构造煤与原生结构煤吸附放散特征研究

胡　泊，邵晟洋，孙英峰，董利辉

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

构造煤与原生结构煤吸附放散特征研究

胡泊，邵晟洋，孙英峰，董利辉

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

摘要：本文研究了5对矿井的两种煤样的吸附与放散特性。吸附实验发现构造煤与原生结构煤相比吸附量有所增加，但增加幅度不大，且这种变化的幅度随着变质程度降低而逐渐变大。构造煤煤样的Langmuir吸附常数“a”值均比原生结构煤较大，变化幅度约为1%～4%，而“b”值却没有明显的变化规律。对比原生结构煤与构造煤的煤体表面吸附自由能估算结果得知大部分构造煤样的比表面自由能有所提高，吸附的表面活性增大。瓦斯放散实验发现，构造煤的瓦斯放散初速度变化相对较大，除麒麟矿外，变化幅度在14%～25%之间。这说明构造煤具有更强的放散瓦斯能力。在长期的地质应力作用下，构造煤煤体更加破碎，不仅吸附能力得到了一定的提高，瓦斯能更加顺利的放散。这也是地质构造带具有更大的瓦斯突出危险性的一个原因。

关键词：构造煤；吸附放散特征；表面自由能

构造煤是原生结构煤在构造应力作用下形成的具有新的结构和构造特征的变形煤[1]。煤矿生产中，构造煤通常被称为“软煤”，它与煤与瓦斯突出的发生具有密切的关系，可以作为突出预测的一个参考[2-7]。与上下覆层岩石相比，煤的抗压、抗张与抗剪强度低，对应力敏感性强[8]。原生结构煤在复杂的地质环境中，经过长期应力的作用，不仅发生了变形破碎等物理破坏，其煤体结构也发生了一定变化。张玉贵等从力化学的角度解释了构造煤结构的演化，认为水平挤压应力是煤力化学作用的重要能源，它使煤结构发生聚合、异构、重排、芳构，形成更大分子网络结构[9]。琚宜文等人通过傅里叶变换红外光谱法研究发现芳香结构、脂肪结构以及含氧官能团的结构成分吸收频率几乎一致，但吸收峰的强度却不相同，分子缩合程度增高[10]。这种物理及化学结构的变化改变了煤体瓦斯的吸附空间及运移环境，进而改变了煤体的吸附和放散特征。本文对来自五个不同矿井的不同煤种煤样的吸附放散实验结果进行分析，研究原生结构煤与构造煤的吸附放散特性的差异。

1样品与实验方法

原生结构煤及构造煤样采自五一矿、四侯矿、同春矿、麒麟矿与平顶山矿。其中五一矿、四侯矿、同春矿煤样为无烟煤，麒麟矿煤样为贫煤，平顶山矿煤样为肥煤。煤样工业分析结构见表1[11]。

表1　煤样的工业分析结果[11-12]

1.1煤样吸附实验

煤样的吸附实验采用WY-98b瓦斯吸附常数测定仪进行。 取30g煤样放入煤样罐中，外加一层脱脂棉，然后将煤样罐放入恒温水域中，反复对煤样罐进行充气，测定其等温吸附曲线。最后通过最小二乘法进行回归分析，计算煤样的Langmuir吸附常数。实验过程符合《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》MT/T752-1997[11]。

1.2煤的放散实验

煤样放散实验采用WT-1瓦斯放散初速度测定仪进行。取3.5g煤样装入煤样罐，按照仪器实用说明进行操作，测定煤样的瓦斯放散初速度ΔP[11]。

2实验结果

实验测定的煤样吸附等温线见图1[11]，Langmuir吸附常数见表2，瓦斯放散初速度见表3[11]。比表面自由能是研究界面热力学性质的重要参数。对于在吸附界面上，体系表面的粒子所受分子间作用力不对称，当吸附界面扩大时，需外力对体系做功。若界面面积增大ΔA，体系自由能增加ΔG，则比表面自由能定义为γ=ΔG/ΔA[13]，比表面自由能单位为J·m-2。当前在研究煤与瓦斯吸附时应用最广泛的仍是Langmuir吸附公式，可结合Gibbs吸附公式与Langmuir吸附公式得出的式(1)来计算不同吸附压力下煤-瓦斯吸附体系的比表面自由能变化情况[14]。

(1)

式中：R为理想气体常数；T为平衡温度；P为平衡压力；V0为气体的摩尔体积；S为煤的比表面积；a、b为吸附常数。需要说明的是式(1)是用吸附常数来计算表面自由能，实际上其计算出的表面自由能是由于吸附造成的表面自由能变化量的绝对值(吸附降低表面自由能，其变化量为负值，即为减小)。取S=7.0804m2·g-1，V0=27.9276cm3·g-1，T=298.15K[15]，将表1中数据代入公式(1)中，得出的结果见图1右侧部分。

3讨论

从图1吸附等温线中看出，构造煤吸附量比原生结构煤要多，但是变化幅度不大。根据表1中煤样的工业分析结构，可知所选煤矿煤样变质程度均较高。在这些变质程度均较高的煤样中，对于变质程度最高的无烟煤，原生结构煤样与构造煤的吸附量差别最小，随着变质程度降低，差别逐渐变大。

图1　煤样吸附等温线及表面能变化情况

吸附常数五一矿四侯矿同春矿麒麟矿平顶山矿a/(m3/t)b/(Mpa-1)a/(m3/t)b/(Mpa-1)a/(m3/t)b/(Mpa-1)a/(m3/t)b/(Mpa-1)a/(m3/t)b/(Mpa-1)原生煤54.34780.597253.76340.778251.54630.522946.94840.407329.67350.3891构造煤56.49710.551454.94500.764753.19140.548147.39330.412930.03000.4382

表3　煤样的瓦斯放散初速度[11]

表2中列出了煤样的吸附常数变化情况。从表中可知，构造煤煤样的Langmuir吸附常数“a”值均比原生机构煤较大，变化幅度约为1%～4%，而“b”值却没有明显的变化规律。根据a值、b值的吸附物理意义[16]可知，地质构造力提高了瓦斯极限吸附量，而对吸、脱附速率常数之比的影响没有明确的规律。根据前人的实验研究发现[9-10，17]，构造煤的变质程度比原生结构煤要大，由顿巴斯矿区调查结果看出，在煤的可燃基挥发分小于20%时，煤的孔隙率随煤化程度增高而降低[18]。孔隙率是与比表面积密切相关的，一般来说孔隙率越高比表面积越大。随着比表面积的增大，煤中对瓦斯的吸附位增加，因此增大了煤体的极限吸附量，即吸附常数“a”值增大。

通过对煤体表面吸附的比表面自由能估算结果看出，五一矿与四侯矿两种煤样的比表面自由能几乎没有变化，但是对于另外三个矿来说，构造煤的比表面自由能均比原生结构煤要大。这表明随着地质构造力的长期作用，煤体吸附的表面活性增大。这里需要说明的是，这里对于表面自由能的计算只是一种近似的估算，是一种定性的分析。计算的过程中假定了煤的比表面积为定值。而从上一部分对极限吸附量的分析中可知，比表面积是变化的，一般来说是构造煤比原生结构煤的比表面积要大，因此，由式(1)可知实际的吉布斯吸附表面能的变化值小于此处的计算值。

瓦斯放散初速度ΔP是突出危险性预测中的重要指标之一，不仅反映了煤体的微观结构，也反映了瓦斯在煤体中的流动规律。从表3中看出，构造煤的瓦斯放散初速度均比原生结构煤的要大。除麒麟矿增大幅度较小外，其他4矿的具有较大的增幅，幅度在14%～25%之间。这说明构造煤具有更强的放散瓦斯能力。在长期的地质应力作用下，构造煤煤体更加破碎，瓦斯能更加顺利的放散。这也是地质构造带具有更大的瓦斯突出危险性的一个原因。

由以上分析可以看出，构造煤比原生结构煤体具有更大的吸附量与放散能力。这种变化主要来源于地质应力及地质环境的长期作用。一方面，原始煤体在外界环境长期作用下，煤体的分子结构发生改变，分子间发生聚合、异构同时形成更大分子网络结构，致使煤体煤化程度提高，进而使煤体的吸附能力增大；另一方面，地质应力使煤体物理结构破碎，改变了瓦斯运移通道，在煤体失稳的情况下，更加破碎的煤体有利于瓦斯快速的运移，使瓦斯的放散能力增强。同时，由煤样的放散特性变化幅值较大可以推测出外界应力对煤体物理结构的影响比对其对煤体化学结构的影响明显。

4结论

1)构造煤比原生结构煤具有更大的吸附能力。这种吸附能力的差别随煤样的煤化程度的降低而更加明显。

2)构造煤比原生结构煤具有更大的极限吸附量，即具有更大的Langmuir吸附常数“a”值，而“b”值则没有明显的变化规律。

3)构造煤的比表面自由能相比原生结构煤有所增加，煤体表面的吸附活性有所增大。

4)与原生结构煤相比，构造煤具有更大的瓦斯放散初速度ΔP。

5)长期的地质应力的作用使煤体产生了分子结构与物理结构的变化。前者是构造煤具有更大吸附能力的原因，后者则促使煤体具有更大的瓦斯放散初速度。

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Study on emission and adsorption characteristics of tectonic coal and original-structure coal

HUPo，SHAOSheng-yang，SUNYing-feng，DONGLi-hui

(SchoolofResourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

Abstract:Gas adsorption and emission characteristics of two kinds of coal from five pairs of mines were studied.The adsorption experiment show that tectonic coal have a little higher adsorption capacity than original-structure-coal and changing amplitude increases as coal rank decreases.And Langmuir adsorption constant “a” of tectonic coal is bigger than original-structure-coal with a variation about 1%～4%，while adsorption constant “b” have no obvious change.By estimation of specific surface free energy，it is found that most tectonic coal have a higher surface activity.The gas emission experiment show that tectonic coal samples have a 14%～25% higher initial diffusion speed of tectonic coal except Qilin mine which indicates tectonic coal have a stronger gas emission capacity.The results reveal that tectonic coal have a broken structure which not only enhances adsorption but also emission capacity.And these characteristics contribute to coal and gas outburst occurs.

Key words：tectonic coal；adsorption and elution characteristics；surface free energy

收稿日期：2015-07-14

基金项目：国家自然科学基金项目“煤巷超前支承压力时滞规律及致突机理研究”资助(编号：51274206)

作者简介：胡泊(1989-)，男，汉族，安徽亳州人，博士研究生，从事矿山安全研究工作。

中图分类号：TD712

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0155-04