西山煤田焦煤孔隙結構對瓦斯解吸的影響研究

徐慧剛，秦興林

（1.山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045411；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤是一種多孔有機介質(zhì)，具有高度發(fā)達的孔隙結構[1-3]。儲存在煤體中的瓦斯以游離態(tài)和吸附態(tài)的形式存在，但當瓦斯壓力高于2 MPa 時，瓦斯在煤體中還可以是固溶態(tài)[4-6]。煤的孔隙結構特征（如孔隙率、孔徑大小、比表面積等）直接影響瓦斯在煤層中的流動性及滲透性，從而影響煤礦瓦斯抽采。周世寧[7]認為，瓦斯在煤層孔隙網(wǎng)絡中的流動形式以擴散為主，可用菲克定律進行描述，而瓦斯在煤層裂隙中以滲透為主，遵循達西定律。文獻［8］通過孔隙率和瓦斯壓力的測定，計算出了煤層中的游離瓦斯含量，并分析了孔隙率對瓦斯解吸的影響。文獻［9］以干煤樣為研究對象，在20 MPa 高壓下進行甲烷、二氧化碳、氮氣吸附實驗，結果表明，煤體內(nèi)部有大量的孔隙與煤體表面不連通，這類閉孔阻礙瓦斯的吸附和解吸。王振洋[10]對比分析了原生煤和構造煤微觀孔隙結構差異性，認為瓦斯解吸性能與構造煤孔隙演化密切相關，構造煤瓦斯解吸量明顯高于原生煤，其第1 min 平均解吸速度為原生煤的1.43～8.83倍。趙東等[11]針對注水后的煤體瓦斯解吸規(guī)律開展了研究，結果發(fā)現(xiàn)瓦斯解吸率與臨界孔隙尺度遵循Langmuir 型關系式。蔡銀英等[12]開展了圓柱體煤樣瓦斯解吸放散實驗，建立了瓦斯放散模型，并明確含瓦斯煤快速解吸是突出發(fā)生的重要前提。郝富昌等[13]分析了煤體瓦斯解吸規(guī)律及其影響因素，認為煤變質(zhì)程度、孔隙特性和破壞類型是影響瓦斯解吸擴散的主要因素。齊黎明等[14]研究了不同流場狀態(tài)下的含瓦斯煤解吸規(guī)律，結果表明，在解吸量和解吸方面，球向流場＞徑向流場＞單向流場。趙洪寶等[15]基于煤層夾矸影響下的瓦斯放散規(guī)律，建立了“兩腔”放散模型。前人在煤體孔隙表征及瓦斯解吸運移方面取得了豐碩成果[6,16]。在此基礎上，以西山煤田焦煤煤樣為研究對象，先進行低溫液氮吸附實驗測定焦煤孔隙參數(shù)，再進行瓦斯解吸實驗，研究揭示焦煤微觀孔隙特性對瓦斯解吸影響機制。研究結果對西山礦區(qū)煤與瓦斯突出防治和煤層氣資源開發(fā)均具有十分重要的意義。

1 實驗部分

1）實驗煤樣。實驗煤樣共6 種，均采自西山煤田主力生產(chǎn)礦井。將工作面新鮮原煤采集并密封包裝后運送至實驗室。然后將原煤粉碎制備成60～80 目（粒徑0.18～0.25 mm） 實驗用煤，參照國標GB/T 212—2008 對煤樣進行真空干燥后，利用工業(yè)分析儀對煤巖成分進行測定，煤體鏡質(zhì)組反射率Ro遵照國標GB/T 6948—2008 開展測試。根據(jù)GB/T 23561，采用落錘法測定煤的堅固性系數(shù)f。實驗煤樣煤質(zhì)分析結果見表1。可以看出，這6 種煤樣Ro在1.38%～1.52%范圍內(nèi)窄幅波動，均屬焦煤；堅固性系數(shù)f 值在0.58～1.72 范圍內(nèi)變化。

表1 實驗煤樣煤質(zhì)分析結果Table 1 Coal quality analysis data of experimental coal samples

2）低溫液氮吸附實驗。利用低溫液氮吸附法測試焦煤孔隙結構，實驗采用美國Quantachrome 公司生產(chǎn)的AUTOSORB-6B/3B 型全自動化學/物理吸附儀。其能測得的孔徑范圍為1.0～300 nm，比表面積范圍5×10-4～5×103m2/g，分析站和脫氣站的極限真空度可達到4.0×10-8Pa。首先將粒徑為0.18～0.25 mm 的粉煤煤樣放入脫氣站內(nèi)，在120 ℃溫度下真空脫氣10 h 以除去煤中雜質(zhì)，待煤樣冷卻后放入分析站內(nèi)，在液氮飽和溫度（77 K）下進行低溫液氮吸附實驗。測試過程中，共選取39 個壓力點，每個實驗煤樣的測試量均為2 g 左右。根據(jù)測得的氮氣吸附數(shù)據(jù)，利用儀器自帶軟件可計算得到煤樣孔隙體積、比表面積、孔徑分布等結構參數(shù)。

3）瓦斯解吸實驗。瓦斯解吸實驗采用法國塞塔拉姆公司制造的全自動高壓氣體吸附解吸儀（型號PCTPro），該實驗系統(tǒng)主要由真空單元、充氣單元、溫度控制單元以及吸附解吸單元這4 個單元組成。稱取100 g 左右干燥粉煤煤樣放入樣品罐中，對系統(tǒng)進行氣密性檢查，測定系統(tǒng)自由空間體積后，充入甲烷氣體開展瓦斯吸附解吸實驗。實驗溫度均控制在30 ℃，吸附時長不低于12 h，解吸時長不低于10 h，采用排水集氣法收集解吸的瓦斯，以此計算瓦斯解吸量。

2 結果與分析

2.1 焦煤孔隙特征

不同煤樣的低溫液氮等溫吸附曲線如圖1，p 為絕對壓力，p0為飽和蒸氣壓。不同煤樣孔隙結構參數(shù)見表2。不同煤樣孔隙分布見表3。

表2 不同煤樣孔隙結構參數(shù)Table 2 Pore structure parameters of different coal samples

表3 不同煤樣孔隙分布Table 3 Pore size distribution of different coal samples

由圖1 可知，吸附曲線和脫附曲線并不重合，在同一相對壓力條件下，脫附曲線始終高于吸附曲線，這說明被吸附的氮氣不能完全從煤樣中脫附解吸出來，脫附曲線相對于吸附曲線具有明顯的滯后現(xiàn)象。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，ML 煤樣等溫線的開口最大，吸附曲線和脫附曲線相距最遠，說明該煤樣半封閉孔較多，孔隙內(nèi)部之間的連通性較差，氮氣不易解吸出來。

圖1 不同煤樣的低溫液氮等溫吸附曲線Fig.1 Adsorption isotherms of different coal samples

從表2 可以看出, 各焦煤煤樣孔隙體積、孔比表面積均變化較大，分別在0.017 4～0.081 3 cm3/g、0.84～2.59 m2/g 范圍內(nèi)變動。同時，各焦煤煤樣表現(xiàn)出了不同的氮氣吸附能力，煤對N2的吸附量與孔隙體積呈正相關關系。DQ 煤樣孔隙體積最大，其N2吸附量也最大，為3.46 cm3/g。N2吸附量與孔比表面積總體上也呈正相關關系，但也并非完全如此，例如XM 煤樣，孔比表面積比ML 煤樣小，但孔隙體積比ML 煤樣大，因而N2的吸附量卻為1.41 cm3/g 比ML煤樣大。不同煤樣平均孔徑差異較大，在8.59～21.52 nm 范圍內(nèi)變化，最大相差2.5 倍。實驗中還發(fā)現(xiàn)，平均孔徑與孔比表面積呈負相關關系，即平均孔徑越小，孔比表面積越大。說明平均孔徑越小，微孔數(shù)量越多，相應的孔比表面積也就越大。

由表3 可知，微孔比表面積占總比表面積的70%以上，而大孔比表面積占比均低于13%。這說明在焦煤的各類孔隙中，微孔最為發(fā)育，主要占據(jù)了孔隙表面積。由于瓦斯吸附主要發(fā)生在孔隙表面上，由此可以推斷，微孔對焦煤瓦斯吸附特性產(chǎn)生重要影響。在孔隙體積分布方面，微孔體積所占百分比均低于15%，占比較小，而大孔體積占比均超過60%。這說明微孔體積很小，孔隙體積主要由大孔和中孔貢獻。

2.2 瓦斯解吸實驗結果

對6 個煤樣分別進行瓦斯解吸實驗。在壓力范圍內(nèi)，設置0.5 MPa 和1.5 MPa 2 個平衡壓力點。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分別繪制了瓦斯等溫解吸曲線，各煤樣瓦斯等溫解吸曲線如圖2。

由圖2 可以看出，隨解吸時長的增加，焦煤瓦斯解吸呈現(xiàn)了先快后慢、最后趨于平穩(wěn)的階段性變化規(guī)律。在平衡壓力0.5 MPa 和1.5 MPa 下，DQ 煤樣對應的總瓦斯解吸量分別為8.14 cm3/g 和16.68 cm3/g，1.5 MPa 下的瓦斯解吸量是0.5 MPa 下的2.05 倍。說明壓力對焦煤瓦斯吸附解吸特性具有顯著影響。同等條件下，平衡壓力越大，解吸量越大。其它5 個煤樣均有類似規(guī)律。相同平衡壓力條件下，總解吸量大小依次為：DQ＞TL＞XQ＞GD＞XM＞ML，DQ煤樣解吸量最大，ML 煤樣最小。經(jīng)過計算，平衡壓力為0.5 MPa 和1.5 MPa 時，DQ 煤樣解吸量分別是ML 煤樣的2.13 倍和1.97 倍。

圖2 各煤樣瓦斯等溫解吸曲線Fig.2 Curves of isothermal desorption of different coal samples

2.3 焦煤孔隙結構對瓦斯解吸影響

焦煤瓦斯解吸量影響因素分析如圖3。

圖3 焦煤瓦斯解吸量影響因素分析Fig.3 Analysis of influencing factors of gas desorption volume for coking coal

由圖3（a）可知，在相同平衡壓力下，總解吸量隨孔隙體積的增加而增加，相關系數(shù)R2均在0.9 以上，呈現(xiàn)較好的線性關系；且當平衡壓力升高時，擬合直線的斜率分別為70.47 和114.49，說明總解吸量隨孔隙體積線性遞增的趨勢也在增加。由圖3（b）可以看出，在各平衡壓力下，孔比表面積與總解吸量也呈現(xiàn)正相關關系，但相關系數(shù)均＜0.69，明顯低于圖3（a）中的R2；圖3（c）顯示，總解吸量與平均孔徑呈負相關關系，R2也小于圖3（a）。這說明，在孔比表面積、孔隙體積和平均孔徑這3 個因素中，孔隙體積是影響焦煤總解吸量的主要因素，但同時孔比表面積的增加對解吸量也有積極貢獻。

此外，焦煤水分含量也對瓦斯解吸有重要影響。由圖3（d）可知，隨焦煤水分含量增加，總解吸量大幅減少。這是由于氣態(tài)水分子容易吸附在煤體孔裂隙壁面，大量氣態(tài)水分子凝聚后形成液態(tài)水，堵塞瓦斯運移通道，導致瓦斯解吸受阻，進而降低總解吸量。焦煤f 值對瓦斯解吸也有一定影響（圖3（e））。不同平衡壓力下，總解吸量隨f 值增加而持續(xù)減小，表明煤體越軟越利于瓦斯解吸。事實上，軟煤與地質(zhì)構造緊密相關，在構造應力作用下，煤體發(fā)生搓揉作用，導致相同變質(zhì)程度軟煤較硬煤擁有更大的孔隙空間和表面積，這為瓦斯快速解吸創(chuàng)造了有利條件，在外部擾動下，煤體一旦失穩(wěn)，大量瓦斯迅速涌向巷道空間，容易發(fā)生煤與瓦斯突出。

3 結 論

1）吸附曲線和脫附曲線并不重合，脫附曲線具有明顯的滯后現(xiàn)象。ML 煤樣的開口最大，吸附曲線和脫附曲線相距最遠，說明ML 煤樣半封閉孔較多，孔隙內(nèi)部之間的連通性較差，氣體不易解吸出來。

2）微孔比表面積占總比表面積的70%以上，而大孔比表面積占比均低于13%。這說明在焦煤的各類孔隙中，微孔最為發(fā)育，主要占據(jù)了孔隙表面積；而微孔體積很小，孔隙體積主要由大孔和中孔貢獻。

3）在相同平衡壓力下，總解吸量與孔隙體積、孔比表面積均呈正相關關系，孔隙體積是影響瓦斯解吸的主要因素，但同時孔表面積的增加對解吸量也有積極貢獻。

4）焦煤水分含量對瓦斯解吸有重要影響，隨焦煤水分含量增加，液態(tài)水易堵塞孔裂隙通道，導致瓦斯解吸受阻，總解吸量大幅減少。