不同变质程度煤孔隙结构特征研究

范子伟

(山西煤炭进出口集团有限公司，山西 太原 030000)

煤体对瓦斯的吸附为物理吸附，煤体具有双重孔隙结构[1-2]，其孔隙结构构成瓦斯吸附、扩散、渗流空间，孟召平等[3]研究认为随着破坏程度的增加，煤体的孔容和比表面积也增加，中孔主要导致孔容增加，微孔主要导致比表面积增加；唐巨鹏等[4]采用巨正则系综蒙特卡洛方法(GCMC)研究了CH4在5种不同变质程度煤中的吸附性能，结果表明CH4吸附能力强弱顺序为无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤；王有智等[5]研究表明分形维数可以用来表征碎裂煤与碎粒煤的孔隙结构与吸附能力，随着分形维数的增加，微孔含量增加，比表面结增加，孔隙表面粗糙度增加，煤岩孔隙系统变得更加复杂，导致煤岩吸附能力增加。由上述研究可知煤体孔隙结构对研究煤的吸附性能具有重要的意义。基于此，本文采用低温液氮实验研究不同变质程度煤的孔隙结构特征，为揭示不同变质程度煤的吸附解吸性能提供指导。

1 煤样的制备及低温液氮吸附试验

1.1 煤样的制备

试验煤样分别为无烟煤(WYM)、贫瘦煤(PSM)及焦煤(JM)，分别将采制的新鲜煤样密封保存后送实验室，采用粉碎机粉碎，筛选制得粒度为60～80目的煤样，将制得的新鲜煤样放入干燥箱中，设置干燥温度为105 ℃，待干燥完成后进行低温液氮吸附试验。

1.2 不同变质程度煤低温液氮吸附试验结果分析

不同变质程度煤的低温液氮吸附试验曲线如图1所示，吸附过程可分为两个阶段，吸附相对压力(p/p0)较低时吸附量缓慢增大，当相对压力在0.9左右时吸附量快速增大。

由图1可知，无烟煤的吸附回线较大且没有闭合，说明无烟煤存在开放型孔隙；贫瘦煤存在吸附回线，但是吸附回线不大，当相对压力为0.4时，脱附曲线与吸附曲线发生闭合，说明存在大量的一端封闭的孔隙；焦煤存在吸附回线，但是吸附回线不大，当相对压力为0.4时脱附曲线与吸附曲线发生闭合，说明存在大量的一端封闭的孔隙。

图1 不同变质程度煤低温液氮吸附试验结果

根据低温液氮吸附试验结果，采用BJH模型可计算出不同变质程度煤的比表面积分布，如图2所示。

图2 不同变质程度煤的比表面积分布

由图2可知，焦煤的比表面积最小，无烟煤的比表面积最大，贫瘦煤的比表面积居中。微孔和小孔是瓦斯主要的吸附空间，无烟煤微孔和小孔的比表面积占比最大，焦煤最小，贫瘦煤居中，说明无烟煤对瓦斯的吸附能力最强，其次是贫瘦煤，焦煤最弱。

2 不同变质程度煤低温液氮分形维数分析

低温液氮吸附常采用Pfeifer等人提出的FHH模型计算分形维数[6-7]，FHH模型如式(1)所示：

(1)

式中：V为平衡压力p时液氮的吸附量，cm3/g；p0为气体的饱和蒸汽压，0.111 17 MPa；p为气体吸附平衡时的压力，MPa；A为常数；D为分形维数(2≤D≤3)，分形维数越大，材料表面越粗糙。

采用式(1)对图1低温液氮吸附曲线进行作图(如图3所示)，计算分形维数时，以相对压力0.45为界限，当相对压力p/p0>0.45时计算分形维数为D1，当相对压力p/p0<0.45时计算分形维数为D2，根据拟合直线的斜率即可求得分形维数，分形维数如表1所示。

图3 不同变质程度煤分形维数拟合

煤样D1(p/p0>0.45)D1(p/p0<0.45)WYM2.574 882.633 37PSM2.545 462.601 81JM2.526 532.546 44

由表1可知，无论p/p0>0.45还是p/p0<0.45，无烟煤的分形维数最大，贫瘦煤的分形维数居中，焦煤的分形维数最小。因此可知，焦煤的孔隙结构简单、表面不粗糙，无烟煤的孔隙结构较为复杂、表面粗糙，随着变质程度的增加，孔隙结构变得复杂。

3 结 语

1) 无烟煤存在大量开放型孔隙，贫瘦煤、焦煤存在大量一端封闭的孔隙。

2) 无烟煤的比表面积最大、焦煤的比表面积最小，贫瘦煤的比表面积居中。无烟煤对瓦斯的吸附能力最强，其次是贫瘦煤，焦煤最弱。

3) 无烟煤的分形维数最大，贫瘦煤的分形维数居中，焦煤的分形维数最小。随着变质程度的增加，孔隙结构变得复杂，孔隙粗糙度增加。