平顶山十二矿变形煤瓦斯吸附-解吸特征研究

杨晓娜，宋志敏,，张子戌，郎伟伟

(1.河南工程学院 资源与环境学院，河南 郑州 451191；2.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000)

变形煤又称构造煤，是发生煤与瓦斯突出的重要和必要条件[1-3].平煤十二矿受多期构造运动的影响，使变形煤发育，瓦斯赋存分布和涌出复杂.进行矿井内变形煤瓦斯吸附-解吸规律的研究，对该矿区的瓦斯灾害防治、矿井的安全生产和煤层气的勘探开发都具有重要的现实意义.

1 矿井概况

十二矿位于平顶山矿区东郊，井田走向长5 km，倾斜长3 km，井田面积15 km2，矿井开采上限标高为-75 m，下限标高为-835 m，年生产能力150万t[4-5].该矿含煤10层，主要可采煤层为己15、己15-17、己16-17、庚20(未开采).井田位于大型向斜李口集向斜西南翼锅底山断层的上升盘，地层走向北西，总体倾向北东，存在两个次级褶皱和三条大中型断层，受褶皱和断裂构造的影响，井田内变形煤普遍发育.变形煤横向上成层分布，剖面上明显呈三层结构，厚度为0.5～1.2 m，局部地段受斜切断层的影响,己组煤层中均可见到顺层滑动的镜面,使原生结构煤和构造煤分界清晰,在滑动面下常发育碎粒煤和糜棱煤，滑动面上发育原生结构煤或原生结构煤和碎裂煤.

2 实验部分

2.1 样品采集

本次实验所采用煤样为平煤十二矿的己组肥煤.根据研究区煤层的结构特征，在回采工作面新鲜煤面相邻或相近位置采取可对比的原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4种煤样，煤体结构宏观类型观测结果和煤质分析结果分别见表1和表2.

2.2 等温吸附-解吸实验

对所采集的4种煤样分别进行30 ℃和50 ℃平衡水分条件下的等温吸附-解吸实验，实验用吸附质为纯度达99.99%的甲烷气体，吸附-解吸过程中设置6个平衡吸附压力点和9个解吸压力点，每个压力点的平衡时间为12 h.等温吸附实验设备为河南理工大学生物遗迹与成矿过程重点实验室的等温吸附解吸仪(美国Terra Tek公司生产的IS-300型).

表1 煤体结构宏观鉴定表Tab.1 Macroscopic identification of coal block texture

表2 煤样的煤质分析Tab.2 The coal quality analysis data of coal samples %

2.2.1 数据分析

根据Langmuir方程拟合出的吸附常数如表3所示，其中VL是衡量煤岩吸附能力的量度，反映了煤的最大吸附能力，PL是解吸速度常数与吸附速度常数的比值，反映了瓦斯解吸的难易程度，其值越高，煤层中吸附态气体脱附就越容易，开发越有利.

表3 煤体吸附参数Tab.3 The adsorption data of different coal samples

在30 ℃和50 ℃温度下，VL的变化趋势如表3和图1所示.由图1可知，(1)随着温度的升高，VL呈上升趋势，说明温度对VL的影响大；(2)随煤破坏程度的增加，VL具有先变小、后增大、再变小的趋势，呈波浪状，温度越高，表现越明显.原生结构煤的最大吸附量大于变形煤的最大吸附量，着温度的升高，变形煤的VL并不随煤体的破坏程度呈规律性增加或减少，而是呈波浪趋势.

结果表明，煤体在构造应力的作用下会产生大量张裂隙和剪裂隙，造成煤体的切割破坏，也可能在较高构造应力或长期的高温、高压环境下发生强烈的变形或流变，使其化学成分和结构发生改变，影响对瓦斯的吸附量.

图1 VL与煤体结构对应图Fig.1 The corresponding diagram of VLand coal structure

2.2.2 吸附-解吸等温线分析

30 ℃和50 ℃条件下的平衡水煤样吸附-解吸如图2所示.

图2 不同煤体结构的吸附等温线Fig.2 Adsorption isotherm of different coal structure

(1)煤体结构的影响

由图2可知，原生结构煤对瓦斯的吸附能力最强，其次是碎裂煤和碎粒煤，糜棱煤的吸附能力最弱.实验表明，在变形煤中，煤体的破坏程度越严重，对瓦斯的吸附能力越弱，这与前人对变形煤的吸附-解吸研究结果相同[6].随着构造应力的增强，煤中大分子结构和孔隙结构发生了变化，改变了CH4气体的吸附-解吸特性.糜棱煤主要发育在构造变动较强烈的地区和煤层中，原生结构及孔隙系统在构造应力的作用下遭受了严重的破坏，裂隙方向杂乱，连通性差，对CH4的吸附能力最弱.由于变形煤的结构与构造存在着显著差异，导致了煤储层对煤层瓦斯吸附能力的不同.

(2)温度的影响

一般来说，温度总是对脱附起活化作用，温度越高，煤对CH4的吸附能力越弱；温度越低，对CH4的吸附能力越强[7-8].王鹏刚[9]在研究温度对吸附能力的影响时，发现温度对吸附-解吸作用的影响较为复杂，在15～25 ℃时，同压力下，随着温度的升高，煤对CH4的吸附能力降低；在25～40 ℃时，随着温度的升高，吸附能力要么增强，要么先增强后减弱.

本次变形煤吸附-解吸结果如图3所示，随着温度的升高，变形煤的吸附量增大.同一煤样，50 ℃时的吸附量明显大于30 ℃时，见表4.

图3 不同温度下等温吸附-解吸曲线Fig.3 Adsorption-desorption isotherm in different temperatures

表4 不同煤体的吸附量变化情况Tab.4 The adsorption capacity change of different coal samples cm3·g-1

(3)水分的影响

图4 30 ℃和50 ℃时平衡水含量与煤体结构对应图Fig.4 The corresponding diagram of equilibrium water content and coal structure under 30 ℃ and 50 ℃

水分的存在影响着煤层瓦斯的吸附.水为极性分子，与煤的结合比CH4紧密，在吸附过程中CH4被煤层优先吸附，导致煤吸附瓦斯能力的降低.因此，煤对瓦斯的吸附能力随水分的增加而降低，直至达到临界水分含量.煤体结构不同，平衡水分含量不同，对瓦斯的吸附能力也不同，如图4 所示.在30 ℃时，煤的平衡水分含量随着煤体破坏程度的增加呈现先降低后升高的趋势；在50 ℃时，煤的平衡水分含量随着煤的破坏程度的增加，煤的平衡水分含量有增大的趋势.

此次研究结果表明，随着温度的升高，煤对瓦斯的吸附能力降低；随着水分含量的增高，煤对瓦斯的吸附量降低.在温度和水分的共同作用下，水分对煤层瓦斯吸附能力的影响要大于温度.因此，在30 ℃条件下，平衡水煤样的吸附量小于50 ℃水分含量条件下平衡水煤样的吸附量.

(4)压力的影响

压力是影响煤的吸附-解吸能力的重要因素，当温度一定时，煤对CH4的吸附能力随压力的升高而增大，且吸附速度与压力成正比[10-11].因此，在未达到最大吸附量之前，增大压力，吸附速度大于解吸速度，表现为吸附量增加，直至压力升到一定值时，煤的吸附量达到饱和.在本次实验中，随着压力的增加，煤的吸附量增大，在相同的温度和压力条件下，原生结构煤的吸附量最大，煤体破坏越严重，吸附量越小.

(5)吸附-解吸的可逆性

前人对吸附-解吸的可逆性研究存在以下几种说法：①吸附-解吸可逆，且解吸滞后[12]；②吸附-解吸不可逆[13]；③低煤阶煤表现出瓦斯吸附-解吸的非可逆性，而中高阶煤表现出吸附-解吸的可逆性[14]；④变形煤的吸附-解吸不同于原生结构煤，是不可逆的，构造变形强度不同，吸附-解吸等温线形态不同，解吸滞后.

在本次实验中，30 ℃时煤样的吸附-解吸等温曲线接近重合，吸附-解吸可逆；50 ℃时煤样的吸附-解吸等温曲线一致性相对较差，吸附-解吸不可逆，解吸滞后.

3 结论

平煤十二矿变形煤瓦斯吸附-解吸特性的研究成果，主要表现在以下几个方面：

(1)在相同温度下，变形煤对瓦斯的吸附能力取决于煤体的变形程度，煤体破坏越严重，对瓦斯的吸附-解吸能力越弱.

(2)水分对煤层瓦斯吸附的影响大于温度.

(3)在常温下(30 ℃)，变形煤的吸附-解吸等温线接近重合，吸附-解吸可逆；温度升高(50 ℃)，吸附-解吸等温曲线形态不同，变形煤吸附-解吸等温线不可逆，解吸滞后.

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