深部煤層瓦斯吸附規(guī)律研究

王小聰，黃再娟

（1.煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000；2.平煤股份煤炭開采利用研究院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

煤炭是我國能源供應(yīng)體系中的“穩(wěn)定器”和“壓艙石”[1]，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到十分重要的作用。我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害一直是煤礦的主要災(zāi)害，是深部礦井的第一大災(zāi)害[2-3]，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)[4]。平頂山礦區(qū)經(jīng)過70 多年的發(fā)展，已逐步進(jìn)入深部開采階段，大部分礦井開采深度超過700 m 以下，有的甚至超千米[5]。隨著開采深度的增加，高溫、高地應(yīng)力、高瓦斯壓力等相互交織作用，所面臨的瓦斯治理問題變得十分嚴(yán)峻[6]，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。研究深部煤層瓦斯吸附規(guī)律，對礦井區(qū)域瓦斯治理和抽采達(dá)標(biāo)具有重要的指導(dǎo)意義。

煤是天然吸附劑，是一種內(nèi)部含有大量孔隙的物質(zhì)，具有很大的表面積[7]。瓦斯吸附常數(shù)是衡量煤吸附瓦斯能力大小的指標(biāo)，是煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)中重要的組成部分。前人對煤的瓦斯吸附性能方面做了大量的研究，有學(xué)者認(rèn)為，隨吸附平衡溫度升高，同一煤樣的瓦斯吸附量減少[8]；還有學(xué)者認(rèn)為，煤的煤化程度越高和存儲瓦斯的能力密切相關(guān)，煤的變質(zhì)程度越高，煤層瓦斯含量越大[9]?？傊绊懨旱奈叫阅芤蛩剌^多，主要有煤的變質(zhì)程度、煤巖粒徑、水分、灰分、孔隙率、溫度、壓力以及地質(zhì)構(gòu)造等。

1 實(shí)驗(yàn)原理

在平頂山礦區(qū)深部煤層不同地點(diǎn)采集10 個(gè)實(shí)驗(yàn)煤樣，實(shí)測煤的工業(yè)分析、真密度、孔隙率等參數(shù)，模擬井下溫度為30℃時(shí)，在不同瓦斯壓力情況下，煤樣的瓦斯吸附能力，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，分析吸附曲線，研究深部煤層瓦斯賦存規(guī)律。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在平煤股份一礦、四礦、五礦、八礦、十礦、十二礦、十三礦等7 對礦井，采集10 個(gè)試驗(yàn)煤樣，煤樣埋深分布范圍為700 ～1 100 m。對采集到的煤樣進(jìn)行篩分，進(jìn)行煤的工業(yè)分析、真密度、孔隙率等參數(shù)測定，將瓦斯吸附試驗(yàn)的煤樣放入干燥箱中。實(shí)測實(shí)驗(yàn)煤樣水分（Mad）、灰分（Ad）、揮發(fā)分（Vdaf）、真密度結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣煤質(zhì)參數(shù)情況Table 1 Coal quality parameters of experimental coal samples

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)儀器選用中煤科工集團(tuán)沈陽研究院研制的WY-98A 型瓦斯吸附常數(shù)測定儀，吸附實(shí)驗(yàn)過程：將已篩分的煤樣烘干4 h，選取25 g 裝入吸附罐中，先在水浴60℃下脫氣4 h，脫氣結(jié)束后，水浴溫度降到30℃時(shí)，再進(jìn)行甲烷吸附，吸附壓力由低到高設(shè)置7 個(gè)點(diǎn)，第1 ～2 點(diǎn)每點(diǎn)需吸附7 h，其余各點(diǎn)吸附4 h，整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間約38 h。吸附壓力點(diǎn)位設(shè)定見表2。

表2 吸附壓力情況Table 2 Adsorption pressure

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將采集到的10 個(gè)實(shí)驗(yàn)煤樣，分別進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，各吸附壓力點(diǎn)位吸附瓦斯量見表3。

表3 各壓力點(diǎn)位瓦斯吸附量Table 3 Gas adsorption capacity at each pressure point

由表3 可知，煤樣在瓦斯等溫高壓吸附過程中，吸附實(shí)驗(yàn)的前期（第一點(diǎn)和第二點(diǎn)），吸附量快速增大，是吸附瓦斯量的主要組成部分，隨著吸附壓力的增大，瓦斯吸附量顯著降低，在吸附壓力第六點(diǎn)上時(shí)，衰減明顯，緩慢達(dá)到飽和吸附量。

煤樣完成吸附實(shí)驗(yàn)后得到瓦斯吸附曲線和吸附常數(shù)（a、b 值）。瓦斯吸附常數(shù)結(jié)果見表4，吸附曲線如圖1、圖2 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)煤樣吸附曲線1Fig.1 Adsorption curve 1 of experimental coal sample

圖2 實(shí)驗(yàn)煤樣吸附曲線2Fig.2 Adsorption curve 2 of experimental coal sample

表4 煤的甲烷吸附試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Methane adsorption test results of coal

許多研究表明，煤層埋深到達(dá)一致深度后，瓦斯吸附量與其不再是簡單的正相關(guān)關(guān)系，而是多重因素相互影響的結(jié)果[10]。煤樣吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，吸附常數(shù)a 的范圍為18.911 ～29.842 m3/t，吸附常數(shù)b的范圍為0.396 ～0.851 MPa-1，瓦斯吸附量和埋深沒有明顯正相關(guān)關(guān)系，這和前人研究成果一致。

由圖1 ～圖2 可以看出，實(shí)驗(yàn)煤樣吸附曲線符合langmuir 吸附方程，同時(shí)不同采樣地點(diǎn)煤樣的吸附常數(shù)（a、b 值） 差距較大，且無規(guī)律可循。采集煤樣中，1 號煤樣瓦斯吸附量最大，為22.95 m3/t，3 號煤樣瓦斯吸附量最小，為13.62 m3/t。吸附曲線表現(xiàn)為，同一溫度條件下，伴隨吸附瓦斯壓力增大，吸附瓦斯量逐漸增大，瓦斯壓力增大到一定程度時(shí)，吸附量顯著降低，最終趨于吸附飽和，達(dá)到極限瓦斯吸附量。

平頂山礦區(qū)深部煤層瓦斯吸附量，吸附曲線呈現(xiàn)出開始吸附量急劇增大，隨著壓力增大，吸附量逐漸放緩，在吸附壓力達(dá)到5 MPa 時(shí)，趨于飽和吸附量，達(dá)到吸附動平衡。實(shí)驗(yàn)煤樣瓦斯吸附量與煤樣的埋藏深度并無直接關(guān)系，而與煤樣的煤質(zhì)參數(shù)關(guān)系密切，特別是煤的揮發(fā)分（Vdaf），呈現(xiàn)出揮發(fā)分越高，吸附甲烷量越低的反比例關(guān)系。吸附階段前期，在吸附壓力點(diǎn)位的第一點(diǎn)（1.0 MPa） 和第二點(diǎn)（1.8 MPa），吸附瓦斯量較大，在飽和吸附量中占比超過70%，是煤層吸附瓦斯含量的主要部分，在實(shí)際生產(chǎn)中也是造成瓦斯災(zāi)害的重要原因，在很大程度上，決定煤與瓦斯突出災(zāi)害的強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

（1） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，深部煤層瓦斯吸附曲線符合langmuir 吸附曲線方程。

（2） 在瓦斯吸附過程中，隨著吸附壓力增大，瓦斯吸附量急劇增加，然后吸附量明顯降低，在吸附壓力達(dá)到5 MPa 左右時(shí)，趨于飽和吸附量，逐漸達(dá)到吸附動平衡。平頂山礦區(qū)深部煤層，吸附壓力達(dá)到1.8 MPa 時(shí)，吸附瓦斯量在飽和吸附量中占比超過70%，是煤層瓦斯含量主要組成部分，對礦井瓦斯災(zāi)害治理具有指導(dǎo)意義。

（3） 煤樣揮發(fā)分是影響煤的瓦斯吸附性能的重要因素，存在煤的揮發(fā)分越大，甲烷吸附性能越小的反比關(guān)系。