余吾矿构造煤吸附动力学特性

张 哲，秦兴林

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳110016；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺122113）

我国煤层埋藏条件复杂，受地质构造运动影响，在不同地应力-应变复杂地质环境及构造应力作用下，煤自身的物理化学结构、瓦斯运移特性等均发生了显著变化，并由此形成了具有不同微结构特征的构造软煤[1-4]。研究表明[5-7]，煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出等煤岩动力灾害的发生常常与构造煤紧密相关，而这类构造煤在我国广泛分布，给我国煤矿瓦斯治理带来严峻挑战。针对构造煤结构特征及瓦斯储运特性，前人开展了大量研究工作[8-21]。在此基础上，以山西余吾煤矿为研究背景，选取了不同破坏类型煤样，研究构造煤瓦斯吸附动力学特性。研究结果以期为煤岩动力灾害防治提供参考。

1 工程地质概况

山西潞安余吾煤矿地处沁水煤田东部，地层为南北走向，倾向西稍有起伏，背斜开阔，向斜紧密；矿区构造较多，共含断层33 条（正断层10 条、逆断层23 条），煤层倾角3°～15°。下二叠统山西组（P1st）和上石炭统太原组（C3t）为本矿区的主要含煤地层，其中3 号煤层和15 号煤层为主要可采煤层。3 号煤层厚5.0～7.25 m，平均厚度5.99 m，夹矸0～3 层，一般为1 层，夹矸平均厚0.27 m，煤层结构整体相对简单。15 号煤层厚度为0～2.60 m，平均厚0.71 m，含泥岩和炭质泥岩夹矸0～4 层，煤层结构较为复杂。

2 实验测试

根据煤体破坏的严重程度，构造煤可分为糜棱煤、碎粒煤、碎裂煤和原生煤。实验煤样采自3 号和15 号煤层。由于地质构造作用比较强烈，煤体变形比较显著，煤表面非均质较强，不同破坏类型的构造煤发育较为完整。在余吾煤矿变形较为强烈的15号煤层采集3 份构造煤，分别为糜棱煤、碎粒煤和碎裂煤，同时采集3 号煤层的原生煤用于实验对比研究。将新鲜煤样运至实验室后，按照国标GB/T 212—2008 来进行煤的工业分析，煤坚固性系数的测定则遵照GB/T 8208—1987 进行，构造煤基本参数见表1。从表1 可以看出，这4 种煤样的煤阶相同，均为变质程度较高的贫煤；煤样坚固性系数值在0.33～1.19 范围内变化，且随破坏程度的增加，逐渐减小，表明煤体受构造应力作用而不断软化。

表1 构造煤基本工业参数Table 1 Basic industrial parameters of tectonic coal

将煤样粉碎成60～80 目（180～250 μm），并放入真空干燥箱中，在100 ℃下烘干备用。瓦斯吸附动力学实验采用美国TerraTek 公司生产的ISO-300 型等温吸附仪，采用氦气作为死体积的标定气体，实验温度控制在25 ℃，瓦斯压力范围控制在0～3 MPa，吸附时长为20 h。根据吸附平衡前压力、平衡后压力以及系统死体积数据来计算瓦斯吸附量。在此过程中，为研究构造煤的吸附动力学特征，记录从吸附开始到吸附平衡过程中的瓦斯压力变化数据，以此获取构造煤吸附动力学曲线。

为探索构造煤瓦斯吸附的微观影响机制，针对不同变形程度构造煤，开展煤体微观孔隙特性试验，采用的方法为高压压汞法，所使用的仪器为美国Quantachrome 公司生产的PoreMaster-33 型全自动压汞仪。首先将煤样粉碎，制成体积为1～2 cm3的块状试样，然后将其放入分析站并测定孔隙分布参数。实验操作过程遵循国标GB/T 21650.1—2008，所使用的汞纯度为99.99%，温度为室温25 ℃。

3 实验结果

3.1 吸附压力变化

各构造煤吸附压力变化曲线如图1。各煤样的初始压力相同，均为3.0 MPa 左右，吸附平衡压力分别为0.23、0.55、0.61、0.72 MPa。从图1 可以看出，随吸附时长的增加，各煤样的吸附压力均在不断降低；且在吸附开始前20 min 内压力急剧降低，降幅高达60%以上，煤样在该阶段大量吸附瓦斯；20 min 后，压力缓慢降低直至平稳。其中，YW1 煤样的压力变化最为剧烈，压力降低幅度明显高出其他3 个煤样；YW2 和YW3 煤样的压力变化曲线最为接近，基本重合，说明这2 个煤样的瓦斯吸附性能相当。

图1 吸附压力变化曲线Fig.1 Adsorption pressure changing curves

3.2 吸附量变化

相同初始压力下吸附量变化如图2。由图2 可知，随吸附时长的增加，各煤样瓦斯吸附量经历了先急剧增大再缓慢增加最后达到平衡的非线性变化过程。与图1 的变化类似，吸附量急剧增加阶段也是集中在吸附开始的20 min 内。1 200 min 后，煤体瓦斯吸附量基本不再随时间变化，此吸附量被称为拟饱和吸附量。

图2 相同初始压力下吸附量变化Fig.2 Change of adsorption volume under the same initial pressure

为进一步分析各构造煤之间的吸附差异性，绘制了各煤样拟饱和吸附量变化图，构造煤拟饱和吸附量变化如图3。由图3 可知，YW1 煤样的拟饱和吸附量最大，高达32.8 mL/g，YW4 煤样的最小，二者相差26%。由于煤样YW1～YW4 分别对应的是糜棱煤、碎粒煤、碎裂煤和原生煤，其破坏程度是逐渐降低的。图3 表明，随破坏程度的增加，拟饱和吸附量在不断增大，说明构造变形作用能够增强煤体瓦斯吸附能力，促进瓦斯吸附。

3.3 吸附速率变化

由图2 可知，煤体瓦斯吸附量在开始20 min 内变化最为剧烈，因而需要对前20 min 的吸附速率进行着重分析。各构造煤瓦斯吸附速率变化曲线如图4。由图4 可知，随吸附时长的增加，吸附速率呈指数衰减，当吸附时长超过10 min 后，吸附速率趋于平稳。在任意时刻，糜棱煤（YW1）的吸附速率均为最大，而原生煤（YW4）最小。综合图1、图2 和图4来看，不同破坏程度煤样的瓦斯吸附动力学特性差异显著。原生煤的吸附速率及吸附量均为最小；随破坏程度增加，煤体瓦斯吸附速率逐渐增大，吸附性增强；到糜棱煤阶段，吸附速率迅速增大，吸附量达到最大值。

图4 构造煤吸附速率变化曲线Fig.4 Changing curves of adsorption speed for tectonic coal

3.4 孔隙特性

众所周知，煤中的孔、裂隙网络是瓦斯赋存的场所，为便于描述构造煤孔隙分布规律，采用Hodot 十进制孔隙分类方法[22-23]，即：微孔（＜10 nm）、过渡孔（10～＜100 nm）、中孔（100～1 000 nm）、大孔（＞1 000 nm）。其中，微孔和过渡孔又统称为吸附孔，中孔和大孔统称为渗流孔[24]。余吾矿4 种类型构造煤孔隙分布如图5。

图5 构造煤孔隙分布Fig.5 Pore distribution of tectonic coal

由图5 可以看出，所有煤样吸附孔所占比例均大于54%，这和一般认为的高阶煤以纳米孔为主的观点是一致的。对于不同类型构造煤，其孔隙分布特征具有明显差异。从原生煤到糜棱煤，煤中的微孔比表面积从5.83 m2/g 逐渐增加到9.28 m2/g，增幅达59.2%；大孔比表面积则从1.96 m2/g 减小到0.98 m2/g，降低了50%；中孔比表面积也呈逐步降低趋势。

在构造应力的作用下，煤体结构发生破坏，导致煤体裂隙形貌、孔隙分布发生变化，进而影响煤体瓦斯吸附特性。由于微孔和过渡孔的孔径相对较小，对瓦斯分子的束缚能力较强，微孔隙发育的煤体往往表现出较强的吸附性能。构造煤孔结构参数对瓦斯吸附的影响如图6。

图6 构造煤孔结构参数对瓦斯吸附的影响Fig.6 Influence of tectonic coal pore parameters on methane adsorption

由图6 可以看出，吸附孔比表面积与拟饱和吸附量呈现良好的线性正相关关系，说明微孔和过渡孔数量的增加能够提供足够的吸附空间，强化煤体瓦斯吸附。随渗流孔比表面积的增加，拟饱和吸附量呈负指数衰减。这是由于中孔和大孔具有的孔隙直径相对较大，对瓦斯分子的作用较弱，一般为瓦斯解吸渗流提供通道。值得注意的是，在图3 中，从YW4 到YW2 煤样，也就是从原生煤到碎粒煤阶段，拟饱和吸附量变化不大，只有小幅的增加；但从碎粒煤到糜棱煤阶段，拟饱和吸附量迅速增大。这是因为在糜棱煤阶段，强烈的构造应力使得煤体结构发生急剧变化，煤体内部原生孔隙裂隙遭到破坏，孔隙结构变得更为复杂，微孔、过渡孔数量急剧增加，更易于瓦斯吸附。

4 结 论

1）在同一初始压力下，随吸附时长增加，各煤样的吸附压力均不断降低；且在吸附开始前20 min 内压力急剧降低，降幅高达60%以上，表明煤样在该阶段大量吸附瓦斯；20 min 后，压力缓慢降低直至平稳。

2）糜棱煤拟饱和吸附量最大，高达32.8 mL/g，原生煤最小，二者相差26%；随破坏程度的增加，拟饱和吸附量在不断增大，说明构造变形作用能够增强煤体瓦斯吸附能力，促进瓦斯吸附。

3）构造应力作用下，煤体孔隙结构发生明显变化。从原生煤到糜棱煤，煤中的微孔比表面积从5.83 m2/g 逐渐增加到9.28 m2/g，增幅达59.2%；大孔比表面积则从1.96 m2/g 减小到0.98 m2/g，降低了50%。

4）不同破坏程度煤样的瓦斯吸附动力学特性差异显著。原生煤的吸附速率及吸附量均为最小；随破坏程度增加，煤体瓦斯吸附速率逐渐增大，吸附性增强；到糜棱煤阶段，吸附速率迅速增大，吸附量达到最大值。