 nm孔径处有明显“双峰”外，其余N2和O2测定的煤样的PSD的变化趋势缓慢，峰无明显变化。3种探针的峰值强度和峰值孔径存在差异，不仅可以直观地反映煤的孔隙结构参数的不同，也可以反映煤孔隙结构的复杂性。
比表面积(SSA)分布特征也是反映煤孔隙结构复杂程度的重要参数。基于煤的孔径分布特征比较和总结比表面积分布，结果如图3所示。通过分析发现，Ar和N2探针下煤样的SSA分布与PSD分布相似，N2和O2探针下煤样的SSA分布相似。对于SSA的峰强度而言，Ar和O2探针测试结果随着变质程度增加而减小，N2探针测试下的变化趋势与之相反；对于SSA峰面积，则Ar探针下的峰面积随着变质程度的增加而变大，N2和O2与之相反；这可能是气体探针扩散能力、测试方法和可测孔径范围等影响因素所造成的。
由于3种探针在77 K温度下所测得的孔径上限不一，即Ar探针分子可以测得煤的最大孔径为12 nm，N2探针分子测得最大孔径为250 nm，O2探针分子测得最大孔径为50.82 nm。所以，采用3种探针分子中可以测得最小的最大孔径（12 nm）为分析范围的上限。通过对比分析发现，在3种探针测试下的SSA存在异同点，它们在<2 nm孔径范围内呈现单峰特性。相较于其他2种探针，Ar在2～10 nm存在明显的峰值，表明Ar可以较好地表征2～10 nm的孔隙。
2.3 孔容和比表面积对比分析
2.3.1 孔 容
煤的孔径和比表面积分布只能分析变化趋势的特征。为了直观地研究测试探针对孔容和比表面积的影响，对其测试结果进行了分析和总结，结果如表4、图4和图5所示。N2测定的微孔范围仅为1.09～2.00 nm，得到的孔容容积很小，不能准确地表征煤的微孔结构，因此仅分析了煤的介孔和大孔的结构参数。JHG、DS和SY样品的介孔体积分别为4.84×10−4、3.08×10−4和7.37×10−4 cm3/g；大孔的体积分别为4.61×10−4、4.64×10−4和2.65×10−4 cm3/g。
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图 4 煤样不同阶段孔隙结构的孔容占比关系Figure 4. Relationship of pore volume ratio of pore structure at different stages of coal sample表 4 煤样的孔容和比表面积Table 4. Pore volume and specific surface area of coal sample探针 样品 孔容/（10−4cm3·g−1） 比表面积/（m2·g−1） 微孔 介孔 大孔 微孔 介孔 大孔 JHG 0.77 6.78 — 0.088 0.220 — Ar DS 0.33 4.41 — 0.037 0.150 — SY 0.51 5.00 — 0.057 0.170 — JHG 0.40 4.84 4.61 0.056 0.065 0.0100 N2 DS 0.40 3.08 4.64 0.054 0.025 0.0100 SY 3.44 7.37 2.65 0.680 0.140 0.0065 JHG 0.50 15.8 6.37 0.059 0.240 0.0025 O2 DS 0.43 8.48 4.76 0.053 0.150 0.1900 SY 0.33 8.94 5.02 0.039 0.140 0.0200 ![]()
图 5 煤样不同阶段孔隙结构的孔比表面积占比关系Figure 5. Relationship between pore specific surface area ratio of pore structure at different stages of coal sample表4结果也表明Ar和O2都不能准确获得微孔的结构参数信息。虽然理论上Ar测得的最小孔径为0.87 nm，但很难准确获得微孔的信息，同时77 K下，Ar饱和蒸气压较小，测得的孔径上限为12 nm。因此该温度下的Ar只能用于介孔（2～12 nm）分析。JHG、DS和SY样品的（2～12 nm）孔容分别为6.78×10−4、4.41×10−4和5.00×10−4 cm3/g，是N2计算（2～12 nm孔）的4.68、49.04和1.47倍，其中DS的倍数最大可能是因为N2无法测得该煤样2～11 nm孔的数据。随着变质程度的增加，Ar测得的介孔数量变化波动小，整体变化规律与N2相似。对O2探针分子而言，2～50 nm的介孔皆可测定，JHG、DS、SY的介孔孔容分别是N2分析的3.26、2.75、1.21倍。3种探针分子测试的DS煤样的介孔孔容值都最小，表明DS煤样介孔的发育最不成熟。结合以上分析，可以推断出Ar和O2在表征介孔孔隙结构方面比N2更具有优势，尤其是LPGA-Ar可作为测得2～10 nm孔径范围的孔隙研究方法的补充。
2.3.2 比表面积
由图4和图5可知，Ar和O2探针下煤样的不同阶段比表面积占比关系变化趋势与孔容相同，而N2探针则与之相反。其中，N2探针下3种煤样的微孔比表面积贡献率均在43%以上，最高达到81%，这意味着微孔是总比表面积的主要贡献者，且微孔的贡献率随变质程度的增加而变大，介孔和大孔变化趋势与之相反。一般总比表面积较大的煤具有较强的吸附能力，因此微孔是决定煤吸附能力的主要因素。由于Ar和O2测定的范围与N2不同，Ar和O2测试方法下的煤样介孔比表面积贡献率67%以上。在77 K温度下，介孔是Ar和O2吸附能力的绝对性因素，而N2吸附是微孔占主导。
3种探针分子在77 K下的测试孔径范围不一，为探究分子本身特性对比表面积的影响，选取相同孔径范围进行对比分析，即1.09～12 nm。Ar探针分子下，JHG、DS和SY的比表面积分别为0.31、0.18和0.23 m2/g；N2探针分子下，JHG、DS和SY的比表面积分别为0.040、0.001和0.100 m2/g；O2探针分子下，JHG、DS和SY的比表面积分别为0.19、0.13和0.11 m2/g。Ar的比表面积均高于N2和O2。如图6所示，Ar分子为球形分子，四极矩为0，吸附的分子截面积是稳定的。N2和O2是具有四极矩的椭球形分子，并且分子截面积存在不确定性。在测试过程中，受煤表面极性官能团的影响，探针分子吸附面的占位大小不确定，造成试验数据存在一定差异，对于活性炭和沸石等表面带有极性官能团的材料，Ar的比表面积分析更为准确。
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图 6 探针分子的不同位置示意Figure 6. Schematic diagrams of different positions of probe molecules3. 结 论
1）煤对N2的吸附量大于Ar，揭示探针分子的四极矩和极化率越大，煤对其吸附量越大。3种探针分子等温线的滞后类型均为H3型，表明煤样的孔形为狭缝形。在77 K下，Ar、N2和O2探针分子测得的孔径范围分别为0.87～12、1.09～250和0.81～50.82 nm。Ar和O2都可以进入到极微孔（0.7～2 nm），但Ar能准确分析2～10 nm的孔隙，其峰值明显强于N2和O2，表明77 K温度下，在2～10 nm孔径范围内Ar可以替代N2成为新的吸附剂。
2） JHG、DS和SY样品在LPGA-Ar下的介孔孔容（2～12 nm孔）是LPGA-N2计算的4.68、49.04和1.47倍，在LPGA-O2下的介孔孔容分别是LPGA-N2分析的3.26、2.75和1.21倍。3种探针分子测试下的DS煤样的介孔孔容最小，表明DS煤样的介孔发育程度最低。
3）3种煤样在N2探针分子下测试的比表面积主要贡献为微孔，其值均在43%以上，Ar和O2探针分子则是介孔提供最大贡献。Ar探针分子适用于表征带有极性基团材料的比表面积；O2探针分子适用于表征硬碳材料的比表面积。
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图 1 3种煤样的LPGA-Ar、LPGA-N2和LPGA-O2吸/脱附等温曲线
注：空心图例为脱附等温线；实心图例为吸附等温线。
Figure 1. Absorption/desorption isotherm curves of LPGA-Ar, LPGA-N2 and LPGA-O2 of three coal samples
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图 4 煤样不同阶段孔隙结构的孔容占比关系
Figure 4. Relationship of pore volume ratio of pore structure at different stages of coal sample
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图 5 煤样不同阶段孔隙结构的孔比表面积占比关系
Figure 5. Relationship between pore specific surface area ratio of pore structure at different stages of coal sample
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图 6 探针分子的不同位置示意
Figure 6. Schematic diagrams of different positions of probe molecules
表 1 试验煤样工业分析
Table 1 Proximate analysis of experimental coal samples
样品编号 Mad/% Aad/% Vdaf/% FCad/% JHG 2.55 10.21 35.57 51.67 DS 1.76 7.68 30.23 60.33 SY 0.67 9.75 22.35 67.23 
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表 2 LPGA-Ar、LPGA-N2和LPGA-O2试验测试参数设置
Table 2 Test parameter settings of LPGA-Ar, LPGA-N2 and LPGA-O2 experiments
参数 LPGA-Ar LPGA-N2 LPGA-O2 饱和蒸气压P0/MPa 0.027 0.100 0.021 最大平衡压力P/MPa 0.0268 0.0995 0.0209 相对压力（P/P0） 5×10−4～0.995 10−6～0.995 2×10−4～0.995 试验温度/K 77 77 77 煤样质量/g 1.5～2.0 2～3 0.5～1.0 平衡间隔时间/s 30 30 30
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表 3 气体探针分子基础参数
Table 3 Molecular basic parameters of gas probe
探针分子 分子直径/
nm分子截面积/
nm2四极矩/
1040 cm2极化率/
10−25 cm3Ar 0.340 0.142 0 16.4 N2 0.364 0.162 −4.91 17.4 O2 0.346 0.136 −1.33 15.8
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表 4 煤样的孔容和比表面积
Table 4 Pore volume and specific surface area of coal sample
探针 样品 孔容/（10−4cm3·g−1） 比表面积/（m2·g−1） 微孔 介孔 大孔 微孔 介孔 大孔 JHG 0.77 6.78 — 0.088 0.220 — Ar DS 0.33 4.41 — 0.037 0.150 — SY 0.51 5.00 — 0.057 0.170 — JHG 0.40 4.84 4.61 0.056 0.065 0.0100 N2 DS 0.40 3.08 4.64 0.054 0.025 0.0100 SY 3.44 7.37 2.65 0.680 0.140 0.0065 JHG 0.50 15.8 6.37 0.059 0.240 0.0025 O2 DS 0.43 8.48 4.76 0.053 0.150 0.1900 SY 0.33 8.94 5.02 0.039 0.140 0.0200
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