不同變質程度煤孔隙結構特征研究

范子偉

(山西煤炭進出口集團有限公司，山西 太原 030000)

煤體對瓦斯的吸附為物理吸附，煤體具有雙重孔隙結構[1-2]，其孔隙結構構成瓦斯吸附、擴散、滲流空間，孟召平等[3]研究認為隨著破壞程度的增加，煤體的孔容和比表面積也增加，中孔主要導致孔容增加，微孔主要導致比表面積增加；唐巨鵬等[4]采用巨正則系綜蒙特卡洛方法(GCMC)研究了CH4在5種不同變質程度煤中的吸附性能，結果表明CH4吸附能力強弱順序為無煙煤、貧煤、瘦煤、焦煤、肥煤；王有智等[5]研究表明分形維數可以用來表征碎裂煤與碎粒煤的孔隙結構與吸附能力，隨著分形維數的增加，微孔含量增加，比表面結增加，孔隙表面粗糙度增加，煤巖孔隙系統變得更加復雜，導致煤巖吸附能力增加。由上述研究可知煤體孔隙結構對研究煤的吸附性能具有重要的意義。基于此，本文采用低溫液氮實驗研究不同變質程度煤的孔隙結構特征，為揭示不同變質程度煤的吸附解吸性能提供指導。

1 煤樣的制備及低溫液氮吸附試驗

1.1 煤樣的制備

試驗煤樣分別為無煙煤(WYM)、貧瘦煤(PSM)及焦煤(JM)，分別將采制的新鮮煤樣密封保存后送實驗室，采用粉碎機粉碎，篩選制得粒度為60～80目的煤樣，將制得的新鮮煤樣放入干燥箱中，設置干燥溫度為105 ℃，待干燥完成后進行低溫液氮吸附試驗。

1.2 不同變質程度煤低溫液氮吸附試驗結果分析

不同變質程度煤的低溫液氮吸附試驗曲線如圖1所示，吸附過程可分為兩個階段，吸附相對壓力(p/p0)較低時吸附量緩慢增大，當相對壓力在0.9左右時吸附量快速增大。

由圖1可知，無煙煤的吸附回線較大且沒有閉合，說明無煙煤存在開放型孔隙；貧瘦煤存在吸附回線，但是吸附回線不大，當相對壓力為0.4時，脫附曲線與吸附曲線發生閉合，說明存在大量的一端封閉的孔隙；焦煤存在吸附回線，但是吸附回線不大，當相對壓力為0.4時脫附曲線與吸附曲線發生閉合，說明存在大量的一端封閉的孔隙。

圖1 不同變質程度煤低溫液氮吸附試驗結果

根據低溫液氮吸附試驗結果，采用BJH模型可計算出不同變質程度煤的比表面積分布，如圖2所示。

圖2 不同變質程度煤的比表面積分布

由圖2可知，焦煤的比表面積最小，無煙煤的比表面積最大，貧瘦煤的比表面積居中。微孔和小孔是瓦斯主要的吸附空間，無煙煤微孔和小孔的比表面積占比最大，焦煤最小，貧瘦煤居中，說明無煙煤對瓦斯的吸附能力最強，其次是貧瘦煤，焦煤最弱。

2 不同變質程度煤低溫液氮分形維數分析

低溫液氮吸附常采用Pfeifer等人提出的FHH模型計算分形維數[6-7]，FHH模型如式(1)所示：

(1)

式中：V為平衡壓力p時液氮的吸附量，cm3/g；p0為氣體的飽和蒸汽壓，0.111 17 MPa；p為氣體吸附平衡時的壓力，MPa；A為常數；D為分形維數(2≤D≤3)，分形維數越大，材料表面越粗糙。

采用式(1)對圖1低溫液氮吸附曲線進行作圖(如圖3所示)，計算分形維數時，以相對壓力0.45為界限，當相對壓力p/p0>0.45時計算分形維數為D1，當相對壓力p/p0<0.45時計算分形維數為D2，根據擬合直線的斜率即可求得分形維數，分形維數如表1所示。

圖3 不同變質程度煤分形維數擬合

煤樣D1(p/p0>0.45)D1(p/p0<0.45)WYM2.574 882.633 37PSM2.545 462.601 81JM2.526 532.546 44

由表1可知，無論p/p0>0.45還是p/p0<0.45，無煙煤的分形維數最大，貧瘦煤的分形維數居中，焦煤的分形維數最小。因此可知，焦煤的孔隙結構簡單、表面不粗糙，無煙煤的孔隙結構較為復雜、表面粗糙，隨著變質程度的增加，孔隙結構變得復雜。

3 結 語

1) 無煙煤存在大量開放型孔隙，貧瘦煤、焦煤存在大量一端封閉的孔隙。

2) 無煙煤的比表面積最大、焦煤的比表面積最小，貧瘦煤的比表面積居中。無煙煤對瓦斯的吸附能力最強，其次是貧瘦煤，焦煤最弱。

3) 無煙煤的分形維數最大，貧瘦煤的分形維數居中，焦煤的分形維數最小。隨著變質程度的增加，孔隙結構變得復雜，孔隙粗糙度增加。