構造煤孔隙結構對瓦斯解吸及鉆屑瓦斯解吸指標影響

張建國，周紅星，李喜員，張海慶，李廣濤，高軍偉，孫矩正

(1.煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.天安煤業股份有限公司，河南 平頂山 467000；3.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤與瓦斯突出嚴重影響煤礦井下的安全開采，為了保障突出礦井安全生產、提高其經濟效益，必須對突出進行有效的防治[1-3]。由于煤與瓦斯突出是一種復雜的動力現象[4-5]，突出的類型不同，引起突出的危險因素不同，預測指標對其敏感性也就不同，選擇合適的突出敏感指標的臨界值，研究可靠的突出預測手段和方法來實現對突出危險性的準確預測，是指導突出防治工作的重要技術基礎，同時也是有效防治突出災害并高效開發利用瓦斯資源的關鍵基礎[6-9]。現有的研究已經證實構造煤的存在是煤與瓦斯突出的必要條件[10-11]，而構造煤是受到一期或是多期地質構造作用后形成的一種低強度、高吸附性、快速解吸和低滲透性的一種弱粘結性煤體[12-13]，而研究表明煤與瓦斯突出多發生在構造區域附近，尤其是易發生在斷層、褶曲和煤層的局部變厚帶等區域范圍內[14]。因而構造煤的研究對深入認識煤與瓦斯突出尤其是突出敏感指標的分析具有重要意義。多數學者認為構造煤的結構與原生煤相比發生了較大程度的改變[15-18]，因此，會影響到瓦斯的吸附和解吸性能，進而會對鉆屑瓦斯解吸指標的結果產生影響。

構造煤的孔隙結構變化體現在孔容和比表面積的改變，國內外眾多學者開展了大量的構造煤孔隙特性的分析與研究[12-13,18]。王振洋等認為構造作用會對全尺度范圍內的微孔、介孔和大孔產生改造效果，促進孔隙結構進一步發育，進而增大了瓦斯的解吸能力[13]。薛光武等結合壓汞法和N2(77 K)吸附法對韓城地區構造煤的孔隙結構特征進行了研究，得出煤樣的孔隙均以微孔占比最多，比例可達74.56%～94.70%；構造作用的加強會迫使開放性孔向細瓶頸孔轉化，增加了微孔比表面積，使微孔對孔隙結構影響作用逐漸增大[19]。姜家鈺在總結研究結果的基礎上認為構造煤發育的微孔結構會為瓦斯的吸附提供更多的空間，會更容易發生突出事故[20]。路冠文等認為高變質弱變形煤的瓦斯解吸初期應力敏感性最強，低變質程度煤的瓦斯解吸初期應力敏感性最弱，變質作用和構造變形均會促進煤的瓦斯解吸能力[21]。李云波等對不同煤礦構造煤的初始瓦斯解吸特性的研究表明，構造煤初始瓦斯解吸速度很大，是原生煤的1.36～2.84倍，尤其是在第一分鐘內的差異性明顯[16]。構造煤的瓦斯吸附和解吸特性與原生煤差異性極大，因此，構造煤層的突出危險性的判斷以及合適的突出敏感指標臨界值的選取對指導井下安全生產意義重大。

河南省平頂山市平煤十礦己組煤層的煤具有松軟易碎的特性，瓦斯含量較大，屬于典型的構造煤。2007年11月12日在己15-16-24110綜采面發生了共計12人死亡的煤與瓦斯突出事故，煤層的特性即為松軟破碎的構造煤。因此，為了更清楚的認識構造煤及指導后續生產工作，有必要對己組煤層進行相關的瓦斯參數研究，文中主要以平煤十礦己15煤層為研究的對象，分別選取了33200機巷和24130切眼的煤樣進行了工業分析、瓦斯吸附常數、孔隙結構特征和瓦斯解吸性質的測定。分析了煤樣的瓦斯解吸性質和初始瓦斯解吸能力，以及對鉆屑瓦斯解吸指標的影響，進而分析K1和Δh2的可靠性，為實際生產提供依據。

1 實驗煤樣與方法

1.1 實驗煤樣

2組構造煤樣分別取自于平煤十礦己15煤層的33200機巷和24130切眼，運送至實驗室后選取部分煤樣進行預破碎處理，并使用煤樣篩分別篩分出粒徑為1～3，0.2～0.25和0.074～0.2 mm的粉煤顆粒。根據《煤的工業分析分析方法》(GB/T 212—2008)，選取粒徑0.074～0.2 mm的煤樣用于工業分析的測定，其結果見表1。實驗結果表明PMR1和PMR2的揮發分結果相差不大，水分、灰分和固定碳含量則表現出一定的差異性，尤其以灰分含量差異性最為明顯，結果分別為22.6%和10.91%。

遵循《煤的高壓等溫吸附試驗方法》(GB/T 19560—2008)，選用粒徑0.2～0.25 mm的煤樣開展煤的高壓甲烷吸附實驗，結果見表2。PMR1和PMR2的吸附常數a值分別為20.2和21.5 m3/t，表明2組煤樣具有相似的瓦斯吸附能力。煤樣的堅固性系數均小于0.5，最小值為0.27，硬度極低，表現出極為松軟的特性，說明煤樣所在的煤層經歷了類似斷層、褶曲、滑動等地質構造，從而改變了煤的強度。

1.2 實驗裝置與方法

瓦斯解吸實驗裝置示意圖如圖1所示，瓦斯解吸實驗基于容量法設計，解吸出的瓦斯氣體采用排水法收集并計量。首先，將50 g粒徑范圍為1～3 mm的試驗煤樣裝入煤樣罐中，并于60 ℃的水浴中進行真空脫氣24 h以上，然后向煤樣罐中充入不同壓力的甲烷氣體并置于溫度為30 ℃的水浴中進行吸附平衡，期間調整煤樣罐瓦斯壓力(8 h以上)，直至達到試驗平衡壓力(0.6，1.0，2.0，3.0和4.0 MPa)。最后將煤樣罐與解吸裝置相連接進行120 min瓦斯解吸實驗。

N2(77 K)吸附法和CO2(273 K)吸附法用于孔隙結構的分析，儀器采用美國康塔儀器公司生產的Autosorb iQ2全自動氣體吸附分析儀，煤樣的粒徑為0.2～0.25 mm。在分析測試之前，首先將煤樣在真空干燥箱中干燥5天，預先脫去煤樣中的水分，然后在130 ℃下加熱，并用分子泵脫氣10 h。當脫氣完成且氮氣回填后，對煤樣進行最終分析并獲得相對壓力(P/P0：0.001～0.995)下的吸附等溫線。DFT方法用于分析煤樣的微孔結構，BJH方法用于分析介孔和大孔結構。Kelvin理論認為液體的飽和蒸汽壓與彎液面的曲率有關，表示為半徑為r的液滴的平衡壓力與平液面飽和蒸汽壓的關系，如式(1)所示。

(1)

BET方法多被選擇用于分析煤樣的BET比表面積，其相對壓力取值范圍在0.05～0.35之間，即處于單層吸附和多層吸附。BET比表面積指的是除去微孔填充外的所有外表面積，其計算公式如式(2)所示。

(2)

式中v為吸附量，cm3/g；vm為單層吸附量，cm3/g；c為常數。將式(2)轉為線性方程式，并以P/[v(P0-P)]對P/P0作圖即可得到斜率和截距，如果是直線則說明BET式成立，進而獲得常數c和單層吸附量vm，表達式如式(3)所示。

(3)

在得到單層吸附量的基礎上，可進一步由式(4)計算比表面積。

As=(vmNam/M)×10-18

(4)

式中As為BET比表面積，m2/g；N阿伏伽德羅常數，6.022×1023；am為分子占有面積，nm2；M為吸附質相對分子質量。

BJH方程則是在Kelvin理論的基礎上發展起來的，表達式如式(5)所示。

rp=rk+t

(5)

式中rp為孔半徑，nm；rk為Kelvin半徑，nm；t為吸附層厚度，nm。

BJH方法基于圓柱形孔隙進行分析，可測孔徑范圍在0.9～400 nm之間，但在實際的分析過程中，BJH方法僅能獲得2 nm以上的孔隙結果。因此，文中僅對基于N2(77 K)吸附法的介孔和大孔孔隙結構特征展開分析。為了避免脫附曲線帶來的假峰干擾，選用吸附曲線對煤樣的孔隙結構參數進行分析表征，并選用IUPAC提出的孔隙分類方案對煤的孔隙結構進行分析[22]。

2 構造煤瓦斯解吸性質研究

如圖2所示，分別給出了2組構造煤樣在不同吸附平衡壓力下的瓦斯解吸曲線。從圖中可以看出，雖然煤樣的解吸曲線不同但有一定規律性，瓦斯解吸量均隨時間呈階段性增加的趨勢，表現為近似于Langmuir吸附等溫線的特性，即初始時刻的瓦斯解吸量較大，越到后期解吸量增加越緩慢，最后隨解吸時間的無限增加，解吸量趨于一穩定值。煤樣隨時間的瓦斯解吸量與瓦斯壓力呈近似于拋物線的正相關關系，在不同解吸時間內高壓力曲線皆位于低壓力曲線的上方，高壓力曲線初始時刻的梯度比較大，意味著高壓力條件下煤樣的瓦斯初始解吸速度大。

不同壓力下各曲線的共同特點是隨著時間的延長瓦斯解吸量逐漸增加，瓦斯解吸速度逐漸變小。初始時刻，瓦斯解吸速度最大，隨后衰減速度增加。吸附平衡壓力越大，同一時間，對應的解吸瓦斯量越大。從表3看出，對比2組煤樣的結果發現，相同吸附平衡壓力下的瓦斯解吸量非常接近；隨平衡壓力的增加，煤樣PMR1和PMR2前120 min內累計瓦斯解吸量分別為1.29～5.43和1.30～5.41 mL/g，這與吸附常數的試驗結果相對應，即2組煤樣間的吸附能力和解吸能力相差不大。

表3 煤樣初始解吸量與累積量的關系

結合圖2和表3中的結果發現，瓦斯解吸初期的規律具有明顯的分段性質：瓦斯解吸初期前3 min內的解吸量最大，瓦斯解吸速度快，歸屬于快速解吸階段；3～10 min內的解吸量增加放緩，瓦斯解吸速度降低，為緩慢解吸階段；10 min以后，瓦斯解吸速度平穩，瓦斯解吸量緩慢增加，為平穩解吸階段。從瓦斯解吸性質與鉆屑瓦斯解吸指標的關系來講，前3 min內瓦斯解吸變化性質是影響鉆屑瓦斯解吸指標的重要因素。

圖2 實驗煤樣的瓦斯解吸曲線Fig.2 Gas desorption curves of coal samples

表3列出了構造煤樣在不同吸附平衡壓力條件下，初始瓦斯解吸量與累計瓦斯解吸量的關系。觀察表中數據可發現：構造煤樣的初始瓦斯解吸量均很大，且后期衰減迅速。PMR1和PMR2煤樣第1 min解吸量占解吸總量的比重分別為13.4%～22.8%和22.3%～30.9%，前3 min解吸量占解吸總量的比重為22.7%～33.4%和40.2%～49.8%；前10 min解吸量占解吸總量的比重為40.8%～55.6%和51.7%～61.0%。對解吸特征結果進一步分析可知，平衡壓力越大，單位時間內瓦斯解吸量占總解吸量的比值越小。綜合上述分析結果可以證實，構造煤體內的解吸呈現出初始瓦斯解吸量大，初始解吸速度快的特征；同時，初始瓦斯解吸特性也驗證了瓦斯放散初速度結果的可靠性。

3 構造煤孔隙結構與瓦斯解吸能力關系

構造煤樣的液氮吸附曲線如圖3所示，結果表明煤樣PMR1和PMR2的吸附量分別為3.87和6.71 cm3/g，后者的吸附量明顯高于前者。相對壓力接近1時，吸附量均出現急劇增加，說明有更大孔的存在。根據IUPAC分類標準[22]，煤樣的滯后環類型類型可視為H3類，表明煤中含有大量的狹縫型孔和不規則的納米級孔隙。

圖3 實驗煤樣的液氮吸附曲線Fig.3 N2(77 K)adsorption curves of coal samples

基于BJH方法分析得到的構造煤樣的孔徑分布特征，結果如圖4所示。孔徑分布呈現出多峰分布特征，在2～5 nm峰強度最為明顯；此后隨孔徑的增大，峰值呈震蕩減小特征，但在330 nm左右會出現較大峰值。PMR1和PMR2的BET比表面積分別為0.401和0.868 m2/g，表明煤樣均具有較大的瓦斯吸附空間，且后者的BET比表面積結果相對更高。BET比表面積的增加并不意味著對應的煤樣具有較高的瓦斯吸附能力，JIN等研究結果也表明BET比表面積和瓦斯的吸附能力并沒有明顯的關系[23]。因此，BET比表面積僅可用于分析相應的比表面積的大小程度，不能用于瓦斯吸附能力的評價。

圖4 實驗煤樣的孔徑分布曲線Fig.4 Pore size distributions of coal samples

根據孔徑分布的結果，整理并匯總了煤樣的介孔和大孔的孔隙PMR1的介孔和大孔孔容分別為0.001 13和0.004 98 cm3/g，PMR2的介孔和大孔孔容分別為0.002 02和0.008 31 cm3/g。與BET比表面積結果相似，PMR2煤樣的各階段孔容均出現了增加。根據孔容和瓦斯吸附能力的關系，PMR2煤樣的吸附能力應該高于PMR1，但前文吸附常數結果顯示2組煤樣的a值極為接近，這與普遍認識的關系相悖。

事實上，真正影響瓦斯吸附能力的是煤的微孔孔容和比表面積，程遠平等通過理論和實驗證實，以微孔填充形式賦存的瓦斯量占計算極限瓦斯吸附量的99%，認為瓦斯主要以微孔填充的形式賦存于煤中[24]。在此基礎上，繼續開展了CO2(273 K)吸附實驗，吸附等溫線如圖5所示。從圖中可以看出，PMR1和PMR2煤樣的吸附量分別為12.6和12.7 cm3/g，對應的微孔孔容分別為0.041和0.042 cm3/g，微孔比表面積分別為133.83和133.95 m2/g。上文已經提及微孔孔容和比表面積是影響瓦斯吸附能力的主要因素，實驗結果也表明2種煤樣的微孔結構參數非常接近。因此，即便PMR2煤樣的介孔和大孔的孔容等高于PMR1，但其吸附常數a值相差不大。

圖5 實驗煤樣的二氧化碳吸附曲線Fig.5 CO2(273 K)adsorption curves of coal samples

微孔結構決定了瓦斯的吸附能力，較大孔隙的結構性質會影響瓦斯的解吸能力，尤其是介孔和大孔的孔隙特征。PMR2的孔隙結構相較于PMR1更為發育，其中PMR2的介孔孔容和大孔孔容比PMR1增加78.8%和66.9%。對比煤樣的解吸性質可知，不同壓力下PMR1第1 min和前10 min的瓦斯解吸量占120 min解吸總量的平均值為18.6%和47.8%，PMR2占120 min解吸總量的平均值為26.1%和57.5%。結果表明，介孔和大孔孔隙結構越發育，相應的瓦斯解吸能力越強。煤對瓦斯的吸附和解吸是可逆的過程，解吸能力越強，意味著相應的瓦斯吸附速度越快。觀察表2中吸附常數b值的結果發現，PMR2煤樣的b值為1.11，高于PMR1煤樣的0.45，表明PMR2煤樣吸附過程中更容易達到平衡狀態，吸附速度更快，這與相應的高解吸能力相吻合。綜合孔隙結構與瓦斯吸附和解吸能力的關系可知，介孔和大孔的發育程度直接決定了瓦斯的吸附平衡和快速解吸能力，且之間呈正相關性。

4 實驗室鉆屑瓦斯解吸指標的測定分析

煤的鉆屑瓦斯解吸特征與煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力、煤的破壞程度及煤的結構密切相關。鉆屑瓦斯解吸指標是反映煤的吸附解吸特征和煤結構特征的突出預測指標，在煤礦生產中得到了廣泛的應用。在經過區域預測或者區域效果檢驗判定為無突出危險區內，工作面采掘過程中均需要采用鉆屑瓦斯解吸指標進行工作面突出危險性的預測，常用的鉆屑瓦斯解吸指標有K1和Δh2。

4.1 鉆屑瓦斯解吸指標Δh2

鉆屑解吸指標Δh2的測定采用MD-2型瓦斯解吸儀，屬于變容變壓式儀器。儀器的基本原理是，在不進行煤樣脫氣和充瓦斯的條件下，煤屑中殘余瓦斯向密閉的空間解吸釋放，造成空間體積和壓力的變化，進而通過水的壓差來表征煤屑解吸出的瓦斯量，單位為Pa。

Δh2表示的物理意義：煤樣(10 g)自煤體脫落后暴露于大氣中，第3 min至第5 min的瓦斯解吸總量。對于MD-2型瓦斯解吸儀，每克煤樣第3 min至第5 min瓦斯解吸體積Q和Δh2有以下關系。

Q=0.008 3Δh2/10

(6)

式中Q為每克煤樣瓦斯解吸體積，cm3/g；0.008 3為MD-2型瓦斯解吸儀結構常數。

4.2 鉆屑瓦斯解吸指標K1

K1指標用煤科總院重慶分院生產的WTC型瓦斯突出參數儀測定。在吸附平衡瓦斯壓力作用下，顆粒煤樣暴露于大氣中，煤樣中的瓦斯迅速解吸出來，K1單位為mL/g·min0.5，BARRER等通過實驗得出煤樣的瓦斯解吸量與解吸時間具有以下關系[25]。

(7)

式中Qt為到時間t為止的解吸瓦斯量，cm3/g；Q∞為經過無限時間所能解吸出的瓦斯量，cm3/g；As為試樣的外部表面積，cm2/g；V為試樣的總體積，cm3/g；D為擴散系數，cm2/g；t為煤樣解吸時間，min；π為圓周率。

在此基礎上，從國內外學者研究的鉆屑瓦斯解吸關系式中，選擇指數方程對鉆屑瓦斯解吸指標K1進行計算。

(8)

鉆屑瓦斯解吸指標K1為煤樣自暴露1 min內，每克煤樣的瓦斯解吸總量，反映了煤樣瓦斯含量的多少及解吸速度衰減的快慢。不同吸附平衡壓力下K1和Δh2值如圖6所示。結果表明，PMR1和PMR2煤樣在不同吸附平衡壓力下的K1值分別為0.3～0.78和0.22～0.66 mL/(g·min0.5)，Δh2值分別為180～480和130～480 Pa。

圖6 實驗室測定煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標值Fig.6 Desorption index of drilling cuttings and gas of coal samples determined in the laboratory

通過對數據結果分析還發現，煤樣的K1和Δh2值均隨吸附平衡壓力的增加而增加，且相同吸附平衡壓力下，煤樣PMR1的結果略大于PMR2，但差值不大。Δh2隨瓦斯壓力增長趨勢與K1的增長趨勢具有較好的一致性，這是由于Δh2和K1都表示煤樣一段時間內的解吸量，反映了煤體的解吸特征，相同的煤體具有相同的解吸規律，因此對Δh2和K1的影響也一樣。對不同壓力下實測的鉆屑瓦斯解吸指標進行擬合發現(表4)，K1和Δh2與平衡壓力之間的冪指數關系明顯，相關度很高，均在0.96以上。

表4 煤樣鉆屑解吸指標與壓力關系的擬合結果

5 鉆屑瓦斯解吸指標估算及可靠性分析

在獲得實測的鉆屑瓦斯解吸指標K1和Δh2的基礎上，根據式(6)和式(8)將K1和Δh2換算成相應的瓦斯解吸量，并與煤樣的實際瓦斯解吸量進行對比分析的關系如圖7所示。PMR1實測K1值反算的解吸量與第1 min的實際解吸量相對誤差為1.8%～20.6%，平均值為10.28%；根據實測Δh2值反算的解吸量與第3至第5 min的實際解吸量的相對誤差為2.7%～16.7%，平均值10.98%。PMR2實測K1值反算的解吸量與第1 min的實際解吸量相對誤差為24.1%～51.6%，平均值為42.7%；根據實測Δh2值反算的解吸量與第3第5 min的實際解吸量的相對誤差為3.9%～10.1%，平均值6.44%。

實驗結果表明，煤樣PMR1鉆屑瓦斯解吸指標K1和Δh2的可靠性均較好，均能較好地反映煤樣的真實解吸情況。煤樣PMR2鉆屑瓦斯解吸指標Δh2的可靠性高于K1，根據實測K1值反算的解吸量與第1 min實際解吸量相對誤差的平均值為42.7%，誤差值很大。根據前文關于孔隙結構和瓦斯解吸能力關系的分析結果可知，主要原因在于PMR2具有更高的初始瓦斯解吸能力，因此在實驗過程中產生的誤差也越大，K1的可靠性較差。當解吸一段時間后，解吸速率逐漸降低，且下降速度較為明顯，由此產生的誤差也會隨之降低，所以對于PMR2煤樣來說，Δh2的可靠性要優于K1。根據2組構造煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標的結果，可以得出結論：對于具有快速解吸能力的構造煤，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2的可靠性要優于K1；平煤十礦己15煤層鉆屑瓦斯解吸指標Δh2的可靠性要高于K1。

圖7 煤樣的反算解吸量與實測解吸量對比Fig.7 Comparison results between calculated desorption capacity and measured desorption capacity of coal samples

6 結 論

1)平煤十礦己15煤層煤質較軟，具有較大的瓦斯吸附能力，結果表明PMR1和PMR2煤樣的吸附常數a值分別為20.2和21.5 m3/t，瓦斯吸附能力相似。

2)構造煤的瓦斯解吸曲線呈類似Langmuir等溫線性質，隨解吸時間的進行解吸量增幅逐漸變緩；平衡壓力越大，解吸瓦斯量越大。煤樣PMR1和PMR2前120 min內瓦斯解吸量分別為1.29～5.43和1.30～5.41 mL/g。瓦斯解吸初期的規律具有明顯的分段性質，依次為快速解吸階段、緩慢解吸階段和平穩解吸階段。PMR1和PMR2煤樣第1 min解吸量占解吸總量的比重分別為13.4%～22.8%和22.3%～30.9%；前10 min解吸量占解吸總量的比重最高達55.6%和61.0%。

3)煤樣的孔隙結構控制著瓦斯的解吸特性。PMR2發育的介孔孔容(0.002 02 cm3/g)和大孔孔容(0.008 31 cm3/g)是決定其瓦斯解吸能力高于PMR1的重要原因。介孔和大孔的孔隙結構越發育，瓦斯的解吸能力越強。

4)通過對實驗煤樣鉆屑瓦斯解吸指標K1和Δh2的可靠性分析發現，煤樣PMR2的鉆屑瓦斯解吸指標K1的可靠性很差，遠低于Δh2，主要是因為發育的孔隙結構導致了更為快速的初始瓦斯解吸能力，導致實驗過程中誤差增大，從而降低了K1可靠性。平煤十礦己15煤層鉆屑瓦斯解吸指標Δh2的可靠性要高于K1。