突出孔洞构造煤与原生结构煤瓦斯吸附特性对比研究

2021-10-17马瑞帅田世祥林华颖许石青苏伟伟谢红飞

煤矿安全 2021年9期

马瑞帅，田世祥，林华颖，许石青，苏伟伟，谢红飞

（贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025）

煤体中瓦斯赋存形式以游离态和吸附态为主，当环境稳定时煤体瓦斯处于吸附平衡状态。由于煤体是一种复杂的多孔介质，煤体孔隙结构对瓦斯吸附及渗流特征具有较大影响[1-2]。因此研究煤体孔隙结构对煤层瓦斯综合利用与煤炭安全开采具有重要意义。为进一步揭露煤体孔隙结构与瓦斯吸附特征之间的关系，国内外学者对煤体孔隙结构进行了大量研究。叶贞妮等[3]对不同煤体结构的孔隙、裂隙的分形维数以及对煤体渗透性的影响进行了研究，得出煤体孔隙、裂隙优质配比是决定煤体高渗透性的关键；李祥春等[4]对不同煤阶孔隙结构表征对瓦斯吸附与解吸的影响进行了研究，表明煤体瓦斯以微孔表面扩散为主；Hassan Nasir Mangi等[5]运用扫描电子显微镜，低压吸附N2和CO2的方法，系统分析了孔径分布和分形维数对吸附和解吸值的影响；Lan Fengjuan[6]等通过分析C2+气体分布变化，得出“湿气区”中的煤体具有较大的孔隙比表面积；涂庆毅[7]研究发现煤体微孔、小孔及中孔等孔隙在构造破坏-粉化作用下会出现孔容和比表面积“突增”现象；董骏[8]基于压汞法、氮气吸附法和二氧化碳吸附法对煤体孔隙特性进行测试，结果发现中孔和大孔孔容的增大主要归因于构造作用；王福生等[9]研究发现煤体的微观结构和分子结构是煤体自燃倾向性差异的关键。上述研究在煤体孔隙结构分形特征和瓦斯吸附解吸特性方面取得了一定的成果，但是有关突出孔洞构造煤孔隙特性方面的研究则鲜有报道。基于此，以贵州省三甲煤矿突出孔洞构造煤为研究对象，运用压汞和低温液氮吸附相结合的方法以期揭露突出孔洞构造煤孔隙特征。

1 实验方案

1.1 煤样采集

实验煤样分别包括破坏类型为Ⅱ的原生结构煤与破坏类型为Ⅳ类的突出孔洞构造煤，原生结构煤和突出孔洞构造煤分别取自贵州省三甲煤矿M16煤层41601掘进巷不受突出影响处和贵州省三甲煤矿M16煤层41601掘进巷突出孔洞内部。将所取煤样装入煤样罐及时运送到实验室并保证运输过程中煤样不受到破坏，后续在实验室条件下根据GB/T 121—2008《煤的工业分析方法》对所取煤样进行工业分析，煤样基础参数见表1。

表1 煤样基础参数Table 1 Basic parameters of coal samples

1.2 实验方法

实验过程中采用AutoPoreⅣ9505型压汞仪（工作压力范围为0～228 MPa，孔径理论测定范围为5～360 000 nm）对所取煤样进行压汞实验，为减少水分对实验结果的影响，实验前将所取煤样在100℃下烘干5 h，后续在膨胀仪中抽真空进行实验。采用压汞法测试煤样孔隙参数过程中，汞压较低时汞先进入裂隙；后续随着压力逐渐升高，当汞压大于孔喉的毛细管力时，汞开始进入孔隙中。低温液氮吸附实验采用ASAP2020全自动分析仪对所取煤样比表面积及孔径进行分析，实验温度为77.3 K，比表面积的测试范围为0.000 5 m2至无穷大，孔径的理论测试范围为0.35～500 nm。

2 测试结果与分析

2.1 压汞法测试结果

于煤是一种复杂的多孔介质孔径分广泛，文中采用霍多特十进制分类法将孔大小分为：微孔（<10 nm）、小孔（10～100 nm）、过渡孔（>100～1 000 nm）和大孔（>1 000 nm）。采用压汞法对煤样进退汞曲线进行测试，进汞和退汞曲线如图1（1 psia=6.895 kPa）。

图1 进汞和退汞曲线Fig.1 Mercury inflow and mercury withdrawal curves

从图1可以看出，当压力为5 psia时，汞液能够进入40 000 nm以上的孔隙，该段突出孔洞构造煤进汞量明显大于原生结构煤进汞量并且增幅速度快，表明此阶段突出孔洞构造煤裂隙与大孔隙较原生结构煤发育。当压力逐渐由5 psia增至1 800 psia时，汞液进孔径范围为100～40 000 nm，该阶段进汞曲线均较为平缓，表明煤体中孔径范围为100～40 000 nm的孔较少，但突出孔洞构造煤的进汞曲线斜率依旧大于原生结构煤进汞曲线斜率，即该阶段突出孔洞构造煤孔隙比原生结构煤更加发育。当压力大于1 800 psia时汞液可进入小于100 nm的孔径，此时突出孔洞结构煤与原生结构煤进汞曲线均迅速增加，表明煤体中微孔与小孔发育情况较好。由退汞阶段来看，原生结构煤与突出孔洞构造煤均存在滞后环，并且突出孔洞构造煤的滞后环明显大于原生结构煤的滞后环。表明这2种煤均存在开放性透气孔，且突出孔洞构造煤的孔隙连通性较原生结构煤好。

通过压汞法得到所取煤样孔容增量随孔径变化折线图，压汞法孔容随孔径变化示意图如图2。

图2 压汞法孔容随孔径变化示意图Fig.2 Schematic diagrams of pore volume variation with pore diameter by mercury injection method

由图2可知，随着孔径的增加突出孔洞构造煤与原生结构煤均呈现微孔与小孔阶段累计孔容增量较大后续逐渐表小的变化趋势。从微孔阶段孔容增量来看，突出孔洞构造煤累计孔容增量达到0.028 mL/g左右明显大于原生结构煤累计孔容增量，表明突出孔洞构造煤微孔明显比原生结构煤发育。小孔阶段，突出孔洞构造煤累计孔容增量由0.028 mL/g增加到0.042 mL/g，增加幅度为0.014 mL/g，而原生结构煤累计孔容增量由0.007 mL/g增加到0.020 mL/g，增加幅度为0.012 mL/g，表明突出孔洞构造煤小孔发育情况与原生结构煤小孔发育情况相接近。当孔径大于100 nm时，原生结构煤累计孔容增量基本趋于稳定，最终稳定在0.025 mL/g左右；然而突出孔洞构造煤累计孔容增量依旧呈现逐渐变大的趋势，最后稳定在0.067 mL/g左右。

2.2 分形维数分析

由于煤体孔隙结构特有的复杂性和非均质性，采用传统方法难以准确定量描述和表征煤体孔隙形态，而分形理论能有效地研究和描述煤的孔隙形态，且分形理论在具有自相似性物质的表面特性分析中已被得到了广泛应用[10-12]。分形维数的大小能反映煤体孔隙的复杂程度和非均质性，分形维数越大则孔隙形状越不规则，表面越粗糙。

当汞进入孔隙后，当前压力下总孔体积与进入孔隙中的汞量相等，根据Menger海绵模型和Washburn方程可得进汞压力p与进汞体积v双对数关系为：

等号两边取对数可得孔隙分形维数D与拟合直线斜率之间的关系为：

式中：D为分形维数；v为压力为p时对应的汞体积，mL/g；p为进汞压力，MPa。

对实验数据进行处理，绘制以lg（d v/d p）为纵坐标、以lg p为横坐标的散点图，并对各点进行拟合，煤样d v/d p与p双对数坐标示意图如图3。通过观察lg（d v/d p）与lg p双对数图发现散点图在压力为1 400～3 500 psia即孔隙为50～120 nm存在明显分界点，将较大孔隙称为渗流孔，分形维数为D1；较小孔隙称为吸附孔，分形维数为D2。

图3 煤样d v/d p与p双对数坐标示意图Fig.3 Double logarithmic coordinates of d v/d p and p of coal samples

由图3可知，吸附孔的分形维数均大于渗流孔的分形维数，即煤体微孔与小孔阶段的孔隙结构更加复杂，不规则程度更强；对比原生结构煤与突出孔洞构造煤来看，突出孔洞构造煤渗流孔分形维数与吸附孔分形维数均比原生结构煤大，即突出孔洞构造煤整体孔隙复杂程度要比原生结构煤高。煤体分形维数决定了煤体孔隙复杂程度，而煤体孔隙程度越复杂煤体吸附瓦斯速率越快，吸附瓦斯量越大[13-14]。从分形维数的角度来看，突出孔洞构造煤孔隙复杂程度为突出发生提供了良好的瓦斯条件。

2.3 低温液氮吸附测试结果

煤体瓦斯赐福特性主要由微孔与小孔决定，因此用低温液氮吸附法对煤样进行孔隙结构分析时主要对孔径小于100 nm的孔隙进行分析。液氮吸附孔容随孔径变化示意图如图4。由图4可知，微孔、小孔阶段突出孔洞构造煤的孔径增容明显大于原生结构煤的孔径增容，表明该阶段突出孔洞构造煤孔隙发育远比原生结构煤要好。从累计孔容增量来看，孔径小于100 nm时构造煤的累计孔容增量大于0.01 mL/g，接近原生结构煤累计孔容增量的2倍。

图4 液氮吸附孔容随孔径变化示意图Fig.4 Schematic diagrams of pore volume variation with pore diameter by liquid nitrogen adsorption method

3 结果讨论

压汞实验是通过压力将汞液压进裂隙孔隙中，根据汞液压力衡量孔隙大小，因此实验开始汞液先进入煤样裂隙中，随着压力的增加逐渐进入孔隙中。但随着压力增加，煤体受到的作用力不断增加，存在部分孔隙抵御不了汞液压力造成实验偏差；低温液氮吸附则是根据液氮凝聚填充孔隙检测孔隙尺寸，液氮先进入小孔隙，随后填充较大的孔隙。在测量大孔径时，随着压力变大存在液氮无法凝聚的现象，使得测得煤样大孔径数据的偏差[15]。为减小实验误差，因此提出煤体临界孔隙区域的概念。由于压汞原理在测量大孔隙时具有较高的准确性，低温液氮实验对小孔隙的测定具有较高的准确性。基于此，将突出孔洞构造煤分别在压汞法与液氮吸附法所测定的孔径随孔容变化率曲线的重合区域定义为临界孔隙区域，采用临界孔隙区域的条件下对实验结果进行分析。孔体积随孔径变化示意图如图5。

由图5可知，随着孔径的增加压汞法和液氮吸附法所测定的孔径随孔容变化率曲线均呈现递减的趋势且在小孔阶段出现临界区域，即微孔、小孔阶段采用低温液氮法测定煤体孔隙，过渡孔、大孔阶段运用压汞法测定煤体孔隙。

图5 孔体积随孔径变化示意图Fig.5 Diagram of pore volume changes with pore size

结合图2、图4以及临界孔隙区域对煤体孔隙分析可得，微孔、小孔阶段突出孔洞构造煤孔隙发育情况均比原生结构煤要好，且各个阶段的累计孔容增量都在原生结构煤的2倍左右。由于煤体瓦斯吸附能力主要由微孔与小孔决定，突出孔洞构造煤微孔、小孔发育情况为突出的发生准备了良好的瓦斯吸附条件。由压汞法测得的煤体孔隙连通性来看，突出孔洞构造煤与原生结构煤均存在开放性孔隙，且突出孔洞构造煤的孔隙连通性远比原生结构煤的好，即突出孔洞构造煤孔隙连通性更利于突出发生时瓦斯的涌出，为突出的发生提供了有利条件。