煤的放散初速度与孔径、比表面积分析研究

高世康GAO Shi-kang；许石青XU Shi-qing；韦善阳WEI Shan-yang；罗中曼LUO Zhong-man；任美容REN Mei-rong；潘沙PAN Sha；高硕GAO Shuo

（贵州大学矿业学院，贵阳 550025）

0 引言

煤层开采过程中，不同深度地层压力、地层性质的不同导致煤的变质程度出现了很大的差异，而不同变质程度煤中所赋存的游离瓦斯含量也有很大不同，当煤中游离态瓦斯大量赋存以后便会形成较大的瓦斯压力，长此以往，煤与瓦斯突出事故便会发生。统计结果显示：贵州省平均每年由于煤与瓦斯突出死亡的人数达到43.8 人，占全国总死亡人数的20.81%。煤的变质程度直接影响到煤的瓦斯放散初速度，而煤的瓦斯放散初速度是造成瓦斯突出灾害的四大因素之一。煤的孔径分布和比表面积等参数也会影响煤内瓦斯的赋存。近年来，对瓦斯放散初速度和煤的孔径分布、比表面积及孔体积等课题的研究很多。杨萌萌等认为煤的粒度对煤的瓦斯放散初速度有影响。煤的粒度不同，所产生的瓦斯突出危险性也不同，煤的粒度越小，发生瓦斯突出的危险性就越大。孙勇等认为预氧化会对煤的比表面积、孔体积、平均孔直径产生影响。但是对不同粒径煤的孔径分布和比表面积的研究却较少，而将煤的瓦斯放散初速度与煤的比表面积及孔体积等参数联系在一起进行研究的课题更是少之又少。

1 吸附常数概述

从之前对煤吸附甲烷研究中能够看出，甲烷吸附主要涉及到的过程有瓦斯渗流、瓦斯扩散和瓦斯吸附。在固定梯度的甲烷压力下，大孔系统中能够完成甲烷气体分子的渗流过程。与此同时，新甲烷气膜在煤的基质外表面。随后，甲烷气体可以根据煤栽培基质外部室内空间越过充气膜，进而使甲烷气体扩散到基质表层，之后到达空隙内部。基于上述过程，实际的煤基质外表面便可以吸附甲烷分子，一部分被吸附的甲烷分子顺着颗粒内部部孔向蔓延，具体吸附速度与内扩散情况存在直接联系。在孔隙结构研究过程中，煤的吸附性和透水性与实际情况之间存在着非常强的联系，进而对后续煤层瓦斯以及吸附过程产生了巨大影响。根据以往学者经验，压汞法在煤的直径科学研究上是比较常见的方式，该方式能够明确具体孔径范围内孔隙大小或者是孔隙类型，以及孔径具体突破压力情况截至到目前为止，人们对煤孔径分类研究内容有很多，依据实际的固气效用，及其固态的直径范畴等，得到孔径的具体数值。例如，对于微孔和小孔的孔径来说，均低于100nm，而且煤对瓦斯的吸附情况与孔隙的基本结构存在直接关系。所以说，人们在研究煤的纳米级孔隙结构过程中，需提前了解甲烷吸附理论内容，这对于后续研究具备积极意义。

2 试样准备及测试装置

2.1 测试装置

通过采用自带全自动操作程序的WT-1 瓦斯放散初速度测定仪（图1）进行瓦斯放散初速的测定，此仪器可自动储存测试结果，此外，还可自动输出曲线报表。同时，包含△P、实验温度、实验所在地大气压等情况。

图1 WT-1 瓦斯放散初速度测定仪

2.2 试样准备

本文测试的煤样共6 种，全部取自贵州六盘水。分别为：无烟煤、焦煤、气煤、肥煤、烟煤、褐煤。实验前，根据GB/T 212-2008 对煤样进行工业分析测定的基础参数见表1。

表1 煤样工业分析基础数据

图2 全自动孔径及比表面积测定仪

根据AQ 1080-2009 及WT-1 型瓦斯放散初速度测定仪要求，先粉碎六种不同的煤样，然后分别筛取不一样粒径范畴的煤样各500g，所用的煤样筛目数不尽相同，进而得到粒径分布为0.15-0.2mm、0.2-0.25mm、0.25-0.5mm、0.5-1mm、1-2mm 的30 种煤样。按照不同的粒径范围，将所得的煤样分成2 份，自然密封放置其中一份，剩余部分通过放进烘干箱烘干处理5h 制得干燥煤样。取各粒径的烘干处理煤样60g，均值分成3 份，用喷雾机向每一份烘干处理煤样喷小量雾水并搅拌均匀，将配制好的煤样放进密闭式器皿内侵润10d，使水充分浸润煤样，制取各粒径、各变质程度不同，水分含量均分3%的煤样。

3 实验方案及结果分析

3.1 实验方案

设图1 中WT-1 型瓦斯放散初速度检测仪的煤样罐从右至分别別为1 号、2 号、3 号、4 号、5 号、6 号，每一种煤样罐置放3. 5 g 煤样，在其中1 号和2 号、3 号和4 号、5号和6 号各自为一组平行面试验。依照试验规定，每一种煤样需取2 个试件做平行面试验，设2 个试件瓦斯放散初速度△P 各自为△P1和△P2，则当△P1=△P2时，△P 取时，△P 取二者最大值；当时，为不过关，应再次装样检测。

为了更好地剖析粒径和变质水平对煤中瓦斯放散初速度的危害，各自检测了在含水量同样、粒径配制不一样和变质水平不一样的情形下煤中瓦斯放散初速度与粒径的关联。

3.2 不同变质程度煤样瓦斯放散初速度与粒径的关系

实验方案：取含水率相同，变质程度不一样的6 种煤样（分别为无烟煤、焦煤、气煤、肥煤、烟煤、褐煤），每一种煤样又分成粒径0.15-0.2mm、0.2-0.25mm、0.25-0.5mm、0.5-1mm、1-2mm 这5 组，各自装进WT-1 型瓦斯放散初速度检测仪的煤样罐，在外部温度、工作压力等标准同样的情形下，测量瓦斯放散初速度△P。试验结果如图3 所显示。

图3 不一样变质水平煤的瓦斯放散初速度关联

从图3 可看得出，伴随着粒径持续减少，6 种不一样含水量的煤样瓦斯放散初速度持续扩大，且粒径越小，增大的发展趋势越显著；烘干处理5h 的煤样各粒径范畴内的瓦斯放散初速度超过别的含水量的煤样，含水率为7%的煤样各粒径范畴内的瓦斯放散初速度最少。导致煤样瓦斯放散初速度随粒径减少而持续扩大的缘故主要包含：

①煤中瓦斯以吸附和分散2 种情况成藏在煤巷中，通常吸附情况的瓦斯占煤中总瓦斯量的10%上下，分散模式的瓦斯占煤中总瓦斯量的90%上下。粒径对煤吸附瓦斯量的直接影响关键取决于粒径造成煤孔构造发生改变，危害了孔容，粒径越小，孔容越大，吸附瓦斯越多，瓦斯放散初速度越大。

②伴随着煤样粒径持续减少，煤中瓦斯的扩散阻力减小，同样时间内煤中瓦斯的解析量提升；伴随着煤样粒径持续减少，在煤基质内部和孔隙度表层的瓦斯分子结构遍布更为匀称，分子结构相对密度更高，同样时间内煤中瓦斯的解析量提升；伴随着煤样粒径持续减少，煤样的孔隙度比表面、孔隙度容积提升，参加解析的瓦斯分子结构增加，瓦斯分子结构的浓度值扩大，煤中吸附瓦斯的解析速率提升。由此可见，伴随着煤粒径的持续减少，煤中吸附瓦斯的解析量和解析速率提升，促使煤中瓦斯放散初速度持续提升。

对图3 中的测试数据开展线性拟合，可获得不一样霉变水平煤样粒径x 与煤样瓦斯放散初速度△P 的线性拟合方程式，见表2。

表2 不同变质程度煤样粒径与煤样瓦斯放散初速度的拟合关系式

根据表2 可知，在实验所选粒径范围内，不同变质程度煤样瓦斯放撒初速度与粒径的拟合关系为

式中：C1，C2为由瓦斯压力、煤样的变质程度等确定的常数项。

由图3 和表2 可看得出，不一样霉变水平的煤样瓦斯放散初速度与粒径的关联不一样，关键因素是煤样粒径转变会更改煤样中的比表面直径的遍布，促使粒径转变对不一样变质水平煤样中瓦斯的吸附、解析、蔓延、渗入和运移规律性干燥扰与干躁煤样不一样，粒径对霉变水平不一样的煤样瓦斯放散初速度的危害原理更加繁杂。

3.3 不同粒径、不同变质程度煤样比表面积及孔径的变化规律

实验方案：将所制取30 种的不同变质程度、不同粒径的煤样分别装入全自动孔径及比表面积测定仪中，测定孔径分布和比表面积等实验参数。实验结果如图4、图5 所示。

图4 不同变质程度煤的微孔孔直径变化情况

图5 不同变质程度煤的比表面积变化情况

从图4、图5 可以看得出，伴随着煤的变质水平加重，煤的微孔孔直径呈先减小后上升的趋势，煤的比表面积呈持续增大的趋势；随着煤的粒径增大，煤的微孔直径呈先减小后上升的趋势，煤的比表面积呈持续增大的趋势。

3.4 不同变质程度、不同粒径煤的瓦斯放散初孔与微孔孔直径的关系

通过对比图3、图4、图5，可以发现：相同粒径情况下，随着煤的变质程度的升高，煤的微孔孔直径、比表面积、瓦斯放散初速度等参数均呈增大的趋势，煤的变质程度越高，煤的瓦斯放散初速度持续增大，微孔孔直径越大，比表面积也越大；同种变质程度，随着煤的粒径增大，煤的微孔孔体积、比表面积、瓦斯放散初速度等参数亦呈上升的趋势，煤的粒径越大，瓦斯放散初速度孔，微孔孔直径越大，比表面积也越大。产生上述情况的原因在于：煤的变质程度越高，煤的孔隙发育越好，比表面积越大，形成的微孔越多，进而导致瓦斯吸附区域增大，瓦斯吸附量扩大，因此瓦斯放散初速度随着提升。

4 纳米级空隙与吸附常数之间的关联性分析

首先，在关联性分析过程中，主要采用的是曲线相似法对纳米级孔隙进行分析，从中将煤吸附甲烷能力展示出来。从实际曲线相似度法应用中能够看出，主要是根据两条曲线变化趋势，了解各个变量之间的关联性特点。一般来说，从已知的因变量变化趋势中能够看出，大家可以明确哪一个变量可以操纵自变量，关键观念便是凭借已经知道数据信息的转换情况，明确事物变化的具体因素所在。为了提升研究的准确性，具体曲线相似度法的主要实施步骤包括以下几方面：第一，明确因变量数值；第二，数据向量化处理操作，工作人员可以将获取到的数据编写为列向量模式，在此过程中，列向量数据应始终处于一致状态；第二，明确具体的列向量相似程度；将主控因素确定下来。其次，在关联性分析结果确定上，工作人员首先要做的就是明确因变量数值，将分析吸附常数和孔容特征之间的关联性特征明确出来，了解其中具体的参数测试结果，保证对吸附常数作为应变量，开展一系列分析操作。

5 结论

综上所述，如果煤的变质程度高，吸附常数a、b 的数值也会有所提升，如果变质程度低，吸附常数a、b 也会变小。吸附常数的数值大小，会随着煤变质程度降低而降低。在压汞实验之中，煤的变质程度对于总孔孔容和大孔孔容影响比较明显。更为重要的是，纳米孔比表面与煤的吸附工作能力存有可以直接关联，吸附参量会伴随着纳米孔孔容提升而增加。