余吾礦構造煤吸附動力學特性

張 哲，秦興林

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110016；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順122113）

我國煤層埋藏條件復雜，受地質構造運動影響，在不同地應力-應變復雜地質環境及構造應力作用下，煤自身的物理化學結構、瓦斯運移特性等均發生了顯著變化，并由此形成了具有不同微結構特征的構造軟煤[1-4]。研究表明[5-7]，煤與瓦斯突出、瓦斯異常涌出等煤巖動力災害的發生常常與構造煤緊密相關，而這類構造煤在我國廣泛分布，給我國煤礦瓦斯治理帶來嚴峻挑戰。針對構造煤結構特征及瓦斯儲運特性，前人開展了大量研究工作[8-21]。在此基礎上，以山西余吾煤礦為研究背景，選取了不同破壞類型煤樣，研究構造煤瓦斯吸附動力學特性。研究結果以期為煤巖動力災害防治提供參考。

1 工程地質概況

山西潞安余吾煤礦地處沁水煤田東部，地層為南北走向，傾向西稍有起伏，背斜開闊，向斜緊密；礦區構造較多，共含斷層33 條（正斷層10 條、逆斷層23 條），煤層傾角3°～15°。下二疊統山西組（P1st）和上石炭統太原組（C3t）為本礦區的主要含煤地層，其中3 號煤層和15 號煤層為主要可采煤層。3 號煤層厚5.0～7.25 m，平均厚度5.99 m，夾矸0～3 層，一般為1 層，夾矸平均厚0.27 m，煤層結構整體相對簡單。15 號煤層厚度為0～2.60 m，平均厚0.71 m，含泥巖和炭質泥巖夾矸0～4 層，煤層結構較為復雜。

2 實驗測試

根據煤體破壞的嚴重程度，構造煤可分為糜棱煤、碎粒煤、碎裂煤和原生煤。實驗煤樣采自3 號和15 號煤層。由于地質構造作用比較強烈，煤體變形比較顯著，煤表面非均質較強，不同破壞類型的構造煤發育較為完整。在余吾煤礦變形較為強烈的15號煤層采集3 份構造煤，分別為糜棱煤、碎粒煤和碎裂煤，同時采集3 號煤層的原生煤用于實驗對比研究。將新鮮煤樣運至實驗室后，按照國標GB/T 212—2008 來進行煤的工業分析，煤堅固性系數的測定則遵照GB/T 8208—1987 進行，構造煤基本參數見表1。從表1 可以看出，這4 種煤樣的煤階相同，均為變質程度較高的貧煤；煤樣堅固性系數值在0.33～1.19 范圍內變化，且隨破壞程度的增加，逐漸減小，表明煤體受構造應力作用而不斷軟化。

表1 構造煤基本工業參數Table 1 Basic industrial parameters of tectonic coal

將煤樣粉碎成60～80 目（180～250 μm），并放入真空干燥箱中，在100 ℃下烘干備用。瓦斯吸附動力學實驗采用美國TerraTek 公司生產的ISO-300 型等溫吸附儀，采用氦氣作為死體積的標定氣體，實驗溫度控制在25 ℃，瓦斯壓力范圍控制在0～3 MPa，吸附時長為20 h。根據吸附平衡前壓力、平衡后壓力以及系統死體積數據來計算瓦斯吸附量。在此過程中，為研究構造煤的吸附動力學特征，記錄從吸附開始到吸附平衡過程中的瓦斯壓力變化數據，以此獲取構造煤吸附動力學曲線。

為探索構造煤瓦斯吸附的微觀影響機制，針對不同變形程度構造煤，開展煤體微觀孔隙特性試驗，采用的方法為高壓壓汞法，所使用的儀器為美國Quantachrome 公司生產的PoreMaster-33 型全自動壓汞儀。首先將煤樣粉碎，制成體積為1～2 cm3的塊狀試樣，然后將其放入分析站并測定孔隙分布參數。實驗操作過程遵循國標GB/T 21650.1—2008，所使用的汞純度為99.99%，溫度為室溫25 ℃。

3 實驗結果

3.1 吸附壓力變化

各構造煤吸附壓力變化曲線如圖1。各煤樣的初始壓力相同，均為3.0 MPa 左右，吸附平衡壓力分別為0.23、0.55、0.61、0.72 MPa。從圖1 可以看出，隨吸附時長的增加，各煤樣的吸附壓力均在不斷降低；且在吸附開始前20 min 內壓力急劇降低，降幅高達60%以上，煤樣在該階段大量吸附瓦斯；20 min 后，壓力緩慢降低直至平穩。其中，YW1 煤樣的壓力變化最為劇烈，壓力降低幅度明顯高出其他3 個煤樣；YW2 和YW3 煤樣的壓力變化曲線最為接近，基本重合，說明這2 個煤樣的瓦斯吸附性能相當。

圖1 吸附壓力變化曲線Fig.1 Adsorption pressure changing curves

3.2 吸附量變化

相同初始壓力下吸附量變化如圖2。由圖2 可知，隨吸附時長的增加，各煤樣瓦斯吸附量經歷了先急劇增大再緩慢增加最后達到平衡的非線性變化過程。與圖1 的變化類似，吸附量急劇增加階段也是集中在吸附開始的20 min 內。1 200 min 后，煤體瓦斯吸附量基本不再隨時間變化，此吸附量被稱為擬飽和吸附量。

圖2 相同初始壓力下吸附量變化Fig.2 Change of adsorption volume under the same initial pressure

為進一步分析各構造煤之間的吸附差異性，繪制了各煤樣擬飽和吸附量變化圖，構造煤擬飽和吸附量變化如圖3。由圖3 可知，YW1 煤樣的擬飽和吸附量最大，高達32.8 mL/g，YW4 煤樣的最小，二者相差26%。由于煤樣YW1～YW4 分別對應的是糜棱煤、碎粒煤、碎裂煤和原生煤，其破壞程度是逐漸降低的。圖3 表明，隨破壞程度的增加，擬飽和吸附量在不斷增大，說明構造變形作用能夠增強煤體瓦斯吸附能力，促進瓦斯吸附。

3.3 吸附速率變化

由圖2 可知，煤體瓦斯吸附量在開始20 min 內變化最為劇烈，因而需要對前20 min 的吸附速率進行著重分析。各構造煤瓦斯吸附速率變化曲線如圖4。由圖4 可知，隨吸附時長的增加，吸附速率呈指數衰減，當吸附時長超過10 min 后，吸附速率趨于平穩。在任意時刻，糜棱煤（YW1）的吸附速率均為最大，而原生煤（YW4）最小。綜合圖1、圖2 和圖4來看，不同破壞程度煤樣的瓦斯吸附動力學特性差異顯著。原生煤的吸附速率及吸附量均為最小；隨破壞程度增加，煤體瓦斯吸附速率逐漸增大，吸附性增強；到糜棱煤階段，吸附速率迅速增大，吸附量達到最大值。

圖4 構造煤吸附速率變化曲線Fig.4 Changing curves of adsorption speed for tectonic coal

3.4 孔隙特性

眾所周知，煤中的孔、裂隙網絡是瓦斯賦存的場所，為便于描述構造煤孔隙分布規律，采用Hodot 十進制孔隙分類方法[22-23]，即：微孔（＜10 nm）、過渡孔（10～＜100 nm）、中孔（100～1 000 nm）、大孔（＞1 000 nm）。其中，微孔和過渡孔又統稱為吸附孔，中孔和大孔統稱為滲流孔[24]。余吾礦4 種類型構造煤孔隙分布如圖5。

圖5 構造煤孔隙分布Fig.5 Pore distribution of tectonic coal

由圖5 可以看出，所有煤樣吸附孔所占比例均大于54%，這和一般認為的高階煤以納米孔為主的觀點是一致的。對于不同類型構造煤，其孔隙分布特征具有明顯差異。從原生煤到糜棱煤，煤中的微孔比表面積從5.83 m2/g 逐漸增加到9.28 m2/g，增幅達59.2%；大孔比表面積則從1.96 m2/g 減小到0.98 m2/g，降低了50%；中孔比表面積也呈逐步降低趨勢。

在構造應力的作用下，煤體結構發生破壞，導致煤體裂隙形貌、孔隙分布發生變化，進而影響煤體瓦斯吸附特性。由于微孔和過渡孔的孔徑相對較小，對瓦斯分子的束縛能力較強，微孔隙發育的煤體往往表現出較強的吸附性能。構造煤孔結構參數對瓦斯吸附的影響如圖6。

圖6 構造煤孔結構參數對瓦斯吸附的影響Fig.6 Influence of tectonic coal pore parameters on methane adsorption

由圖6 可以看出，吸附孔比表面積與擬飽和吸附量呈現良好的線性正相關關系，說明微孔和過渡孔數量的增加能夠提供足夠的吸附空間，強化煤體瓦斯吸附。隨滲流孔比表面積的增加，擬飽和吸附量呈負指數衰減。這是由于中孔和大孔具有的孔隙直徑相對較大，對瓦斯分子的作用較弱，一般為瓦斯解吸滲流提供通道。值得注意的是，在圖3 中，從YW4 到YW2 煤樣，也就是從原生煤到碎粒煤階段，擬飽和吸附量變化不大，只有小幅的增加；但從碎粒煤到糜棱煤階段，擬飽和吸附量迅速增大。這是因為在糜棱煤階段，強烈的構造應力使得煤體結構發生急劇變化，煤體內部原生孔隙裂隙遭到破壞，孔隙結構變得更為復雜，微孔、過渡孔數量急劇增加，更易于瓦斯吸附。

4 結 論

1）在同一初始壓力下，隨吸附時長增加，各煤樣的吸附壓力均不斷降低；且在吸附開始前20 min 內壓力急劇降低，降幅高達60%以上，表明煤樣在該階段大量吸附瓦斯；20 min 后，壓力緩慢降低直至平穩。

2）糜棱煤擬飽和吸附量最大，高達32.8 mL/g，原生煤最小，二者相差26%；隨破壞程度的增加，擬飽和吸附量在不斷增大，說明構造變形作用能夠增強煤體瓦斯吸附能力，促進瓦斯吸附。

3）構造應力作用下，煤體孔隙結構發生明顯變化。從原生煤到糜棱煤，煤中的微孔比表面積從5.83 m2/g 逐漸增加到9.28 m2/g，增幅達59.2%；大孔比表面積則從1.96 m2/g 減小到0.98 m2/g，降低了50%。

4）不同破壞程度煤樣的瓦斯吸附動力學特性差異顯著。原生煤的吸附速率及吸附量均為最小；隨破壞程度增加，煤體瓦斯吸附速率逐漸增大，吸附性增強；到糜棱煤階段，吸附速率迅速增大，吸附量達到最大值。