急傾斜煤層煤樣吸附與解吸特性實驗研究

梁翠云

（神華新疆能源有限責任公司，新疆維吾爾自治區烏魯木齊市，830027）

1 引言

急傾斜煤層放頂煤開采工作面由于一次性放煤數量多，開采強度高、放高大，采動引發的絕對瓦斯涌出量增加，在工作面附近瓦斯存在超限現象，特別是回風巷上隅角，影響了工作面的安全生產，成為放頂煤工作面安全生產的重要防范對象。

無論是緩傾斜煤層還是急傾斜煤層，瓦斯在礦井中均有吸附和游離兩種存在狀態。在沒有開采擾動的情況下瓦斯一般吸附在煤體的空隙中，是煤體空隙表面顆粒與瓦斯氣體的聚積。在高溫及開采擾動下瓦斯會從吸附狀態轉換為游離狀態，解吸并散發至礦井內部的空間中。由于開采前煤層中的瓦斯總量不變且基本處于吸附狀態，因此可以說礦井中瓦斯的含量取決于瓦斯自身的解吸和吸附，吸附量大，解吸量少，則煤體空隙中處于吸附狀態的瓦斯含量高，礦井空間中的瓦斯含量低；吸附量小，解吸量大，則礦井空間中處于游離狀態的瓦斯含量就高。掌握瓦斯的吸附與解析特性，研究煤體內部空隙的發育特征對控制煤礦空間內的瓦斯含量與瓦斯為驅動的突出有著重要意義，這也為進一步采取合理措施降低礦井瓦斯含量提供了依據。

2 急傾斜礦區煤層與瓦斯賦存特征

2.1 煤層賦存特性

烏魯木齊礦區開采煤層為中侏羅統西山窯組（J2x），共含煤33層，屬急傾斜近距離煤層群。煤層總厚度117.07～175.45m，其中可采27層，可采總厚度120～135 m。煤層走向52°～65°，傾向322°～335°，煤層傾角63°～88°。六道灣煤礦、葦湖梁煤礦、堿溝煤礦、小紅溝煤礦和大洪溝煤礦均位于八道灣向斜南翼，煤層傾角在走向上由西向東有逐步變陡的趨勢。礦區西部的六道灣煤礦和葦湖梁煤礦煤層傾角60°～70°，平均65°；東部的堿溝煤礦、小紅溝煤礦和大洪溝煤礦煤層傾角60°～89°，平均87°。烏魯木齊礦區兩主采煤層的賦存特征如表1所示。

2.2 瓦斯賦存特征

以該礦區中的堿溝煤礦為例，1991 年1 月，+564m 西一采區+564m 水平43＃煤層掘進過程中瓦斯涌出量較大，+564m 水平橫貫揭穿43＃煤層后，施工的鉆孔內最大瓦斯濃度80%，后對該石門進行封閉，封閉后取樣測定的瓦斯濃度維持在40%～45%。1994年，對+564m 水平43＃煤層進行了瓦斯等級鑒定，測得相對瓦斯涌出量為5.37 m3／d·t。與此同時，先后在+564m 水平西一采區共掘了4條穿層煤門，發現43＃煤層頂板以南8～18m 區段范圍內瓦斯涌出量較大，在局部施工的鉆孔內，瓦斯濃度在60%～70%，瓦斯壓力為0.04 MPa，流量為0.1m3／min。1995年6月經原烏魯木齊礦務局、新疆煤炭工業廳研究決定將堿溝煤礦+564m 水平西一采區定為瓦斯涌出異常區，該區域按照高瓦斯區域進行管理。2001年測得+564m 水平西一采區43＃煤層絕對瓦斯壓力為0.15 MPa，相對瓦斯壓力0.05 MPa。2006年礦井瓦斯等級鑒定結果中，該區域瓦斯等級為低級，最大相對瓦斯涌出量為2.25m3／t，最大絕對瓦斯涌出量為3.81m3／min。

表1 主采煤層特征

3 煤體內部空隙特征實驗

3.1 煤樣成分識別

目前主采的43＃、45＃煤層宏觀煤巖類型以亮煤及半亮型煤為主，暗煤次之，鏡煤和絲炭少量。顯微組分中凝膠化物質一般在75%以上，主要為膠化基質體，鏡煤、木煤、木質鏡煤為少量；半絲炭化物質一般在10%～15%，半絲炭化木煤為主，半絲炭化木質鏡煤及半絲炭化基質次之；煤中穩定組分一般小于5%；礦物質在5%左右；絲炭組以絲炭為主，多呈透鏡狀。穩定組分以小孢子體為主，角質層、大孢子和樹脂體次之。礦物質可見浸染狀小結核狀黃鐵礦，方解石及粘土類物質呈孢腔充填，還有少量石英和菱鐵礦。

鏡煤的平均最大反射率為0.77%～0.84%（Romax≥0.65%），屬低變質程度的氣煤。主采43＃、45＃煤層的煤巖組分分析見表2。可以看出其屬于變質作用的生氣增長階段。

表2 主采煤層煤巖組分分析結果

3.2 煤體內部空隙電鏡掃描特征

煤體介質中孔隙是瓦斯的賦存空間，孔隙分布特征的研究是煤儲層性質研究和資源評價的一項基礎工作，同時，也是瓦斯勘探開發工程設計的基礎。低階煤的孔隙分布研究尤顯重要，其原因在于，低階煤的大孔隙或較大的裂隙是游離氣潛在的賦存空間，同時對低階煤的高滲透率也有潛在的影響。通過實驗，獲得43＃、45＃煤層的孔隙度分別為3.8%、6.3%。

圖1是43＃、45＃煤層采取煤樣的電鏡掃描圖像，可以看出煤體表明均有大小不一的突起、空隙甚至破碎，這種結構增大了煤體表明顆粒的表面積，有助于煤體表明顆粒吸附瓦斯分子。另外，煤體空隙的孔喉連通狀況較差，瓦斯氣體含量 （瓦斯壓力）會出現分區分塊的變化差異，開采實踐中須密切注意局部瓦斯壓力過大導致瓦斯突出及瓦斯驅動煤突出等動力災害。

4 煤樣吸附與解吸實驗

瓦斯吸附行為常用朗格繆爾單分子層吸附模型、BET 多分子層吸附模型和容積充填模型予以描述，目前應用最為廣泛的是朗格繆爾模型。實驗主要是利用Terratek生產的IS-100 等溫吸附儀進行。

朗格繆爾模型方程：

式中：V——氣體壓力為p 時的吸附量；

Vm，a——煤孔隙表面覆蓋滿單分子層時的吸附量，即最大吸附量；

VL——朗格繆爾體積；

b——吸附系數，是溫度和吸附熱的函數；

P——氣體壓力；

pL——朗格繆爾壓力，等于1／b。

當溫度升高時，b值減小或pL值增大，故吸附量隨溫度的升高而降低。

瓦斯的散出僅為瓦斯的解吸階段，由于瓦斯氣體的賦存受多因素控制，賦存狀態與型式多樣，現根據AST-1000型等溫吸附解吸儀的實驗結果進行總結。

圖1 煤樣空隙電鏡掃描

4.1 煤樣解析與吸附實驗結果

通過瓦斯的吸附與解析實驗獲得了不同壓力下煤樣吸附、解析瓦斯的樣本曲線。圖2是43＃煤層煤樣吸附與解析的特征，運用冪指數方程對曲線進行了擬合，獲得了瓦斯解吸與吸附的冪函數表達式。

吸附的冪函數表達式：

解吸的冪函數表達式：

圖3是45＃煤層煤樣吸附與解析的特征，運用冪指數方程對曲線進行了擬合，獲得了瓦斯解吸與吸附的冪函數表達式。

吸附的冪函數表達式：

解吸的冪函數表達式：

圖2 43＃煤層煤樣對瓦斯的吸附與解析樣本曲線

圖3 45＃煤層煤樣對瓦斯的吸附與解析樣本曲線

43＃煤層瓦斯的吸附函數擬合度達到了99.9%，解吸函數擬合度達到了99.9%；45＃煤層瓦斯的吸附函數擬合度達到了99.8%，解吸函數擬合度達到了99.4%。較好的對各個樣本點進行了擬合，為預測瓦斯解吸與吸附提供了依據。43＃、45＃煤層瓦斯的吸附與解吸量均隨壓力的增加而提高，具體表現在瓦斯壓力為0～0.5 MPa的情況下，瓦斯基本處于吸附狀態，0.5 MPa以后瓦斯開始出現了解吸，隨著壓力的不斷增加，解吸量也不斷增加，解吸與吸附的差值愈來愈小，43＃、45＃煤層分別在壓力為9.5 MPa和9.8 MPa時解吸量等于吸附量。

4.2 高壓力瓦斯解吸對瓦斯突出的影響分析

實驗結果表明，隨著瓦斯壓力的增加瓦斯的解吸能力逐漸增強，煤體內部空隙表面的顆粒已不能吸附較大壓力的瓦斯分子，在受到開采擾動影響并擁有釋放空間時，高壓力呈吸附態的瓦斯瞬間涌出成為游離態的瓦斯。在解吸過程中瓦斯分子與煤體空隙表面顆粒迅速分開，由于煤體內部裂隙孔喉連通的復雜性，高速涌出的瓦斯對煤體內部裂隙造成損傷，降低煤體的強度，隨著進一步涌出帶來損傷的不斷積累，在達到煤體損傷極限時煤體撕裂、突出，這解釋了高應力區和高瓦斯壓力會導致瓦斯突出的現象。

相關研究表明，孔隙壓力由0.1～1 MPa的變化過程中，以瓦斯為驅動的突出幾乎沒有；當孔隙壓力大于1.5 MPa時，系統失穩度隨孔隙壓呈非線性增加，增加幅度較大，1.5 MPa是瓦斯驅動突出起顯著作用的臨界值。43＃、45＃煤層的儲層壓力分別為1.8346 MPa、1.7988 MPa，以此為判據，43＃、45＃煤層的瓦斯壓力超過了瓦斯起顯著的臨界值，煤體失穩度上升，有發生瓦斯突出的可能。

實測43＃、45＃煤層含氣量分別為3.74m3／t、5.8m3／t，得出儲層條件下兩層煤的最大吸附量分別為5.71 m3／t、6.09 m3／t，含氣飽和度分別為66%、96%。在45＃煤層現采位置，最大含氣量已經超過6 m3／t，同時含氣飽和度較高，向深部開采，表現更為明顯。儲層壓力與地層靜壓為正相關，由于地下潛水面穩定，可以判定儲層壓力有增大趨勢，含氣量會增大。下部煤層的朗格繆爾體積較上部煤層的小，相對于43＃煤層，45＃煤層化學吸附量甚至更少，易于解吸或由于孔隙喉徑大而以游離態為主，高壓氣相流體容易發生突出。

5 結論

（1）43＃、45＃急傾斜煤層宏觀煤巖類型以亮煤及半亮型煤為主，43＃、45＃煤層的孔隙度分別為3.8%、6.3%，煤體表明均有大小不一的突起、空隙甚至破碎，這種結構增大了煤體表明顆粒的表面積，有助于煤體表明顆粒吸附瓦斯分子。

（2）由于煤的孔隙度大小分布不均，孔喉連通狀況較差，瓦斯氣體含量 （瓦斯壓力）會出現分區分塊的變化差異，開采實踐中須密切注意局部瓦斯壓力過大導致瓦斯突出等動力災害。

（3）通過瓦斯的吸附與解析實驗獲得了取自43＃、45＃兩急傾斜煤層的煤樣在不同壓力下吸附、解析瓦斯的樣本曲線，得到了瓦斯解析與吸附隨壓力變化的冪函數表達式。

（4）瓦斯壓力為0～0.5 MPa的情況下瓦斯基本處于吸附狀態，0.5 MPa以后瓦斯開始出現了解吸，隨著壓力的不斷增加吸附量和解吸量的差值愈來愈小，最終解吸量等于吸附量。

（5）高壓力瓦斯解吸過程中高速涌出的瓦斯對煤體內部裂隙造成損傷，降低煤體的強度，在達到煤體損傷極限時煤體撕裂、突出，43＃、45＃煤層的瓦斯壓力超過了瓦斯起顯著的臨界值，煤體失穩度上升，有發生瓦斯突出的可能。

（6）隨著開采深度增加，地溫升高，壓力增大，煤內瓦斯氣體吸附能力降低，煤體內瓦斯的解吸系數增大，這驗證了隨著壓力的不斷增加煤體中的瓦斯解吸量增大。

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