煤体表面分形对瓦斯吸附影响

王 军

(煤科集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016)

煤体表面分形对瓦斯吸附影响

王 军

(煤科集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016)

以8种不同变质程度煤样为研究对象，采用高压容量法和低压氮气吸附等实验手段，对煤样表面分形特征及吸附性能进行了分析，并利用FHH方程计算得到了煤样表面分形维数。研究结果表明：不同煤样瓦斯吸附能力差异显著，煤体表面分形对气体吸附具有重要影响；随着煤化程度的增加，分形维数呈现先减小后增大的U型曲线。

煤表面；分形特征；瓦斯吸附；氮气吸附

煤体结构复杂，其中存在着大量的孔隙、裂隙，大到断层、层理等宏观裂隙，小到分子或原子的微观缺陷，形成纵横交错的网络结构，从而能够吸附瓦斯气体[1]。随着我国煤矿进入深部开采，地应力、瓦斯压力和瓦斯含量不断增高，煤岩动力灾害频次、强度和破坏程度均呈上升趋势[2-3]。煤中瓦斯同时以吸附态和游离态存在，煤体瓦斯吸附过程主要为物理吸附，影响其瓦斯吸附能力的因素有很多(温度、水分、变质程度、孔隙结构等)[4]，目前关于煤体表面分形对瓦斯吸附影响的研究还不够充分，因此，研究煤的表面分形特征对于完善瓦斯吸附机理具有重要指导意义。

目前，国内学者在孔隙结构表征和瓦斯吸附方面开展了大量的研究工作。文献[5]研究发现，有机碳含量是影响山西组页岩吸附能力的主要因素；文献[6]认为煤阶越高，煤体表面越粗糙，孔隙结构更复杂，且大孔较小孔拥有更大的分形维数；文献[7] 分析了构造煤孔隙结构分形特征与瓦斯吸附之间的关系，发现糜棱煤微孔隙形态最为复杂，比表面积最大，吸附能力最强；文献[8]从理论和实验角度分析了页岩储层的孔隙结构特征，发现分形维数可以很好地描述孔隙结构的复杂性，分形维数越大，气体吸附能力也就越强，且相较于中孔和大孔，页岩表面分形维数受微孔的影响更大；文献[9]以中高阶煤储层为研究对象，基于SEM图像分析了煤体的孔隙分布分形特征。

本文针对8个不同变质程度煤样，采用低压氮气吸附实验研究了各煤样的表面分形特性，并结合工业分析和瓦斯吸附实验结果，分析了煤表面分形维数对瓦斯吸附的影响。研究结果可为煤矿瓦斯治理、煤岩动力灾害防治等提供指导意义。

1 实验部分

1.1 样品制备

实验采集不同矿区、各种煤阶的原煤煤样，煤样以块状为主，采样方法遵循国标GB/T482-2008，所有新鲜煤样采集好后立即装入采样袋内进行密封并送至实验室。取样完成后，将煤样粉碎、研磨和筛分，经真空干燥后储存备用。选取粒径为0.074～0.200mm各煤样约10g进行工业分析，结果如表1所示。

1.2 实验方案

表1 煤样工业分析实验结果 /%

采用低压氮气吸附法对所选煤样进行氮气吸附实验，所用物理吸附仪型号为美国康塔公司生产的Autosorb-6B/3B。首先将煤样放入脱气站加热出去杂质，该过程大约需3h，然后将除杂后的煤样放入分析站进行氮气吸附实验，吸附实验在77K的低温下进行，相对压力在0.050～0.995之间，实验遵照ASTM标准进行。

为分析不同煤样瓦斯吸附能力的差异，对所选煤样进行瓦斯等温吸附实验，实验采用高压容积吸附法，按照MT/T752-1997标准进行。实验系统包括吸附单元、温度控制单元、真空单元、充气单元以及数据采集与处理单元。每次实验需要约100g ，粒径为60～80目(0.20～0.25mm)之间的煤样。整个实验过程可简单概括为：首先将煤样放入真空恒温干燥箱，在373K高温下烘干5h，冷却至室温后，将煤样放入样品罐中进行抽真空，整个过程温度设定为303K，大约需8h。真空抽取完成后，按照设定的压力向样品罐中充入甲烷气体(甲烷纯度为99.99%)，根据Langmuir方程(如式(1)所示)，对实验数据进行拟合，求得VL和PL。

(1)

式中，VL为Langmuir体积，代表煤样最大单分子层吸附能力；PL为Langmuir压力，代表吸附量达到Langmuir体积一半时对应的压力，反应煤样气体吸附难易程度。

2 实验结果与讨论

2.1 煤样表面分形特征

分形已经成为分析固体表面、孔结构特征的一种强有力的工具，分形理论创立于20世纪70年代，目前已发展出了多种不同的分形维数，如拓扑维、Hausdorff维、自相似维、关联维和信息维等[10]。本文根据低压氮气吸附实验结果，采用FHH方法来计算煤体表面分形特征：

(2)

式中，V为在平衡压力P下的气体吸附量；Vm为单分子层覆盖量；A为拟合直线斜率，与分形相关；P0为气体饱和蒸汽压；C为拟合得到的常数。

分形维数的计算通常有2种方法，即式(3)和(4)，但对于煤和页岩而言，式(3)的计算结果更符合实际情况[6,8]，因此本文采用式(3)来计算分形维数。

D=A+3

(3)

D=3A+3

(4)

本文以九里山煤样为例来说明煤样表面分形计算过程(图1)，拟合度较高(R2>0.97)，说明利用FHH方程计算煤体表面分形是可信的。各煤样的分形维数计算结果见图2，可以看出，分维数的变化范围为2.32～2.82，根据样品分维值大小可知，不同煤样因其变质程度不同，煤孔隙表面的粗糙程度有所差异，进而导致分形维数不同。通过分析变质程度(Vdaf)和分形维数(D)的关系可以看出，所选煤样变质程度对煤表面分形有显著影响，D随变质程度增加而呈现先逐渐减小后显著增加的U型曲线(图2)。所选煤样随着变质程度的升高，煤大分子的缩聚作用加强，煤体表面的孔隙裂隙减少，煤表面变得相对光滑；随着煤化作用的进一步加剧，由缩聚作用产生的内部应力也会急剧增加，当应力超过煤体强度时，煤体内部开始出现大量的微裂纹，从而使得孔隙结构变得日趋复杂。

图1 九里山煤样表面分形维数计算过程

图2 各煤样表面分形维数

2.2 瓦斯吸附特性

各煤样的瓦斯吸附实验结果如图3所示， Langmuir拟合参数见表2。从图3和表2可以看出，实验数据与Langmuir方程的拟合效果很好(R2>0.98)，这说明Langmuir方程描述煤体瓦斯吸附是合理、可信的。不同煤样的瓦斯吸附能力及吸附难易程度具有显著差异性，8种煤样的VL值在41.85～23.66mL/g之间，PL值在0.61～1.72MPa之间。所选煤样瓦斯吸附等温线在低压段(<2MPa)增长迅速，而在高压段(>2MPa)增长缓慢。

图3 各煤样的瓦斯吸附等温线

煤样编号相关系数R2VL/(mL·g-1)PL/MPaJLS0.980841.850.61DSC0.994936.630.69XJ0.996835.760.90PM80.999927.610.93SY0.996626.881.40WZ0.999023.661.72ML0.998624.521.64PM20.995727.031.51

2.3 分形维数对瓦斯吸附的影响

煤的表面分形对瓦斯吸附具有显著影响，根据煤的吸附参数与分形维数关系(图4和5)可知，随分形维数D增大，VL呈线性增加，而PL逐渐减小，这说明煤的分形维数越大，吸附能力越强。

图4 分形维数对VL的影响

由于PL代表了当吸附体积达到了最大吸附量1/2时的吸附压力，煤体在低压段的吸附能力会直接影响PL的大小，分形维数越大越利于低压段的瓦斯吸附，即快速吸附瓦斯。分形维数是孔隙结构不规则程度与复杂程度的综合反映，煤体分形维数越大，其结构越复杂，表面越粗糙，提供的吸附位点也就越多。

图5 分形维数对PL的影响

3 结 论

(1)采用容积法测试了8种不同煤样的瓦斯吸附能力，并利用Langmuir 方程进行了拟合，各煤样的瓦斯吸附能力差异显著。

(2)煤体表面具有明显的分形特征，运用FHH方程计算得到了各煤样表面分形维数；随变质程度的增加，分形维数呈现先逐渐减小后显著增大的U型曲线。

(3)分形维数是孔隙结构不规则程度与复杂程度的综合反映，分形维数越大越利于低压段的瓦斯吸附，即快速吸附瓦斯；本文仅选取了8个样品进行了实验，今后将选取更多煤阶的煤样进行相关试验，使研究结果更具代表性。

[1]王恩元，何学秋.煤岩等多孔介质的分形结构[J].焦作工学院学报，1996，15(4)：20-24.

[2]黄致鹏，魏国营.全煤巷道顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究[J].煤矿开采，2016，21(1)：101-104.

[3]蒋雨辰，何 涛，郭海军.煤层吸附解吸规律及局部突出预测敏感指标研究[J].煤矿开采，2015，20(1)：95-98.

[4]聂百胜，柳先锋，郭建华，等.水分对煤体瓦斯解吸扩散的影响[J].中国矿业大学学报，2015，44(5)：781-787.

[5]梁萍萍，王红岩，郭 伟，等.鄂尔多斯盆地山西组泥页岩储层特征及对吸附性能的影响[J].煤炭技术，2016， 35(1)：123-125.

[6]Wang F，Cheng Y P，Lu S Q，et al.Influence of coalification on the pore characteristics of middle high rank coal[J].Energy Fuels，2014(28)：5729-5736.

[7]邹 艳，秦修培.构造煤孔隙结构的分形特征及其与吸附性的关系[J].煤炭技术，2016，35(6)：93-95.

[8]Yang F，Ning Z F，Liu H Q.Fractal characteristics of shales from a shale gas reservoir in the Sichuan Basin，China[J].Fuel，2014(115)：378-384.

[9]杨 博.中高阶煤储层分形特征对瓦斯吸附的影响研究[J].煤炭工程，2016，48(4)：96-99.

[10]谢和平.分形-岩石力学导论[M].北京：科学出版社，1997.

[责任编辑：王兴库]

Influence of Gas Absorption by Coal Body Surface Fractal

WANG Jun

(CCTEG Shenyang Research Institute，Shenyang 110016，China)

It taking eight kinds different metamorphic degree coal sample as studying objects，some laboratory methods as high pressure volumetric method and low pressure nitrogen absorption were applied，coal surface fractal characters and absorption property of coal sample were analyzed，then fractal dimension of coal sample were obtained by FHH function.The results showed that gas absorption ability of different coal sample were different obviously，gas absorption was influenced by coal surface fractal obviously，with coal rank increased，fractal dimension presented climb up and then decline as U-shaped relationship.

coal surface；fractal character；gas absorption；nitrogen absorption

2016-12-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.003

国家自然科学基金面上项目(51374216)

王 军(1982-)，男，山西和顺人，高级工程师，研究方向为矿井瓦斯涌出量预测、矿井瓦斯防治等。

王 军.煤体表面分形对瓦斯吸附影响[J].煤矿开采，2017，22(3)：9-11.

TD712

A

1006-6225(2017)03-0009-04