西山煤田焦煤孔隙结构对瓦斯解吸的影响研究

徐慧刚，秦兴林

（1.山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045411；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

煤是一种多孔有机介质，具有高度发达的孔隙结构[1-3]。储存在煤体中的瓦斯以游离态和吸附态的形式存在，但当瓦斯压力高于2 MPa 时，瓦斯在煤体中还可以是固溶态[4-6]。煤的孔隙结构特征（如孔隙率、孔径大小、比表面积等）直接影响瓦斯在煤层中的流动性及渗透性，从而影响煤矿瓦斯抽采。周世宁[7]认为，瓦斯在煤层孔隙网络中的流动形式以扩散为主，可用菲克定律进行描述，而瓦斯在煤层裂隙中以渗透为主，遵循达西定律。文献［8］通过孔隙率和瓦斯压力的测定，计算出了煤层中的游离瓦斯含量，并分析了孔隙率对瓦斯解吸的影响。文献［9］以干煤样为研究对象，在20 MPa 高压下进行甲烷、二氧化碳、氮气吸附实验，结果表明，煤体内部有大量的孔隙与煤体表面不连通，这类闭孔阻碍瓦斯的吸附和解吸。王振洋[10]对比分析了原生煤和构造煤微观孔隙结构差异性，认为瓦斯解吸性能与构造煤孔隙演化密切相关，构造煤瓦斯解吸量明显高于原生煤，其第1 min 平均解吸速度为原生煤的1.43～8.83倍。赵东等[11]针对注水后的煤体瓦斯解吸规律开展了研究，结果发现瓦斯解吸率与临界孔隙尺度遵循Langmuir 型关系式。蔡银英等[12]开展了圆柱体煤样瓦斯解吸放散实验，建立了瓦斯放散模型，并明确含瓦斯煤快速解吸是突出发生的重要前提。郝富昌等[13]分析了煤体瓦斯解吸规律及其影响因素，认为煤变质程度、孔隙特性和破坏类型是影响瓦斯解吸扩散的主要因素。齐黎明等[14]研究了不同流场状态下的含瓦斯煤解吸规律，结果表明，在解吸量和解吸方面，球向流场＞径向流场＞单向流场。赵洪宝等[15]基于煤层夹矸影响下的瓦斯放散规律，建立了“两腔”放散模型。前人在煤体孔隙表征及瓦斯解吸运移方面取得了丰硕成果[6,16]。在此基础上，以西山煤田焦煤煤样为研究对象，先进行低温液氮吸附实验测定焦煤孔隙参数，再进行瓦斯解吸实验，研究揭示焦煤微观孔隙特性对瓦斯解吸影响机制。研究结果对西山矿区煤与瓦斯突出防治和煤层气资源开发均具有十分重要的意义。

1 实验部分

1）实验煤样。实验煤样共6 种，均采自西山煤田主力生产矿井。将工作面新鲜原煤采集并密封包装后运送至实验室。然后将原煤粉碎制备成60～80 目（粒径0.18～0.25 mm） 实验用煤，参照国标GB/T 212—2008 对煤样进行真空干燥后，利用工业分析仪对煤岩成分进行测定，煤体镜质组反射率Ro遵照国标GB/T 6948—2008 开展测试。根据GB/T 23561，采用落锤法测定煤的坚固性系数f。实验煤样煤质分析结果见表1。可以看出，这6 种煤样Ro在1.38%～1.52%范围内窄幅波动，均属焦煤；坚固性系数f 值在0.58～1.72 范围内变化。

表1 实验煤样煤质分析结果Table 1 Coal quality analysis data of experimental coal samples

2）低温液氮吸附实验。利用低温液氮吸附法测试焦煤孔隙结构，实验采用美国Quantachrome 公司生产的AUTOSORB-6B/3B 型全自动化学/物理吸附仪。其能测得的孔径范围为1.0～300 nm，比表面积范围5×10-4～5×103m2/g，分析站和脱气站的极限真空度可达到4.0×10-8Pa。首先将粒径为0.18～0.25 mm 的粉煤煤样放入脱气站内，在120 ℃温度下真空脱气10 h 以除去煤中杂质，待煤样冷却后放入分析站内，在液氮饱和温度（77 K）下进行低温液氮吸附实验。测试过程中，共选取39 个压力点，每个实验煤样的测试量均为2 g 左右。根据测得的氮气吸附数据，利用仪器自带软件可计算得到煤样孔隙体积、比表面积、孔径分布等结构参数。

3）瓦斯解吸实验。瓦斯解吸实验采用法国塞塔拉姆公司制造的全自动高压气体吸附解吸仪（型号PCTPro），该实验系统主要由真空单元、充气单元、温度控制单元以及吸附解吸单元这4 个单元组成。称取100 g 左右干燥粉煤煤样放入样品罐中，对系统进行气密性检查，测定系统自由空间体积后，充入甲烷气体开展瓦斯吸附解吸实验。实验温度均控制在30 ℃，吸附时长不低于12 h，解吸时长不低于10 h，采用排水集气法收集解吸的瓦斯，以此计算瓦斯解吸量。

2 结果与分析

2.1 焦煤孔隙特征

不同煤样的低温液氮等温吸附曲线如图1，p 为绝对压力，p0为饱和蒸气压。不同煤样孔隙结构参数见表2。不同煤样孔隙分布见表3。

表2 不同煤样孔隙结构参数Table 2 Pore structure parameters of different coal samples

表3 不同煤样孔隙分布Table 3 Pore size distribution of different coal samples

由图1 可知，吸附曲线和脱附曲线并不重合，在同一相对压力条件下，脱附曲线始终高于吸附曲线，这说明被吸附的氮气不能完全从煤样中脱附解吸出来，脱附曲线相对于吸附曲线具有明显的滞后现象。通过比较可以发现，ML 煤样等温线的开口最大，吸附曲线和脱附曲线相距最远，说明该煤样半封闭孔较多，孔隙内部之间的连通性较差，氮气不易解吸出来。

图1 不同煤样的低温液氮等温吸附曲线Fig.1 Adsorption isotherms of different coal samples

从表2 可以看出, 各焦煤煤样孔隙体积、孔比表面积均变化较大，分别在0.017 4～0.081 3 cm3/g、0.84～2.59 m2/g 范围内变动。同时，各焦煤煤样表现出了不同的氮气吸附能力，煤对N2的吸附量与孔隙体积呈正相关关系。DQ 煤样孔隙体积最大，其N2吸附量也最大，为3.46 cm3/g。N2吸附量与孔比表面积总体上也呈正相关关系，但也并非完全如此，例如XM 煤样，孔比表面积比ML 煤样小，但孔隙体积比ML 煤样大，因而N2的吸附量却为1.41 cm3/g 比ML煤样大。不同煤样平均孔径差异较大，在8.59～21.52 nm 范围内变化，最大相差2.5 倍。实验中还发现，平均孔径与孔比表面积呈负相关关系，即平均孔径越小，孔比表面积越大。说明平均孔径越小，微孔数量越多，相应的孔比表面积也就越大。

由表3 可知，微孔比表面积占总比表面积的70%以上，而大孔比表面积占比均低于13%。这说明在焦煤的各类孔隙中，微孔最为发育，主要占据了孔隙表面积。由于瓦斯吸附主要发生在孔隙表面上，由此可以推断，微孔对焦煤瓦斯吸附特性产生重要影响。在孔隙体积分布方面，微孔体积所占百分比均低于15%，占比较小，而大孔体积占比均超过60%。这说明微孔体积很小，孔隙体积主要由大孔和中孔贡献。

2.2 瓦斯解吸实验结果

对6 个煤样分别进行瓦斯解吸实验。在压力范围内，设置0.5 MPa 和1.5 MPa 2 个平衡压力点。根据实验数据分别绘制了瓦斯等温解吸曲线，各煤样瓦斯等温解吸曲线如图2。

由图2 可以看出，随解吸时长的增加，焦煤瓦斯解吸呈现了先快后慢、最后趋于平稳的阶段性变化规律。在平衡压力0.5 MPa 和1.5 MPa 下，DQ 煤样对应的总瓦斯解吸量分别为8.14 cm3/g 和16.68 cm3/g，1.5 MPa 下的瓦斯解吸量是0.5 MPa 下的2.05 倍。说明压力对焦煤瓦斯吸附解吸特性具有显著影响。同等条件下，平衡压力越大，解吸量越大。其它5 个煤样均有类似规律。相同平衡压力条件下，总解吸量大小依次为：DQ＞TL＞XQ＞GD＞XM＞ML，DQ煤样解吸量最大，ML 煤样最小。经过计算，平衡压力为0.5 MPa 和1.5 MPa 时，DQ 煤样解吸量分别是ML 煤样的2.13 倍和1.97 倍。

图2 各煤样瓦斯等温解吸曲线Fig.2 Curves of isothermal desorption of different coal samples

2.3 焦煤孔隙结构对瓦斯解吸影响

焦煤瓦斯解吸量影响因素分析如图3。

图3 焦煤瓦斯解吸量影响因素分析Fig.3 Analysis of influencing factors of gas desorption volume for coking coal

由图3（a）可知，在相同平衡压力下，总解吸量随孔隙体积的增加而增加，相关系数R2均在0.9 以上，呈现较好的线性关系；且当平衡压力升高时，拟合直线的斜率分别为70.47 和114.49，说明总解吸量随孔隙体积线性递增的趋势也在增加。由图3（b）可以看出，在各平衡压力下，孔比表面积与总解吸量也呈现正相关关系，但相关系数均＜0.69，明显低于图3（a）中的R2；图3（c）显示，总解吸量与平均孔径呈负相关关系，R2也小于图3（a）。这说明，在孔比表面积、孔隙体积和平均孔径这3 个因素中，孔隙体积是影响焦煤总解吸量的主要因素，但同时孔比表面积的增加对解吸量也有积极贡献。

此外，焦煤水分含量也对瓦斯解吸有重要影响。由图3（d）可知，随焦煤水分含量增加，总解吸量大幅减少。这是由于气态水分子容易吸附在煤体孔裂隙壁面，大量气态水分子凝聚后形成液态水，堵塞瓦斯运移通道，导致瓦斯解吸受阻，进而降低总解吸量。焦煤f 值对瓦斯解吸也有一定影响（图3（e））。不同平衡压力下，总解吸量随f 值增加而持续减小，表明煤体越软越利于瓦斯解吸。事实上，软煤与地质构造紧密相关，在构造应力作用下，煤体发生搓揉作用，导致相同变质程度软煤较硬煤拥有更大的孔隙空间和表面积，这为瓦斯快速解吸创造了有利条件，在外部扰动下，煤体一旦失稳，大量瓦斯迅速涌向巷道空间，容易发生煤与瓦斯突出。

3 结 论

1）吸附曲线和脱附曲线并不重合，脱附曲线具有明显的滞后现象。ML 煤样的开口最大，吸附曲线和脱附曲线相距最远，说明ML 煤样半封闭孔较多，孔隙内部之间的连通性较差，气体不易解吸出来。

2）微孔比表面积占总比表面积的70%以上，而大孔比表面积占比均低于13%。这说明在焦煤的各类孔隙中，微孔最为发育，主要占据了孔隙表面积；而微孔体积很小，孔隙体积主要由大孔和中孔贡献。

3）在相同平衡压力下，总解吸量与孔隙体积、孔比表面积均呈正相关关系，孔隙体积是影响瓦斯解吸的主要因素，但同时孔表面积的增加对解吸量也有积极贡献。

4）焦煤水分含量对瓦斯解吸有重要影响，随焦煤水分含量增加，液态水易堵塞孔裂隙通道，导致瓦斯解吸受阻，总解吸量大幅减少。