不同軸壓條件下煤粒瓦斯吸附規(guī)律和機理研究

高佳星，李祥春，邱常青，王夢婭

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100089；2.潞安化工集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西長治 046000）

瓦斯抽采是保障高瓦斯礦井和突出礦井安全生產(chǎn)的有效手段，同時也為需求量日益增加的天然氣資源提供重要保障[1-2]。相關(guān)研究針對以吸附態(tài)存在于煤層中的甲烷氣體的吸附特性，對評價煤層最大儲氣能力、預(yù)測煤層氣含量、確定臨界解吸壓力等有重大作用[3]。煤對甲烷的吸附能力會受到諸多因素的影響，如煤的變質(zhì)程度間[4-6]、煤巖顯微組分[7-9]、孔隙結(jié)構(gòu)[10-13]、水分[14-16]、溫度和壓力[17-19]以及粒徑[20-22]。然而軸壓對煤吸附特性的研究相對較少，目前關(guān)于應(yīng)力對于煤的吸附解吸特性的研究大多集中于塊煤，更多側(cè)重于研究煤的解吸擴散特性，何滿潮等[23]研究了塊煤在單軸應(yīng)力-溫度作用下吸附瓦斯運移過程，但并沒有研究單軸應(yīng)力變化時煤的瓦斯的吸附量的變化，主要側(cè)重研究溫度對瓦斯解吸的貢獻，以及在單軸應(yīng)力下塊煤出現(xiàn)大量貫通裂隙對煤中瓦斯運移的影響；陳結(jié)等[24]雖然開展了三軸應(yīng)力下軟硬煤的吸附特性研究，但著重研究應(yīng)力和吸附共同作用下煤的變形機制；唐巨鵬等[25]進行的三維應(yīng)力作用下煤層氣吸附解吸特性實驗只著重分析了應(yīng)力加載和卸載時煤的解吸量的變化和解吸時間的變化；魏建平等[26]利用煤巖三軸滲流-吸附-解吸試驗裝置開展實驗，得到了應(yīng)力會誘導(dǎo)瓦斯解吸的結(jié)論。以上實驗研究均針對塊煤，且注重研究瓦斯的解吸特性。已有魚田堡煤礦、中梁山煤礦和南桐煤礦等很多突出事故現(xiàn)場煤的粒徑分布證實了大量粉化煤的存在——表明粉化煤體具有快速的瓦斯解吸能力[27]。按照煤被破碎的程度劃分的類型，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類型的煤具有煤與瓦斯突出的危險性，其中的就包含顆粒和粉狀煤，因此研究軸壓作用下煤粒瓦斯吸附特性是十分有必要的。

1 煤樣制備及實驗系統(tǒng)

1.1 煤樣的采集與制備

實驗中選取的3 種的煤樣均屬于煙煤，將選取好的實驗煤樣，通過粉碎機進行粉碎，利用振動篩篩選出180～250 μm 煤樣，將制備好的煤樣在真空干燥箱干燥24 h，干燥溫度70 ℃，之后密封保存已備實驗所需。

根據(jù)GB/T212—2008 國家標準，采用GF-A2000工業(yè)分析儀測定制備好的干煤樣中水分（Mad）、灰分（Aad）、揮發(fā)分（Vdaf）和固定碳（FCad）的含量，測試煤樣的基本信息見表1。

表1 測試煤樣的基本信息Table 1 Necessary information of the tested coal samples

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)的示意圖如圖1。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental system

實驗系統(tǒng)由供氣及氣體控制系統(tǒng)、吸附解吸系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、真空脫氣系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、軸壓加載系統(tǒng)組成。

供氣及氣體控制系統(tǒng)主要由氦氣氣瓶、甲烷氣瓶、減壓閥、供氣管路、閥門組成；吸附解吸系統(tǒng)主要包括恒溫箱、參考罐、樣品罐、管道、閥門組成；壓力采集系統(tǒng)采用ST3000 壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換模塊則使用ADAM-4520；真空脫氣系統(tǒng)主要由2XZ-4 型旋片式真空泵、真空表、鏈接管路和閥門組成；溫度測量系統(tǒng)包括鉑電阻溫度傳感器、溫度采集模塊（包括NI9217 采集卡、NI cDAQ-9184 以太網(wǎng)機箱）、安裝有NI DAQmx 驅(qū)動軟件的筆記本電腦。

2 實驗步驟及方案

2.1 實驗步驟

實驗開始之前需要進行壓力系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)氣密性檢查，之后進行參考罐、樣品罐體積測定和樣品罐自由體積測定，完成上述步驟之后開始進行吸附實驗。樣品罐的末端定制了液壓裝置，通過罐體側(cè)面接口與手搖泵、壓力表和壓力管路連接形成軸壓加載系統(tǒng)，通過手搖泵，以壓力表為指示，可以對樣品罐內(nèi)的煤樣加載指定大小的軸壓。

2.2 實驗方案

實驗中選取的3 種不同變質(zhì)程度的煙煤，每種煤樣的粒徑均為180～250 μm，在不同溫度（30、50℃）不同瓦斯壓力（0.2、0.6、1.0、1.4、1.8、2.2 MPa）和不同軸壓下（0、3、6、9、12 MPa）條件下進行3 種不同變質(zhì)程度煤的瓦斯吸附實驗，瓦斯壓力是吸附平衡時樣品罐內(nèi)的壓力，具體方案見表2，為了便于分析在表中列出的瓦斯壓力為近似值，在計算時使用實際測量值。

表2 實驗方案Table 2 Experimental schemes

3 實驗結(jié)果及分析

3 種煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的變化曲線如圖2。

圖2 3 種煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的變化曲線Fig.2 Variation curves of gas adsorption capacity of three coal samples with axial pressure

從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的變化不是線性和單調(diào)的，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的變化有2 種情形：一種是煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的增大而減小，如DLT 煤樣實驗溫度為30 ℃，瓦斯壓力為0.2 MPa 時，其吸附量隨軸壓的增加而減小，類似的情況還有JG 煤樣溫度為30 ℃，瓦斯壓力為0.2 MPa，YW 煤樣溫度為30 ℃，瓦斯壓力為0.6 MPa，以及YW 煤樣溫度為50 ℃，瓦斯壓力為0.2 MPa；另一種情形是煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的增大先減小后增大，如除了上述第1 種情形，其他吸附量隨軸壓的變化曲線都屬于第2 種情形。

在軸壓和瓦斯壓力共同作用下，煤的瓦斯吸附量存在2 個分界點。存在1 個軸壓分界值，當軸壓大于該值時，不論溫度和瓦斯壓力如何變化，煤的瓦斯吸附量都隨軸壓的增加而增加；而當軸壓小于該值時，則要考察另1 個分界值——瓦斯壓力的分界值。當瓦斯壓力小于分界值時，在不同溫度下瓦斯吸附量都隨軸壓的增大而減小，當瓦斯壓力大于該分界值時，瓦斯吸附量隨軸壓的增大先減小后增大。馬楊奇[28]也有類似的結(jié)論，但使用的煤樣是通過取心機取出的塊狀煤樣，而且吸附時間只有8 h；而已有文獻認為柱狀煤的吸附平衡時間為15 d 才更加合理[29]，因此其中的吸附實驗數(shù)據(jù)應(yīng)該偏小。

雖然對以上數(shù)據(jù)所體現(xiàn)出的實驗現(xiàn)象行了分析，然而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的內(nèi)在機理尚不明確。隨著軸壓的增加，煤粒和塊煤的變形階段有很大的不同，煤粒是已被粉碎的煤顆粒，在軸壓下應(yīng)該表現(xiàn)為持續(xù)壓實和一定的流變特性。因此煤樣的孔隙率應(yīng)隨軸壓的增大而減小，則煤的微孔含量也會隨軸壓的增大而減小，煤樣的瓦斯吸附量應(yīng)隨軸壓的增大而減小，圖2 中第1 種情形恰好就符合這樣的變化，但第2 種情形所表現(xiàn)出的結(jié)果則與上述常規(guī)想法不符。實驗數(shù)據(jù)顯示，煤樣在軸壓和瓦斯壓力的共同作用下，煤的吸附能力并不會像一般推斷的那樣總是隨軸壓的增大而減小，因此結(jié)合前人研究成果從機理層面對實驗現(xiàn)象進行分析是非常必要的。

某一瓦斯壓力下瓦斯吸附量隨軸壓的變化趨勢圖如圖3。

分析圖2 中的吸附量變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)在某一瓦斯壓力下煤粒瓦斯吸附量隨軸壓的增大應(yīng)存在圖3 中的變化趨勢，吸附量隨軸壓增大存在3 個變化階段：①第1 階段為孔隙壓縮階段：此時軸壓不大，瓦斯壓力和軸壓的共同作用未能破壞原始微孔結(jié)構(gòu)，隨著孔隙結(jié)構(gòu)在軸壓的作用下被壓縮，吸附量隨孔隙率的下降而降低；②第2 階段為孔隙轉(zhuǎn)變階段：煤樣的原始孔隙結(jié)構(gòu)在軸壓和瓦斯壓力的共同作用下開始發(fā)生改變，大孔開始向中孔轉(zhuǎn)變，中孔開始向微孔轉(zhuǎn)變，封閉孔轉(zhuǎn)變?yōu)殚_孔，煤樣孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，微孔數(shù)量增加，更多的甲烷分子在微孔中被煤“捕獲”進入吸附相內(nèi)，從而表現(xiàn)為吸附量隨軸壓的增大而增大的變化趨勢；③第3 階段為孔隙壓實階段：軸壓的持續(xù)增加到某一臨界點后煤中瓦斯可能處于超臨界狀態(tài)，已有研究表明[30-31]，超臨界狀態(tài)下過剩吸附量會隨瓦斯壓力的增大而減小，絕對吸附量則隨瓦斯壓力的增大而趨于平緩，隨著軸壓的增大，煤的大孔和中孔結(jié)構(gòu)逐漸消失，微孔結(jié)構(gòu)難以支撐如此大的軸壓而被逐漸壓縮，微孔含量越來越少，在吸附空間的壓縮和超臨界狀態(tài)下瓦斯吸附量的不再改變的共同作用下，煤的整體瓦斯吸附量逐漸降低。

圖3 某一瓦斯壓力下瓦斯吸附量隨軸壓的變化趨勢圖Fig.3 Variation trend of gas adsorption capacity with axial pressure under a certain gas pressure

結(jié)合以上分析得到的軸壓下吸附變化的機理并參考本文中的實驗數(shù)據(jù)，關(guān)于瓦斯壓力和軸壓分界點的論述在不同情況下其變化特征是有區(qū)別的。通過對3 種煤樣在不同軸壓條件下的瓦斯吸附量變化曲線進行分析，總結(jié)出的不同瓦斯壓力下吸附量隨軸壓的變化趨勢圖如圖4。

圖4 不同瓦斯壓力下吸附量隨軸壓的變化趨勢Fig.4 The variation trend of adsorption capacity with axial pressure under different gas pressures

圖4 中曲線a～曲線g 是不同瓦斯壓力下的吸附量隨軸壓的變化趨勢，隨著瓦斯壓力的增大，曲線的2 個極值點在向左上方移動。從實驗結(jié)果可以看到，瓦斯壓力較小時吸附量隨軸壓的變化趨勢類似于曲線a，且在第1 階段還沒有經(jīng)過第2 階段，而考慮到瓦斯壓力較小情況，可能永遠無法達到第2階段，即瓦斯壓力較小時，煤的瓦斯吸附量可能會隨軸壓的增大而減小，但不會出現(xiàn)第2 階段——吸附量隨軸壓的增大而增大。前文所論述的分界點其實不是固定的，而是隨瓦斯壓力的變化而變化的。這種變化可以理解為——在瓦斯壓力較小時，瓦斯壓力難以抵抗軸壓對煤孔隙結(jié)構(gòu)的改變，或者說當軸壓對煤孔隙結(jié)構(gòu)的壓縮作用大于瓦斯壓力對孔隙的支撐作用以及吸附膨脹作用時，煤孔隙結(jié)構(gòu)會在兩者的共同作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變，即瓦斯壓力較小時，第1 階段范圍較大，且有可能無法進入第2 階段。在瓦斯壓力較大時，瓦斯壓力對煤孔隙的支撐作用較強，但在軸壓和瓦斯壓力的共同作用會對煤產(chǎn)生蝕損作用和損傷作用[32]，這使得煤體的強度降低，煤的孔隙結(jié)構(gòu)的改變和擴展更為容易，此時會比瓦斯壓力較小時更快的度過第1 階段進入第2 階段。對于不同煤樣，吸附量隨軸壓變化曲線的極值點也不同，對于不同的瓦斯壓力該曲線的極值點又會發(fā)生變化，這樣就形成了比較復(fù)雜的情形。例如YW 煤樣溫度30 ℃，瓦斯壓力0.6 MPa 和溫度50 ℃，瓦斯壓力0.2 MPa 都可以明顯看出是處在第1 階段，而YW 煤樣其他曲線都處在第1、2 階段之間，有明顯的拐點。溫度50 ℃，瓦斯壓力為1.0 MPa 時，曲線的拐點在6 MPa 附近（軸壓），而其他幾種瓦斯壓力大于1.0 MPa 的曲線拐點在向左移動。YW 煤樣吸附量隨軸壓的變化曲線在各瓦斯壓力下的實際拐點還不能確認，這是由于軸壓的跨度較大造成的，但3 種煤樣實驗數(shù)據(jù)繪制的曲線均比較符合圖3 和圖4 所體現(xiàn)的規(guī)律。雖然在實驗的基礎(chǔ)上分析了軸壓和瓦斯壓力共同作用下煤瓦斯吸附機理，分析結(jié)果能解釋實驗數(shù)據(jù)，具有一定的合理性，但由于相關(guān)研究較少，相同研究未見報道，因此研究結(jié)論還有待進一步研究證實。

4 結(jié) 語

1）由于軸壓和瓦斯壓力共同作用引起煤孔隙結(jié)構(gòu)的變化非常復(fù)雜，因此在溫度相同時，不同瓦斯壓力下煤瓦斯吸附量不隨軸壓的增大單調(diào)變化，瓦斯壓力較高時，吸附量隨軸壓的增大先減小后增大；瓦斯壓力較低時，吸附量隨軸壓的增大而減小。

2）瓦斯壓力和軸壓對煤吸附特性的影響主要是由于改變了煤的孔隙結(jié)構(gòu)，隨著軸壓的增大煤的孔隙結(jié)構(gòu)變化存在3 個階段———孔隙壓縮、孔隙轉(zhuǎn)變、孔隙壓實，對應(yīng)3 種瓦斯吸附量變化階段。在某一瓦斯壓力下第1 階段吸附量隨軸壓的增大而減小，第2 階段吸附量隨軸壓的增大而增大，第3 階段吸附量隨軸壓的增大再次減小。

3）繪制了某一瓦斯壓力下瓦斯吸附量隨軸壓的變化趨勢圖，認為隨著瓦斯壓力的增大該曲線會向左上方移動，解釋了吸附實驗數(shù)據(jù)中瓦斯吸附量隨軸壓的變化機理。