軟煤體孔隙結構影響瓦斯吸附特性的試驗研究

許滿貴孟 然韓金子方秦月張宏亮

（1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2.陜西陜煤澄合礦業有限公司，陜西省澄城縣，715307）

軟煤體孔隙結構影響瓦斯吸附特性的試驗研究

許滿貴1孟 然1韓金子1方秦月1張宏亮2

（1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2.陜西陜煤澄合礦業有限公司，陜西省澄城縣，715307）

為了掌握軟煤體孔隙結構對瓦斯吸附特性的影響作用，基于分形幾何理論，采用低溫氮吸附和恒溫吸附試驗方法，對軟煤體孔隙結構特征及其對瓦斯吸附特性的影響進行研究，并與硬煤相關特性進行對比分析。研究結果表明：軟煤初始氮吸附量大于硬煤，軟煤呈現的吸附滯后環比硬煤更為明顯，且吸附曲線在高相對壓力段上升速率更快，軟煤比表面積和孔容均大于硬煤，孔隙數量遠大于硬煤，尤其是微孔內吸附力場的疊加作用和中孔內的擴散作用使得軟煤吸附勢能增強，引入吸附停留時間概念，得出軟煤表面較多的吸附位使得瓦斯在軟煤體表面吸附停留時間更長，軟煤表面分形特征更為明顯，軟煤表面分維數平均是硬煤的1.47倍，軟煤的飽和吸附量及達到飽和吸附的速率均大于硬煤。

軟煤體 低溫液氮試驗 恒溫吸附試驗 孔隙結構特征 瓦斯吸附特性

煤是一種孔洞結構發育的多孔固態介質。煤的天然孔、裂隙結構特征決定了煤具有良好的瓦斯吸附能力和儲存性能。近幾年來，國內外學者對煤體孔隙結構與吸附特性進行了大量研究。李希建等對突出煤的孔隙結構與吸附特性進行研究，發現突出煤中孔徑在3～5 nm的微孔是瓦斯主要吸附空間；薛光武等利用多種試驗方法研究發現對于同一煤級，隨構造變形程度加大，開放型孔逐步轉化為細瓶頸型孔，吸附量增多，但造成煤孔隙度下降；江丙友，張占存等采用氮吸附法和壓汞法研究煤體孔隙結構，得出煤吸附和運移的孔隙特征；Sitprasert C等采用多尺度方法研究了微孔中的物理吸附；Rigby S P等研究了不規則網孔的氣體吸附規律。軟煤體孔隙結構對瓦斯吸附性能影響的系統性研究成果尚不多見。本文以澄合礦區典型軟煤層為研究對象，采用低溫氮吸附試驗和等溫吸附試驗，結合分形幾何理論，對軟煤體孔隙結構特征及其對瓦斯吸附特性的影響進行研究，并與硬煤相關特性進行對比分析。研究結果為深入分析軟煤體瓦斯吸附/解吸機理以及制定切實的軟煤體瓦斯防治措施提供理論依據。

1　試驗方法

1.1煤樣的采集與測試

試驗所用軟煤樣取自澄合礦區西卓煤礦和合陽煤礦，均屬于石炭二疊系的5#煤層，所用硬煤取自焦坪礦區崔家溝煤礦。每個煤樣不少于1 kg，按照《煤的工業分析方法》（GB/T212-2008）將煤樣破碎、篩選，裝入磨口瓶中密封，以便進行工業分析及瓦斯吸附試驗。低溫氮吸附試驗需選取1～2 cm3的具有平整斷面的小塊煤樣，用吸氣球清潔其表面，進行鍍金導電層處理，操作時應輕拿輕放。煤樣工業分析、堅固性系數及放散初速度測定結果如表1所示。可以看出軟煤堅固性系數明顯小于硬煤，放散初速度大于硬煤。

表1　煤樣試驗分析結果

1.2試驗方案

低溫氮吸附試驗采用美國Micromeritics公司生產的ASAP-2020型比表面和孔徑分析儀，孔體積小于0.0001 cm3/g，孔徑分析范圍為0.35～500 nm，比表面積分析范圍為0.0005～5000 m2/g。文中采用國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）定義的孔大小分類方法。瓦斯吸附試驗采用HCA高壓容量法吸附裝置，壓力范圍為0～8 MPa，工作溫度為0～40℃，相對誤差小于5%。

2　試驗結果

2.1比表面積及孔容特征

選取西卓煤礦和合陽煤礦各2組軟煤試驗煤樣，編號分別為XZ-1#、XZ-2#，HY-1#，HY-2#；選取2組硬煤試驗煤樣，編號CJG-1#、CJG-2#，共進行6組氮吸附試驗。孔容的表征方法采用BJH法，比表面積的表征方法采用BET法和Langmuir法，分別從不同角度分析軟硬煤表面孔結構特征。氮吸附試驗結果見表2。

由表2可以看出，軟硬煤的BET比表面積值均小于相應的Langmuir比表面積值，這是因為兩種模型計算方式不同，Langmuir模型假定瓦斯在煤體表面僅限于單層吸附，而BET模型認為瓦斯在煤體表面吸附可以是多層吸附，即當氣體達到飽和吸附量時，吸附量要大于單層的吸附量，另外，Langmuir理論指的單層吸附量即為飽和吸附量，而BET理論所指的單層吸附量只是一個理論值，Langmuir飽和吸附量并不等于最大吸附量，而是在吸附等溫線上對應于吸附回環閉合點，在吸附等溫線上有吸附回環的出現說明試驗對象中有中孔或微孔孔隙存在。但是，中孔中的吸附表現為毛細管凝結，在Langmuir理論看來是吸附質液化過程而不能看做是吸附過程，因此Langmuir理論模型不適合解釋中孔內吸附質的吸附行為。對于多孔介質，尤其是含有較多微孔和中孔的物質，BET模型更適合表征比表面積大小，軟煤BET比表面積范圍在10.4158～14.3245 m2/g，BJH孔容范圍在0.006117～0.008416 cm3/g，軟煤比表面積和孔容分別比硬煤平均增大了2.33倍和1.79倍；比表面積和孔容是表征煤吸附瓦斯能力的重要指標，數值越大，表明煤體吸附瓦斯容積更大；軟煤的平均孔徑小于硬煤，表明在單位體積內軟煤孔隙內表面積更大，從而孔隙表面提供的瓦斯吸附位更多。

表2　煤樣氮吸附試驗結果

2.2吸附/脫附曲線與孔結構特征關系

吸附等溫線不同相對壓力段的形態反映出煤體表面的物理特征及煤體與瓦斯之間的相互關系，相對壓力的大小可以評價煤儲層性能，特別是煤層滲透性的好壞。煤樣的低溫氮吸附/脫附曲線如圖1所示。

圖1　煤樣氮吸附/脫附曲線

由圖1可以看出，在相對壓力為0時，軟硬煤的氮吸附量均大于0，表明此時在微孔中已經吸附一定體積的氮氣，且軟煤在起始點的吸附量大于硬煤吸附量，由此可知，軟煤較硬煤具有更大的微孔面積（因瓦斯優先吸附在煤體微孔中，煤中含有的微孔越多，微孔內存在的吸附勢能疊加作用越強，從而使得氮吸附量增加越快）；當相對壓力在0～0.2時，吸附曲線呈現上凸趨勢，表明煤體表面與氮分子之間作用力較強；當相對壓力在0.5～1時，軟硬煤均出現了大小不一的吸附滯后環，且軟煤滯后環范圍比硬煤滯后環范圍大（滯后環范圍大小反映出煤體孔隙的連通性強弱），表明軟煤孔隙連通性比硬煤好。脫附時，與硬煤相比，軟煤呈現的滯后環更為明顯，這也表明在開采軟煤層時更容易發生瓦斯的短時間大量逸出，在開采時應采取以抽采卸壓瓦斯為主的防治措施。當相對壓力高于0.9后，吸附曲線急劇上升，軟煤吸附曲線上升速率明顯大于硬煤吸附曲線。煤體孔隙開放程度與吸附線上升速率相關，上升越快，表明孔隙開放度越大。

2.3煤體表面分形幾何特性

分維數可用來表征煤體孔隙表面分形特征，其數值大小可由低溫氮吸附試驗數據獲得。本文從不同角度進行計算分析，以吸附量為考察點，分維數與吸附量的關系:

式中:P——氮氣分壓，MPa；

Q——平衡壓力為P時的吸附量，cm3/g；

P0——氣體吸附的飽和蒸汽壓力，MPa；

Df——分維數，表征煤體孔隙表面分形特征；

C——常數。

以煤體比表面積為考察點，分維數與比表面積的關系:

式中:A——煤體表面比表面積，m2/g。

在低溫氮吸附試驗中，由ln Q和ln A分別對ln（ln P0/P）作圖可得到一條直線，由直線的斜率即可得到分維數。根據式（1）和式（2），可計算出煤樣表面分維數大小，計算結果如表3所示。

表3　煤樣表面分維數計算結果

由表3可以看出，式（1）和式（2）計算結果略有不同，式（1）計算結果略微大于式（2）計算結果，這種差異性可能是來自于煤體中微孔或中孔，微孔或中孔孔徑的不同造成微孔對氮的吸附勢能的差異，使得氮氣分子不能完全有效地充滿所有中孔，兩種計算公式所得分維數結果都從一定程度上反映了煤體孔隙結構特征。由表3可以看出，軟煤表面分維數計算結果在2.12～2.35之間，硬煤表面分維數計算結果在1.43～1.62之間，軟煤表面分維數平均是硬煤的1.47倍，分維數越大，表面越粗糙，煤孔隙比表面積越大，這也反映出軟煤較硬煤孔隙更為發育。

2.4煤體瓦斯吸附特征

軟硬煤恒溫吸附試驗結果如表4所示，恒溫吸附試驗曲線如圖2所示。

表4　煤樣恒溫吸附試驗結果

圖2　恒溫吸附試驗曲線

吸附常數a和b是表征煤體吸附瓦斯能力的重要標志，a值反映煤體所能達到的飽和吸附量，b值表征煤體達到飽和吸附量的速率大小。由表4和圖2可以看出，在相同的試驗條件下，軟煤吸附常數a和b均大于硬煤吸附常數，軟煤較硬煤具有更大的飽和吸附量，同時軟煤到達飽和吸附量的速率更快，表明瓦斯在軟煤孔隙表面吸附停留的時間長，瓦斯覆蓋度高，軟煤吸附瓦斯能力更強。

3　試驗結果分析

3.1孔隙類型對瓦斯吸附的影響

3.1.1微孔內的吸附勢能疊加作用

煤體內豐富的孔隙結構不僅為瓦斯的儲存提供場所，又為瓦斯的運移和擴散提供通道。尤其是微孔的存在，使得煤體內表面積大大增加。由于微孔道尺寸與瓦斯分子尺寸大小數量級相近，瓦斯分子被微孔道包圍，微孔內吸附力場產生疊加作用，使得其中吸附勢能與平坦孔壁表面上的吸附勢能相比大大增強，在低相對壓力下，對瓦斯分子具有更強的吸附引力。文獻指出，在小于六個分子直徑的圓孔隙以及在小于兩個分子直徑的狹縫孔隙內吸附勢能會大大增強。微孔吸附容積與吸附勢能的關系可表示為:

式中:φ——吸附容積；

φ0——極限吸附容積；

K——與微孔結構有關的常數；

ε——吸附勢能。

式中ε2體現了微孔壁面吸附勢場的疊加作用。

3.1.2中孔內的擴散作用

中孔的分析與氮吸附/脫附曲線密切相關，吸附滯后環的具體形態對應著不同的中孔結構。滯后環范圍大，表明對應的孔道暢通性好，孔隙透氣性高，有利于瓦斯的運移和擴散。瓦斯在中孔中的擴散遵循Fick擴散，擴散速率可表示為:

D0——瓦斯擴散系數，m2/s；

Ag——孔道中瓦斯擴散面積，m2；

式中負號表示瓦斯在孔道中擴散方向與瓦斯濃度梯度方向相反。

3.2吸附停留時間對瓦斯吸附的影響

從瓦斯分子碰到煤體表面到其離開表面又返回氣相所經歷的時間稱為吸附停留時間。吸附停留時間若遠大于分子振動周期，可認為發生了吸附過程。軟煤孔隙內表面積更大，提供的瓦斯吸附位更多，吸附位瓦斯覆蓋度高，軟煤對瓦斯具有更強的吸附勢能，瓦斯在軟煤表面的吸附停留時間比硬煤長，從而瓦斯吸附量更多。煤體孔隙表面瓦斯覆蓋度可表示為:

式中:θ——煤體孔隙表面瓦斯覆蓋度，（°）；

a——煤體表面上吸附的瓦斯分子數，個；

am——鋪滿1 cm2煤體表面單分子層的瓦斯分子數，個。

瓦斯分子數與吸附停留時間的關系可表示為:

式中:n——單位時間內碰撞到煤體表面上的瓦斯分子數，個；

NA——阿伏伽德羅常數，取6.02×1023mol-1；

p——瓦斯壓力，MPa；

M——吸附相對分子質量；

R——氣體常數，取8.314 J/（mol·K）；

T——熱力學溫度，K；

τ——吸附停留時間，s。

3.3分形特征對瓦斯吸附的影響

煤體表面分形特征的差異反映出煤體孔隙結構的變化，軟煤孔徑隨煤體表面分維數（取式（1）的計算結果）的增加逐漸減小，變化曲線如圖3所示。

圖3　孔徑與分維數變化關系曲線

分維數越大，表明煤體表面粗糙度越高，單位體積內的孔道增多，孔道半徑減小，使得孔容和比表面積增大，煤體孔隙表面提供的瓦斯吸附位增多，瓦斯吸附能力增強。

對于多孔介質來說，由分形幾何理論可知，煤體中孔隙半徑大小和累計數量存在如下關系:

式中:N——單位體積煤體中孔隙總數，個；

r——煤體中孔隙半徑，nm；

Af——不顯含Df的比例系數；

rm——孔隙最大半徑，nm；

r0——孔隙最小半徑，nm；

λ——孔隙半徑最小值與最大值的比值。

由式（7）可得煤體中孔隙半徑的分布密度函數:

由式（8）可得煤體中孔隙平均半徑r-為:

由式（9）可以看出，煤體孔隙平均半徑完全取決于煤體分形維數Df、煤體中孔洞分布的上下限rm和r0以及單位體積多孔介質中的空洞總數N。另外，在煤體中孔洞分布的上下限rm和r0以及單位體積多孔介質中的空洞總數N一定，則孔隙平均半徑r-隨著分形維數Df的增大逐漸減小。

4　結論

（1）氮吸附試驗結果計算得出軟煤BET比表面積范圍在10.4158～14.3245 m2/g，BJH孔容范圍在0.006117～0.008416 cm3/g，均大于硬煤，表明軟煤較硬煤孔隙數量多，孔隙內表面更大，尤其是微孔數量，微孔內存在的吸附勢能疊加作用使得軟煤對瓦斯的吸附勢能更大。

（2）依據氮吸附試驗數據進行軟硬煤體孔隙表面分形特征的計算，得出軟煤表面分維數平均是硬煤的1倍多，表明軟煤表面粗糙度高，單位體積內的孔道多，孔道內表面可以提供的吸附位數量多，瓦斯在軟煤體表面吸附位覆蓋度高，吸附停留時間長，從而軟煤比硬煤吸附瓦斯能力更強。

（3）與硬煤相比，氮吸附試驗中軟煤呈現的吸附滯后環范圍較大，表明煤體孔隙連通性比硬煤好，在開采軟煤層時更容易發生瓦斯的短時間大量逸出，在開采時應采取以抽采卸壓瓦斯為主的防治措施。

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（責任編輯 張艷華）

Experimental study on the effect of pore structure of soft coal body on gas absorption characteristics

Xu Mangui1，Meng Ran1，Han Jinzi1，Fang Qinyue1，Zhang Hongliang2
（1.College of Energy of Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an，Shaanxi 710054，China；2.Chenghe Mining Industry Co.，Ltd.of Shaanxi Coal Industry Company，Chengcheng，Shaanxi 715307，China）

In order to grasp the effect of pore structure of soft coal body on gas adsorption characteristics，based on the fractal geometry theory，the characteristics of pore structure of the soft coal body and the its influence of gas adsorption characteristics were studied and the hard coal related features compared with soft coal were analyzed by the low temperature liquid nitrogen adsorption and adsorption isotherms experiment.The research results show that in the initial stage nitrogen adsorption quantity of soft coal is greater than the hard coal，the adsorption hysteresis ring presented by soft coal is more apparent than hard coal and rise rate of adsorption curve in high relative pressure section is more faster；the specific surface area and pore volume of soft coal are greater than hard coal，the pore quantity is far more greater than hard coal，especially，the superposition of adsorption force field of micropore and diffusion of middle hole makes the enhancement of soft coal adsorption potential energy；the adsorption residence time of coal to gas of soft coal is more longer because of its more adsorption position by introducing concept of adsorption residence time，the surface fractal characteristics of soft coal is more apparent，the average surface fractal dimension of soft coal is 1.47 times that of hard coal，the saturated adsorption amount and saturated adsorption rate of soft coal are greater than hard coal.

soft coal body，low temperature liquid nitrogen experiment，adsorption isotherms experiment，pore structure characteristics，absorption characteristics of coal to gas

TD712

A

許滿貴（1972-），男，陜西寶雞人，教授，工學博士，主要從事安全科學與工程學科的教學和科研工作。