突出孔洞構造煤與原生結構煤瓦斯吸附特性對比研究

馬瑞帥，田世祥，林華穎，許石青，蘇偉偉，謝紅飛

（貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025）

煤體中瓦斯賦存形式以游離態和吸附態為主，當環境穩定時煤體瓦斯處于吸附平衡狀態。由于煤體是一種復雜的多孔介質，煤體孔隙結構對瓦斯吸附及滲流特征具有較大影響[1-2]。因此研究煤體孔隙結構對煤層瓦斯綜合利用與煤炭安全開采具有重要意義。為進一步揭露煤體孔隙結構與瓦斯吸附特征之間的關系，國內外學者對煤體孔隙結構進行了大量研究。葉貞妮等[3]對不同煤體結構的孔隙、裂隙的分形維數以及對煤體滲透性的影響進行了研究，得出煤體孔隙、裂隙優質配比是決定煤體高滲透性的關鍵；李祥春等[4]對不同煤階孔隙結構表征對瓦斯吸附與解吸的影響進行了研究，表明煤體瓦斯以微孔表面擴散為主；Hassan Nasir Mangi等[5]運用掃描電子顯微鏡，低壓吸附N2和CO2的方法，系統分析了孔徑分布和分形維數對吸附和解吸值的影響；Lan Fengjuan[6]等通過分析C2+氣體分布變化，得出“濕氣區”中的煤體具有較大的孔隙比表面積；涂慶毅[7]研究發現煤體微孔、小孔及中孔等孔隙在構造破壞-粉化作用下會出現孔容和比表面積“突增”現象；董駿[8]基于壓汞法、氮氣吸附法和二氧化碳吸附法對煤體孔隙特性進行測試，結果發現中孔和大孔孔容的增大主要歸因于構造作用；王福生等[9]研究發現煤體的微觀結構和分子結構是煤體自燃傾向性差異的關鍵。上述研究在煤體孔隙結構分形特征和瓦斯吸附解吸特性方面取得了一定的成果，但是有關突出孔洞構造煤孔隙特性方面的研究則鮮有報道?；诖耍再F州省三甲煤礦突出孔洞構造煤為研究對象，運用壓汞和低溫液氮吸附相結合的方法以期揭露突出孔洞構造煤孔隙特征。

1 實驗方案

1.1 煤樣采集

實驗煤樣分別包括破壞類型為Ⅱ的原生結構煤與破壞類型為Ⅳ類的突出孔洞構造煤，原生結構煤和突出孔洞構造煤分別取自貴州省三甲煤礦M16煤層41601掘進巷不受突出影響處和貴州省三甲煤礦M16煤層41601掘進巷突出孔洞內部。將所取煤樣裝入煤樣罐及時運送到實驗室并保證運輸過程中煤樣不受到破壞，后續在實驗室條件下根據GB/T 121—2008《煤的工業分析方法》對所取煤樣進行工業分析，煤樣基礎參數見表1。

表1 煤樣基礎參數Table 1 Basic parameters of coal samples

1.2 實驗方法

實驗過程中采用AutoPoreⅣ9505型壓汞儀（工作壓力范圍為0～228 MPa，孔徑理論測定范圍為5～360 000 nm）對所取煤樣進行壓汞實驗，為減少水分對實驗結果的影響，實驗前將所取煤樣在100℃下烘干5 h，后續在膨脹儀中抽真空進行實驗。采用壓汞法測試煤樣孔隙參數過程中，汞壓較低時汞先進入裂隙；后續隨著壓力逐漸升高，當汞壓大于孔喉的毛細管力時，汞開始進入孔隙中。低溫液氮吸附實驗采用ASAP2020全自動分析儀對所取煤樣比表面積及孔徑進行分析，實驗溫度為77.3 K，比表面積的測試范圍為0.000 5 m2至無窮大，孔徑的理論測試范圍為0.35～500 nm。

2 測試結果與分析

2.1 壓汞法測試結果

于煤是一種復雜的多孔介質孔徑分廣泛，文中采用霍多特十進制分類法將孔大小分為：微孔（<10 nm）、小孔（10～100 nm）、過渡孔（>100～1 000 nm）和大孔（>1 000 nm）。采用壓汞法對煤樣進退汞曲線進行測試，進汞和退汞曲線如圖1（1 psia=6.895 kPa）。

圖1 進汞和退汞曲線Fig.1 Mercury inflow and mercury withdrawal curves

從圖1可以看出，當壓力為5 psia時，汞液能夠進入40 000 nm以上的孔隙，該段突出孔洞構造煤進汞量明顯大于原生結構煤進汞量并且增幅速度快，表明此階段突出孔洞構造煤裂隙與大孔隙較原生結構煤發育。當壓力逐漸由5 psia增至1 800 psia時，汞液進孔徑范圍為100～40 000 nm，該階段進汞曲線均較為平緩，表明煤體中孔徑范圍為100～40 000 nm的孔較少，但突出孔洞構造煤的進汞曲線斜率依舊大于原生結構煤進汞曲線斜率，即該階段突出孔洞構造煤孔隙比原生結構煤更加發育。當壓力大于1 800 psia時汞液可進入小于100 nm的孔徑，此時突出孔洞結構煤與原生結構煤進汞曲線均迅速增加，表明煤體中微孔與小孔發育情況較好。由退汞階段來看，原生結構煤與突出孔洞構造煤均存在滯后環，并且突出孔洞構造煤的滯后環明顯大于原生結構煤的滯后環。表明這2種煤均存在開放性透氣孔，且突出孔洞構造煤的孔隙連通性較原生結構煤好。

通過壓汞法得到所取煤樣孔容增量隨孔徑變化折線圖，壓汞法孔容隨孔徑變化示意圖如圖2。

圖2 壓汞法孔容隨孔徑變化示意圖Fig.2 Schematic diagrams of pore volume variation with pore diameter by mercury injection method

由圖2可知，隨著孔徑的增加突出孔洞構造煤與原生結構煤均呈現微孔與小孔階段累計孔容增量較大后續逐漸表小的變化趨勢。從微孔階段孔容增量來看，突出孔洞構造煤累計孔容增量達到0.028 mL/g左右明顯大于原生結構煤累計孔容增量，表明突出孔洞構造煤微孔明顯比原生結構煤發育。小孔階段，突出孔洞構造煤累計孔容增量由0.028 mL/g增加到0.042 mL/g，增加幅度為0.014 mL/g，而原生結構煤累計孔容增量由0.007 mL/g增加到0.020 mL/g，增加幅度為0.012 mL/g，表明突出孔洞構造煤小孔發育情況與原生結構煤小孔發育情況相接近。當孔徑大于100 nm時，原生結構煤累計孔容增量基本趨于穩定，最終穩定在0.025 mL/g左右；然而突出孔洞構造煤累計孔容增量依舊呈現逐漸變大的趨勢，最后穩定在0.067 mL/g左右。

2.2 分形維數分析

由于煤體孔隙結構特有的復雜性和非均質性，采用傳統方法難以準確定量描述和表征煤體孔隙形態，而分形理論能有效地研究和描述煤的孔隙形態，且分形理論在具有自相似性物質的表面特性分析中已被得到了廣泛應用[10-12]。分形維數的大小能反映煤體孔隙的復雜程度和非均質性，分形維數越大則孔隙形狀越不規則，表面越粗糙。

當汞進入孔隙后，當前壓力下總孔體積與進入孔隙中的汞量相等，根據Menger海綿模型和Washburn方程可得進汞壓力p與進汞體積v雙對數關系為：

等號兩邊取對數可得孔隙分形維數D與擬合直線斜率之間的關系為：

式中：D為分形維數；v為壓力為p時對應的汞體積，mL/g；p為進汞壓力，MPa。

對實驗數據進行處理，繪制以lg（d v/d p）為縱坐標、以lg p為橫坐標的散點圖，并對各點進行擬合，煤樣d v/d p與p雙對數坐標示意圖如圖3。通過觀察lg（d v/d p）與lg p雙對數圖發現散點圖在壓力為1 400～3 500 psia即孔隙為50～120 nm存在明顯分界點，將較大孔隙稱為滲流孔，分形維數為D1；較小孔隙稱為吸附孔，分形維數為D2。

圖3 煤樣d v/d p與p雙對數坐標示意圖Fig.3 Double logarithmic coordinates of d v/d p and p of coal samples

由圖3可知，吸附孔的分形維數均大于滲流孔的分形維數，即煤體微孔與小孔階段的孔隙結構更加復雜，不規則程度更強；對比原生結構煤與突出孔洞構造煤來看，突出孔洞構造煤滲流孔分形維數與吸附孔分形維數均比原生結構煤大，即突出孔洞構造煤整體孔隙復雜程度要比原生結構煤高。煤體分形維數決定了煤體孔隙復雜程度，而煤體孔隙程度越復雜煤體吸附瓦斯速率越快，吸附瓦斯量越大[13-14]。從分形維數的角度來看，突出孔洞構造煤孔隙復雜程度為突出發生提供了良好的瓦斯條件。

2.3 低溫液氮吸附測試結果

煤體瓦斯賜福特性主要由微孔與小孔決定，因此用低溫液氮吸附法對煤樣進行孔隙結構分析時主要對孔徑小于100 nm的孔隙進行分析。液氮吸附孔容隨孔徑變化示意圖如圖4。由圖4可知，微孔、小孔階段突出孔洞構造煤的孔徑增容明顯大于原生結構煤的孔徑增容，表明該階段突出孔洞構造煤孔隙發育遠比原生結構煤要好。從累計孔容增量來看，孔徑小于100 nm時構造煤的累計孔容增量大于0.01 mL/g，接近原生結構煤累計孔容增量的2倍。

圖4 液氮吸附孔容隨孔徑變化示意圖Fig.4 Schematic diagrams of pore volume variation with pore diameter by liquid nitrogen adsorption method

3 結果討論

壓汞實驗是通過壓力將汞液壓進裂隙孔隙中，根據汞液壓力衡量孔隙大小，因此實驗開始汞液先進入煤樣裂隙中，隨著壓力的增加逐漸進入孔隙中。但隨著壓力增加，煤體受到的作用力不斷增加，存在部分孔隙抵御不了汞液壓力造成實驗偏差；低溫液氮吸附則是根據液氮凝聚填充孔隙檢測孔隙尺寸，液氮先進入小孔隙，隨后填充較大的孔隙。在測量大孔徑時，隨著壓力變大存在液氮無法凝聚的現象，使得測得煤樣大孔徑數據的偏差[15]。為減小實驗誤差，因此提出煤體臨界孔隙區域的概念。由于壓汞原理在測量大孔隙時具有較高的準確性，低溫液氮實驗對小孔隙的測定具有較高的準確性?；诖耍瑢⑼怀隹锥礃嬙烀悍謩e在壓汞法與液氮吸附法所測定的孔徑隨孔容變化率曲線的重合區域定義為臨界孔隙區域，采用臨界孔隙區域的條件下對實驗結果進行分析?？左w積隨孔徑變化示意圖如圖5。

由圖5可知，隨著孔徑的增加壓汞法和液氮吸附法所測定的孔徑隨孔容變化率曲線均呈現遞減的趨勢且在小孔階段出現臨界區域，即微孔、小孔階段采用低溫液氮法測定煤體孔隙，過渡孔、大孔階段運用壓汞法測定煤體孔隙。

圖5 孔體積隨孔徑變化示意圖Fig.5 Diagram of pore volume changes with pore size

結合圖2、圖4以及臨界孔隙區域對煤體孔隙分析可得，微孔、小孔階段突出孔洞構造煤孔隙發育情況均比原生結構煤要好，且各個階段的累計孔容增量都在原生結構煤的2倍左右。由于煤體瓦斯吸附能力主要由微孔與小孔決定，突出孔洞構造煤微孔、小孔發育情況為突出的發生準備了良好的瓦斯吸附條件。由壓汞法測得的煤體孔隙連通性來看，突出孔洞構造煤與原生結構煤均存在開放性孔隙，且突出孔洞構造煤的孔隙連通性遠比原生結構煤的好，即突出孔洞構造煤孔隙連通性更利于突出發生時瓦斯的涌出，為突出的發生提供了有利條件。

4 結論

1）原生結構煤與突出孔洞構造煤均存在滯后環，且突出孔洞構造煤的滯后環明顯大于原生結構煤的滯后環，即突出孔洞構造煤的孔隙連通性要比原生結構煤好。

2）突出孔洞構造煤分形維數D1與D2均大于原生結構煤，突出孔洞構造煤孔隙復雜程度比原生結構煤高，突出孔洞構造煤孔隙復雜程度為瓦斯的吸附準備了良好條件。

3）突出孔洞構造煤整體孔隙發育情況比原生結構煤要好，微孔、小孔階段孔隙發育情況遠大于原生結構煤。