不同煤體結(jié)構(gòu)高階煤基質(zhì)的甲烷吸附實驗研究

申恒明，李國慶，成 龍

(1.陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710100；2．中國地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司,陜西 西安 710600)

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不同煤體結(jié)構(gòu)高階煤基質(zhì)的甲烷吸附實驗研究

申恒明1，李國慶2，成 龍3

(1.陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710100；2．中國地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司,陜西 西安 710600)

為研究不同煤體結(jié)構(gòu)高階煤基質(zhì)的甲烷吸附特征，降低在地下開采構(gòu)造軟煤層時，發(fā)生煤與瓦斯突出風(fēng)險；提高構(gòu)造軟煤層煤層氣的地面采集效果。文中采用實驗研究的方法，對沁水盆地南部寺河礦主采3#煤層中的構(gòu)造變形煤進行了分類描述、顯微煤巖組分的定量觀測、真密度的測定和工業(yè)分析，并以甲烷氣為吸附質(zhì)通過等容量法高壓吸附實驗，分析了不同煤體結(jié)構(gòu)高階煤基質(zhì)的吸附特征差異。結(jié)果表明：寺河礦高階煤層變形以脆性變形為主，主要煤體結(jié)構(gòu)可分為原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、碎斑結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)，局部出現(xiàn)碎粉煤；在相同的溫度、粒度、吸附平衡壓力等條件下，高階煤基質(zhì)對甲烷的吸附能力：原狀煤>碎粉煤>碎裂煤>碎斑煤>碎粒煤。即在一定構(gòu)造破壞范圍內(nèi)，高階煤基質(zhì)對甲烷的吸附能力，表現(xiàn)出隨構(gòu)造破壞程度的增加而降低的特征；而當(dāng)煤體構(gòu)造破壞超出這一范圍，即達碎粉煤階段后，吸附能力又有所提高，介于原狀煤與碎裂煤之間。

構(gòu)造煤；煤體結(jié)構(gòu)；甲烷；吸附常數(shù)

0 引 言

構(gòu)造煤是煤層受到構(gòu)造擠壓和剪切破壞作用的產(chǎn)物，由于受力大小、作用范圍和受力狀態(tài)的非均衡性，使煤層喪失了原來的均質(zhì)、層理清晰的條帶狀結(jié)構(gòu)，而形成破碎的顆粒或粉狀的構(gòu)造破壞煤[1]。關(guān)于構(gòu)造煤的分類，焦作工學(xué)院地質(zhì)研究所，根據(jù)煤的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀特點，煤炭結(jié)構(gòu)分為原狀煤，破碎煤，粉碎煤和糜棱煤。姜波等根據(jù)構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)特點和形成時環(huán)境特征，將構(gòu)造煤分為2大系列分別為碎裂煤和糜棱煤，進一步將煤體根據(jù)變形程度分成了7個類型[2]。郭德勇根據(jù)構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)的煤與瓦斯突出情況，結(jié)合井下構(gòu)造煤的成因類型和結(jié)構(gòu)類型，探討構(gòu)造煤的產(chǎn)生對煤與瓦斯突出災(zāi)害的影響和其形成的力學(xué)機制[3]。國內(nèi)甲烷的吸附理論在20世紀90年代初開始，在國際研究成果基礎(chǔ)上，延續(xù)了其研究方向，即用拉格朗日模型來對煤巖吸附甲烷的過程進行描述[4-6]。周勝國等人對煤的吸附/脫附等溫線規(guī)律及其影響因素等內(nèi)容進行了詳細分析，認為煤巖吸附量的方法測試，應(yīng)該考慮吸附相對體積方面的影響[7]。桑樹勛、朱炎鳴對沁水盆地煤樣品煤孔隙分析和吸附等溫線的基礎(chǔ)上從煤和巖石固體和氣體的氣體的物理和化學(xué)吸附機理的水平進行了討論，認為煤對甲烷吸附體系應(yīng)存在著多元化的吸附模型[8]。中國的中高煤階煤盆地成煤時間相對較早、埋深較大，經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運動與熱變質(zhì)時間，構(gòu)造煤分布較為廣泛。構(gòu)造煤被認為是瓦斯突出煤層，常常具有機械強度低、透氣性差、瓦斯含量高的特點，嚴重影響地下煤礦安全生產(chǎn)以及地面煤層氣井的開發(fā)效益[9-11]。煤層在遭受構(gòu)造作用改造過程中，可能會發(fā)生一些列物理化學(xué)變化，導(dǎo)致其孔隙結(jié)構(gòu)與吸附能力也發(fā)生改變，而對于構(gòu)造煤的吸附特征認識還不充分。

文中以沁水盆地南寺河礦主采3#煤為研究對象，進行了構(gòu)造變形煤的分類描述、顯微煤巖組分的定量觀測、真密度的測試和工業(yè)分析，并以甲烷氣為吸附質(zhì)采用高壓容量法進行吸附實驗，分析不同煤體結(jié)構(gòu)煤基質(zhì)吸附特征差異[12-14]。

1 樣品描述

在寺河礦井下采取了不同構(gòu)造變形程度的煤樣6袋，依次編號SH-1，SH-2，SH-3，SH-4，MSH-5；采煤區(qū)域均為斷層構(gòu)造附近。參照前人構(gòu)造煤的分類方案[15-17]，本次研究采集的構(gòu)造煤樣品類型見表1.

表1 構(gòu)造煤樣品分類和描述Tab.1 Classification and description of tectonic coal samples

2 工業(yè)分析

在進行等溫吸附試驗前需要獲得煤的水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發(fā)分(Vdaf)和密度等數(shù)據(jù)，采用自動工業(yè)分析儀進行了煤的工業(yè)分析，測定了水分、灰分、揮發(fā)分的含量，結(jié)果見表2，結(jié)果表明sh-6灰分產(chǎn)率超過60%，已不屬于煤炭。

3 顯微煤巖組分觀測

對樣品中的原狀煤、碎裂煤、碎斑煤和碎粒煤的煤巖顯微組分、鏡質(zhì)體反射率進行定量觀測，結(jié)果見表3所示，煤樣均屬于高階無煙煤。

4 真密度測試

采用比重瓶法測定煤的真密度，以水做置換介質(zhì)，根據(jù)阿基米德原理進行計算。方法要點:以十二烷基硫酸鈉溶液為潤濕劑，使煤樣在比重瓶中潤濕、沉降并排除吸附的氣體，根據(jù)煤樣質(zhì)量和它排出的純水的質(zhì)量計算煤的真密度。

表2 煤樣的工業(yè)分析結(jié)果表Tab.2 Coal industry analysis results

表3 煤巖組分分析結(jié)果Tab.3 Maceral analysis data in Sihe coalmine

表4 比重瓶法測量真密度Tab.4 Measurement results of true density by pyknometer method

(1)

式中 TRD為干燥煤的真相對密度； Md為干燥煤樣質(zhì)量，g；M1為密度瓶中加煤樣、浸潤劑和水的質(zhì)量，g； M2為密度瓶中加浸潤劑和水的質(zhì)量，g；K為t ℃下校正系數(shù)。

5 吸附實驗

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19560-2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法 容量法》進行吸附實驗。實驗所采用設(shè)備為HCA型高壓容量法吸附裝置。該裝置可為實驗室測試煤樣瓦斯吸附常數(shù)提供可靠直觀的數(shù)據(jù)。吸附裝置主要有稱量系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、脫氣系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)6部分組成。在30 ℃恒溫條件下進行甲烷吸附實驗，每組樣品測得7個壓力點處的甲烷吸附量。

通過HCA型高壓容量法吸附裝置甲烷等溫吸附實驗，結(jié)合瓦斯壓力、工業(yè)分析、煤的真假密度數(shù)據(jù)，得到甲烷的吸附常數(shù)a和b，來計算煤樣的吸附能力。實驗中擬合得到的吸附常數(shù)見表5.

表5 甲烷吸附實驗成果表

Tab.5 Table of methane adsorption experimental results

圖1 寺河礦構(gòu)造變形煤煤樣甲烷的等溫吸附曲線

結(jié)果表明，寺河礦原生結(jié)構(gòu)煤SH-4煤樣在整條等溫吸附曲線上對甲烷的吸附能力都高于脆性結(jié)構(gòu)變形煤中的碎裂煤SH-2、碎斑煤SH-3和碎粒煤SH-1；SH-4原狀煤擬合得到的最大吸附量約為51.26 cm3/g，而碎裂煤SH-2、碎斑煤SH-3和碎粒煤SH-1的吸附量分別為40.28,36.52和33.90 cm3/g遠小于原狀煤的吸附量；由此可以看出同一煤層不同構(gòu)造程度脆性變形序列煤對甲烷的吸附能力：原狀煤>碎裂煤>碎斑煤>碎粒煤。

從圖1可以看出，同屬于脆性變形序列的碎粉煤SH-5對甲烷的吸附，沒有表現(xiàn)出同變形序列構(gòu)造煤的規(guī)律性，其吸附能力在4 MPa壓力點附近超過碎裂煤，并且吸附量還有增大趨勢，但還是要小于原生結(jié)構(gòu)煤，擬合得到的碎粉煤最大吸附量為42.53 cm3/g.

6 結(jié) 論

1)寺河礦高階煤層變形以脆性變形為主，主要煤體結(jié)構(gòu)可分為有原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、碎斑結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)，鏡質(zhì)組反射率構(gòu)造煤較原生結(jié)構(gòu)煤均有降低;

2)在相同的溫度、粒度、吸附平衡壓力等條件下，隨著構(gòu)造程度加強，高階煤基質(zhì)對甲烷的吸附能力依次降低：原狀煤>碎裂煤>碎斑煤>碎粒煤；

3)構(gòu)造破壞達到一定程度后即碎粉煤對甲烷的吸附，沒有表現(xiàn)出同變形序列構(gòu)造煤的規(guī)律性，其最大吸附能力介于原狀煤與碎裂煤之間。

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Adsorption experiment of methane in different types of tectonically deformed high-rank coals

SHEN Heng-ming1,LI Guo-qing2，CHENG Long3

(1.ShaanxiNuclearIndustryGeologySurveyingInstitute,Xi’an710100,China;2.FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；3.ShaanxiCoalbedMethaneDevelopmentCo.,Ltd.,Xi’an710600,China)

Underground coal mining in soft coal seam often suffers from coal and gas outbursts and CBM production in soft coal seam also cannot obtain a satisfactory results.But so far the knowledge about the adsorption capability of methane in high-rank coals is still poor.With No.3 coal seam of Sihe coalmine in southern Qinshui basin as a study object，tectonically deformed coal samples were classified and described; coal macerals were quantitatively investigated，true density determination and industry analysis were carried out.And based on above results，methane adsorption experiments were carried out using high pressure volumetric method，analysised the difference of adsorption characteristics in different types of tectonically deformed high-rank coals.The results showed that the mainly coal seam tectonically deformed of Sihe coalmine is brittle deformation.Coal structure primary texture are original texture，cataclastic texture，mortar texture ，particle structure and a little powder coal.Under the condition of same temperature，particle size and adsorption balance pressure,order of successively adsorption capacity decreasing is original coal，powder coal，mortar coal,cataclastic coal,speckle coal and granulated coal.As that in a certain range the adsorption capability of methane in high-rank coals reduces with the degree of tectonic deformation increases.But when the coal structure damaged exceeding this range，adsorption capability increase again,always between original,coal and mortar coal.

tectonically deformed coal；coal structure；methane；adsorption coefficient

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0107

1672-9315(2015)01-0038-05

2014-07-10責(zé)任編輯:劉 潔

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項

基金項目(CUGL120258);湖北省自然科學(xué)基金面上項目(2014CFB169)

李國慶(1980-),男,湖北武漢人,博士,講師,E-mail:ligq@cug.edu.cn

P 618.11

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