煤體孔隙結構對瓦斯吸附和放散性能的影響實驗研究

宋 濤，李博濤，魏宗勇，劉 黎，王 裴

（1.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 神木 719000；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

煤是一種復雜的多孔介質，其內部孔隙大小不一，且分布不均勻，孔隙結構的分布直接影響煤層瓦斯的儲量和產出能力[1-3]。煤體孔隙結構是研究煤體孔隙尺寸、煤基質之間相互作用以及瓦斯儲存運移的基礎。以往研究表明，多孔介質的吸附特性和放散特性與其孔隙結構密切相關，但由于孔隙結構的復雜性和非均質性，傳統的幾何方法描述孔隙結構較為困難，目前采用統計法對孔隙結構進行研究[4-5]。統計法主要有壓汞法、掃描電鏡、低溫液氮吸附、顯微CT 法和核磁共振等，實驗結果可定性分析煤體瓦斯吸附和放散特性，所對應的分形幾何方法也得到了廣泛的應用[6-10]。煤的瓦斯放散性能可用瓦斯放散初速度來表征，是瓦斯滲透和流動規律及預測煤與瓦斯突出的指標之一[11-14]。眾多學者對煤的孔隙結構對瓦斯放散特性的影響進行了大量的研究。聶百勝等[15]得到顆粒煤粒徑對瓦斯放散性能的影響；秦躍平等[16]研究了煤體瓦斯放散特性，并建立了相應的瓦斯放散模型；陳劉瑜等[17]研究了煤的孔隙結構分形特征及其對瓦斯放散初速度的影響；林海飛等[18]進行了低溫氮吸附及瓦斯放散初速度實驗，分析了孔隙結構對瓦斯放散特性的影響，研究表明瓦斯放散初速度與中孔的孔容占比正相關，與微孔和過渡孔的孔容占比負相關，并隨著分形維數的增大而線性減小。以上研究表明，煤體孔隙結構分形特征對瓦斯吸附、放散特性的影響取得了一定成果，壓汞法是定量表征煤體孔隙特征的有效方法。基于此，選取檸條塔煤礦8 組煤樣，采用壓汞法測定了煤樣孔隙特征參數，并結合分形理論研究了煤孔隙結構對瓦斯吸附和放散性能的顯著性，研究成果可對礦井實際生產中的突出危險性預測指標提供依據。

1 煤樣制備及實驗方法

1）煤樣制備。實驗煤樣來自神木檸條塔礦區1-2煤層、2-2煤層和3-1煤層，分別對煤樣進行編號取樣，煤樣取樣完成后，密封帶回實驗室進行實驗。利用5E-MAG6600 全自動工業分析儀，基于GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》對實驗煤樣進行工業分析測定，煤樣工業分析見表1。

表1 煤樣工業分析Table 1 Proximate analysis of coal samples

2）孔隙結構特征測定。采用AutoPore9500 全自動壓汞儀對實驗煤樣的孔隙結構特征進行測定。實驗壓力0.1～413 MPa，孔徑測試范圍為3 nm～370 μm。基于水銀壓入法進行實驗，由Washburn 方程可知，孔隙半徑越大，毛細管阻力也越小，注入水銀所需壓力也越小，故隨注水銀壓力增大，水銀依次進入大孔、小孔[19]。因此可根據注入水銀的毛細管壓力可得到相應的孔隙喉道半徑。

3）瓦斯吸附常數測定。煤的瓦斯吸附常數實驗依照標準MT/T 752—1997《煤的甲烷吸附量測定方法（高壓容量法）》進行測定。首先把實驗煤樣破碎，使用0.25 mm 和0.17 mm 標準篩進行篩選，取0.17～0.25 mm 間的顆粒煤進行實驗，煤樣質量不少于100 g，每個煤樣至少制備個樣品。將制備好的煤樣放入干燥箱，恒定溫度100 ℃干燥1 h 后取出，冷卻至室溫。將冷卻后的干燥煤樣裝滿吸附罐，之后將煤樣罐放入30 ℃的恒溫水浴箱中，進行吸附實驗。基于Langmuir 吸附動力學方程計算附常數a、b 值。

4）瓦斯放散初速度測定。煤的瓦斯放散初速度反映煤放散瓦斯的能力，指含瓦斯煤體暴露時瓦斯從吸附狀態轉變為游離瓦斯的快慢。依據AQ 1080—2009《煤的瓦斯放散初速度（△p）測定方法》，利用WT-1 型瓦斯放散初速度測定儀進行測定。具體流程：制備0.2～0.25 mm 煤樣2 份，每份3.5 g；將2 份煤樣分別裝入煤樣罐內，打開真空泵脫氣，1.5 h 后將真空泵關閉；打開甲烷氣樣袋對煤樣罐進行常壓吸附甲烷1.5 h；進行煤的瓦斯放散初速度的測定，記錄60 s 內瓦斯壓力變化情況；利用壓差方計算得到瓦斯放散初速度，若同一煤樣2 組實驗結果偏差大于1 mmHg（1 mmHg=133.322 4 Pa），則重新測定。

2 實驗結果

2.1 孔隙結構實驗結果

各煤樣進退汞曲線圖如圖1。當進汞壓力非常小時，汞很容易進入到煤的較大孔隙和裂隙中，進汞壓力較低時（0～5 MPa），累計進汞量急劇上升，此壓力對應的孔徑為24 800 nm 以上；隨著進汞壓力的增加（5～20 MPa），進汞量增加幅度減小，此時對應煤樣孔徑為60～24 800 nm，表明煤里面的汞從較大孔隙和裂隙逐漸進入直接較小的孔隙。進汞壓力持續增加，到達20 MPa 后，進汞曲線急劇上升，此時對應煤樣孔徑小于60 nm（主要以半開放孔為主），表明煤樣中小于60 nm 的孔隙數量較多，占比較大。

圖1 各煤樣進退汞曲線Fig.1 Mercury injection and mercury withdrawal curves of coal samples

實驗各個煤樣的退汞曲線與進汞曲線有所不同，進汞、退汞曲線并不重合，壓力小于10 MPa 時，進汞時壓入孔隙的汞量小于相同壓力下退汞時留存于孔隙的汞量，出現明顯的滯后現象，此時孔隙以開放孔隙為主，孔徑較大，連通性較好。隨著壓力的增加，進汞和退汞曲線有所重合，此時孔隙直徑較小，連通性較差。

2.2 瓦斯吸附常數實驗

依據高壓容量法，恒溫下實驗室測得煤樣瓦斯吸附數據，將瓦斯吸附數據經過處理后，得到8 組煤樣吸附常數a、b 值，各組煤樣吸附常數見表2。

表2 各煤樣吸附常數Table 2 Adsorption constants of 8 coal samples

各組煤樣等溫吸附數據與Langmuir 方程的擬合度較高（R2均大于0.95），3-1煤層吸附常數a 值均大于1-2、2-2煤層，表明3-1煤層吸附能力較高，其中7#煤樣的a 值最大，為53.25 m3/t。

2.3 瓦斯放散初速度實驗

各煤樣瓦斯放散初速度見表3。

表3 各煤樣瓦斯放散初速度Table 3 Initial velocity of gas diffusion of 8 coal samples

檸條塔礦的煤樣瓦斯放散初速度為4.70～6.65 mmHg，7#煤樣瓦斯放散初速度最大，2#煤樣瓦斯放散初速度最小，相差1.41 倍。

3 實驗結果分析

3.1 煤樣孔隙結構分布特征

為了準確描述孔隙結構變化，采用B B 霍多特的孔徑分類方法，將煤中孔隙分為微孔（＜10 nm）、過渡孔（10～100 nm）、中孔（＞100～1 000 nm）和大孔（＞1 000 nm）[20]。各煤樣孔隙直徑與孔容增量的關系如圖2。

圖2 各煤樣孔隙直徑與孔容增量的關系Fig.2 Relationship between pore diameter and incremental intrusion of coal samples

由圖2 可知，不同煤樣的孔隙直徑與孔容增量在不同孔徑內變化趨勢有所差別。在微孔階段內孔隙體積變化明顯，此處階段內孔容增量出現峰值；在過渡孔范圍內，孔隙體積均呈鋸齒狀變化；在中孔范圍內，孔容增量出現次峰值；在大孔范圍內，孔容增量變化趨勢平緩。實驗各煤樣全孔徑段孔隙體積占比以微孔為主，其次為過渡孔、中孔及大孔，表明微孔對煤樣孔隙體積起主導作用。

3.2 壓汞法分形計算

分形維數是描述孔隙發育程度的1 個重要指標，可用來表征煤孔隙結構的復雜性或粗糙度。計算煤壓汞的分形維數時，將煤體假設為規則的立方體，最后推導出Menger 海綿模型，其計算公式為[21-22]：

式中：V 為煤樣進汞量；p 為煤樣進汞壓力；A2為冪指數，與分形維數D 線性相關，D=4＋A2。

根據壓汞實驗數據，計算得到煤樣lg（dV/dp）與lgp 關系，各煤樣lg（dV/dp）與lgp 的關系如圖3。

圖3 各煤樣lg（dV/dp）與lgp 的關系Fig.3 Relation between lg（dV/dp）and lgp of coal samples

甲烷氣體分子的平均自由程在常溫下為53 nm，與壓汞實驗分形維數孔隙半徑突變點基本一致。基于甲烷氣體分子平均自由程與瓦斯擴散、滲流特征的關系，根據各煤樣進退汞曲線和孔隙對瓦斯吸附和運移能力的不同，可將lg（dV/dp）與lgp 關系曲線劃分為2 個階段，將大孔隙（孔徑大于140 nm）稱為滲流孔，其分形維數為D1；小孔隙（孔徑小于140 nm）稱為吸附孔，其分形維數為D2[11]。相對應的分形擬合曲線斜率及計算得到的煤樣分形維數，煤樣的全孔徑段分形維數見表4。

從表4 可以看出，實驗煤樣曲線呈現處不同的斜率，滲流孔段擬合曲線斜率明顯大于吸附孔擬合曲線斜率。滲流孔分形維數D1為2.984～3.235，平均3.115，吸附孔分形維數D2為2.745～3.568，平均為3.236，線型擬合的相關性系數值R2為0.609～0.834，均在0.7 以上。根據分形幾何理論，多孔介質分形維數一般介于2～3 之間，而實驗煤樣多數分形維數大于3。主要由于煤體是一個多孔的疏松層，煤體的可壓縮性使得其自身發生變形，導致分形維數大于3。發生變形所對應的煤體孔隙較小，且分形維數較大，表明煤體孔隙直徑越小，其孔隙結構特征越復雜，且孔隙的分布越不均勻[23]。

表4 煤樣的全孔徑段分形維數Table 4 Fractal dimension of full aperture section of coal samples

3.3 孔隙分形特征對瓦斯解吸常數的影響

不同孔徑段對應于不同的分形維數，表明不同孔徑段孔隙的發雜程度不同，瓦斯在不同孔徑中的運移形式不同，孔隙結構的復雜程度對煤體內瓦斯運移有一定的影響作用。煤樣的吸附能力與孔隙結構特征關系密切，其主要受到微孔比表面積和容積的影響。影響煤體吸附性能的主要是吸附孔，因此通過分形維數D2與吸附常數a 的關系來反應孔隙分形特征對瓦斯解吸常數的影響，分形維數D2與吸附常數a 的關系如圖4。

圖4 分形維數D2 與吸附常數a 的關系Fig.4 Relationship between fractal dimension D2 and adsorption constants a of coal samples

分析圖4 可知，分形維數D2與吸附常數a 呈線性正相關。隨著分形維數D2增大，吸附常數a 逐漸增大，表明煤體孔隙結構越復雜，比表面積越大，煤體瓦斯極限吸附能力越強。此外，李子文等[24]研究發現，分形維數D1與吸附常數a 呈負相關，通過對比數據發現，分形維數D1和D2對吸附常數a 的影響有所差別，孔隙結構對煤體吸附特性的影響，主要以D2為主。

3.4 孔隙分形特征對瓦斯放散初速度的影響

瓦斯放散初速度是在一定壓力條件下，壓力釋放以后，前60 s 時的瓦斯解析速度，反映了煤體瓦斯放散能力和滲透特性。分形維數D1與瓦斯放散初速度的關系如圖5。

圖5 分形維數D1 與瓦斯放散初速度的關系Fig.5 Relationship between fractal dimension D1 and gas emission initial velocity of coal samples

分形維數是孔隙結構復雜和不規則程度的綜合表征，煤體分形維數越大，其孔隙結構越復雜。通過圖5 可以發現，瓦斯放散初速度隨著分形維數D1的增加逐漸減小，其瓦斯放散性能就越弱，主要由于煤體分形維數越大，滲流孔孔隙結構越復雜，其表面越粗糙，孔隙比表面積越大，提供給瓦斯的吸附位越多，使煤體對瓦斯的束縛能力越強，瓦斯解吸能力降低，瓦斯放散性能減弱。

4 結 語

1）采用壓汞法對檸條塔煤礦8 組煤樣的孔隙結構進測定，實驗結果表明煤樣孔隙體積占比以微孔為主，其次為過渡孔、中孔及大孔，表明微孔對煤樣孔隙體積起主導作用。其微孔和小孔主要以封閉和半開放孔為主，中孔和大孔主要以開放性孔隙為主。

2）實驗煤樣曲線呈現處不同的斜率，孔隙直徑大于聯孔段擬合曲線斜率明顯大于擬合曲線斜率。滲流孔分形維數D1平均為3.115，吸附孔分形維數D2平均為3.236。

3）基于高壓容量法對8 組煤樣的瓦斯吸附常數進行了測試，發現各組煤樣等溫吸附數據與Langmuir方程的擬合度較高，分形維數D2與吸附常數a 呈線性正相關，隨著分形維數D2增大吸附常數a 逐漸增大，表明煤體孔隙結構越復雜，比表面積越大，煤體瓦斯極限吸附能力越強。

4）對8 組煤樣的瓦斯放散初速度進行了測試，檸條塔礦的煤樣瓦斯放散初速度4.70～6.65 mm Hg，瓦斯放散初速度隨分形維數D1的增加逐漸減小，其瓦斯放散性能就越弱。