煤体变质程度对突出煤体吸附/解吸影响

＊杨红红

（山西安标检验认证有限公司 山西 030000）

煤体瓦斯突出，是指在采煤过程中，瓦斯突然喷出的一种现象，是一种危害性大、预防难度高的突发型灾害。与其他类型的煤矿灾害相比，瓦斯突出是一种破坏性高、死亡率高的灾害，一旦在短时间内大量瓦斯突出，在遭遇明火后会迅速引发矿井爆炸，对矿井造成毁灭性破坏。为了保证井下安全，工作人员积极研究煤体变质程度以及孔隙结构，对于突出煤体的吸附/解吸特征所产生的影响。通过此项研究，有助于相关工作人员了解煤体、瓦斯突出灾害的演化机理，为预防瓦斯、煤体突出灾害提供理论支撑。

1.不同变质程度煤体吸附/解吸特点分析

(1)吸附特性分析

表1 煤样采样信息

从类型上看，吸附现象属于一种煤体界面现象，是接触面两侧有别于两相中任意一相的性质所构成的区域。气体分子通过物理吸附以及化学吸附两种方式存留在固体物质表面上，瓦斯在煤体表面的吸附，是固体分子与气体分子在相互作用力的影响下产生的一种吸附现象，因此属于物理吸附[1]。

在相同的温度条件下，研究人员利用单分子层模型方程，分别从大兴煤矿、双柳煤矿、杨柳煤矿、寺家庄煤矿、卧龙湖煤矿采集粒径为0.2～0.25mm的煤样，五种煤样的变质程度各不相同，能够很好地反映不同变质程度煤体的瓦斯吸附/解吸特征。

在30℃环境中进行吸附实验，并对实验数据进行拟合，得到五种煤样等温吸附曲线。

通过分析图1可以发现，在实验环境不变的情况下，五种煤样的CH4等温吸附数据变化趋势基本相同。当压力值较小时，瓦斯的吸附量增加幅度较大，而随着压力的增加，煤体内瓦斯吸附增加幅度逐步变小，大兴煤样与双柳煤样等温吸附曲线随着压力的增加，瓦斯吸附减少，且基本保持线性变化趋势[2]。但其吸附能力减少的幅度要明显弱于寺家庄煤样以及卧龙湖煤样，寺家庄煤样与卧龙湖煤样的吸附曲线，存在一个明显的临界值，在临界值前后，其瓦斯吸附能力与压力变化之间的关系存在显著差别。

图1 五种煤样CH4等温吸附曲线

从瓦斯吸附量角度来看，本次实验所采集到的五种煤样中，寺家庄煤样与卧龙湖煤样的瓦斯吸附能力最为突出，在其他条件不变的情况下，寺家庄煤样在4.5MPa条件下的瓦斯吸附量达到36mL/g，卧龙湖煤样在4.5MPa条件下瓦斯吸附量达到40mL/g，远高于其他三组煤样。使用Langmuir单分子层模型对五组数据进行拟合，能够得到两个吸附常数值a、b，依据常数a与b能够反映出不同类型、不同变质程度的煤样对于瓦斯的吸附能力（详见表2）[3]。

表2 五种煤样吸附常数

(2)解吸特性分析

采煤活动会改变地下煤层结构，原本煤体孔隙结构中瓦斯与煤炭的吸附/解吸动态平衡会被打破，导致处于吸附状态的瓦斯减少，处于游离状态的瓦斯增多，这个变化过程被称为瓦斯的解吸。

研究人员对粒径0.2～0.25mm的五种不同煤样进行解吸实验，在压强不变的情况下持续解吸120min，并将得到的五组数据换算为标准压力状态下煤体的解吸数据（如图2所示）。

图2 120min瓦斯解吸曲线

通过分析图2可以发现，变质程度各不相同的五种煤样，在不同压力环境下，解吸开始阶段其内部瓦斯含量较高，瓦斯解吸的速率较快，而伴随着解吸量的快速增加，解吸曲线迅速上升。与此同时，煤样中的瓦斯浓度逐渐降低，随着时间的推移，五种煤样的瓦斯解吸速率均开始降低，瓦斯解吸曲线也趋于平缓，在达到某一临界点之后转入平台期[4]。

例如，当煤样处于2MPa条件下，五种煤样的瓦斯解吸区域变化情况存在差异，大兴、双柳、杨柳、寺家庄这四种煤样进行120min解吸实验之后，虽然解吸速率变低，但是瓦斯的解吸总量仍在不断增加，卧龙湖煤样的实验结果与上述四组数据差异很大，在结束120min解吸实验之后，其瓦斯解吸量接近饱和，当达到饱和状态之后，其解吸速率不再变化，进入平台期。通过进一步的分析可以发现，造成卧龙湖煤样这种解吸特点的主要原因，在于卧龙湖煤样中拥有大量开放性孔隙结构，由于孔隙结构具有开放性，导致其内部吸附的瓦斯会在很短的时间内转变为游离状态。

针对大兴煤样在不同压力条件下瓦斯解吸能力进行分析，在不同压力环境中，大兴煤样瓦斯解吸曲线具有一定的相似性，其区别主要体现在瓦斯的初始解吸量方面。大兴煤样的初始压力与解吸量之间存在正相关关系，初始压力越大其瓦斯解吸量越大[5]。产生这一现象的主要原因，在于瓦斯解吸初期，煤样孔隙结构中原本处于吸附状态的瓦斯，快速转为游离状态，随着瓦斯的溢出，有源源不断的瓦斯填充孔隙结构，因此在开始的一段时间内，瓦斯浓度会保持高水平，这种状态下，瓦斯的解吸速率较快，解吸量大。

实际发生的煤体与瓦斯突出事故中，瓦斯与煤体的突出只会保持几十秒，因此对于煤体初始瓦斯解吸量的分析，对于预防煤体、瓦斯突出事故具有很高的价值。通过对五组煤样在不同压力条件下1min与120min解吸实验数据的分析，发现相同的煤样在不同压力条件下，压力越大其初始解吸速率越高，代表着出现瓦斯、煤体突出事故的概率越大。

(3)突出煤体瓦斯扩散特征

煤体孔隙结构中瓦斯的吸附以及解吸变化，主要发生在孔径不超过10nm的孔隙结构中，作为描述煤体中瓦斯扩散过程的重要参数，计算煤体扩散系数成为了判断煤层渗透性以及处于游离状态瓦斯含量的重要一环。

在数学层面可以利用公式计算多孔结构内气体的扩散能力：

式中，变量J为气体在多孔隙介质中的扩散流动量，单位为kg/(m2·s)；D代表气体的扩散系数，可以用变量D代表瓦斯扩散速率，单位为m2/s；cgas为瓦斯扩散组分浓度；lh为瓦斯扩散距离；∂cgas/∂lh则代表瓦斯浓度梯度。公式中的负号代表瓦斯的浓度梯度与扩散通量方向相反，即二者存在反比例关系。

利用公式（1）可以推导出瓦斯扩散方程，假设浓度与瓦斯扩散系数之间不存在关联，则可以得出扩散方程的一维表达式：

煤炭是一种结构十分复杂的多孔介质，为了在实验室环境中对煤体中气体运动规律进行分析，需要对样品以及实验条件进行一些假设：①样品中的煤屑分布均匀，由具有规则轮廓的细小颗粒组成。②该介质内的瓦斯流动具有连续性且符合质量守恒定律。从理论层面来看，可以将煤体中瓦斯的扩散运动理解为气体物质在半径固定的球体中的运动，如果该假设成立，可以运用菲克定律解析式分析瓦斯在煤体孔隙结构中的扩散特征。

式中，Q∞代表多孔介质的极限解吸量；为煤炭颗粒中瓦斯的解吸率；rc为煤炭颗粒的半径；De=D/rc2代表有效扩散系数。

以公式（3）作为基础，使用Origin软件对五组煤样的瓦斯扩散数据进行拟合，得出在不同压力条件下，不同变质程度的煤样扩散系数。

2.变质程度对突出煤体吸附/解吸影响

随着时代的变迁，煤体变质在持续且缓慢地进行，在变质作用的影响下，大量低阶煤转变为高阶煤。在此过程中，煤体对于其内部瓦斯气体的吸附能力，会随着变质程度的变化而改变，导致不同变质程度的煤体其瓦斯吸附能力存在很大差异[6]。在研究该问题过程中，最大镜质组反射率（Ro）成为判断煤体变质程度的主要参数。研究人员根据最大镜质组反射率与吸附常数a与b的关系，绘制曲线图（如图3所示）。

通过分析图3可以发现，如果Ro的数值不高于1.4，吸附常数a与Ro之前为正相关关系，Ro值越大a值越大；常数b与Ro也存在正相关关系。当Ro值超过3，常数a值略微下降，从此刻开始a值会呈现出“V”字型走势；常数b则会呈现出明显的“八”字型走势。这就证明煤体变质程度越高，则Ro值会越大，这就代表伴随着煤体变质程度的加深，其吸附瓦斯的极限量会先呈现上升趋势，达到50%极限吸附量的压力值会呈现出先升高后降低的趋势，这就代表煤体的瓦斯吸附能力会随着煤体变质程度的提高，出现先提高后降低的变化特点。

图3 最大镜质组反射率与煤体吸附常数关系图

3.结语

煤体瓦斯突出事故具有高破坏力、高隐蔽性的特点，对于煤矿安全生产带来巨大的挑战。针对这一问题，相关研究人员在实验室对五组变质程度不同的煤样进行分析，通过实验论证煤体变质程度与其吸附/解吸能力之间的关系。实验证明，在变质作用的影响下，煤体会逐步由低阶煤转变为高阶煤，而与中阶煤相比，高阶煤与低阶煤的瓦斯解吸能力更强，且扩散能力更强，一旦其吸附/解吸的平衡被打破，发生变质的煤体孔隙结构中的吸附瓦斯会快速转变为游离瓦斯，进而造成瓦斯突出事故，通过上述实验为煤体瓦斯突出事故的监测与预防提供理论、数据支撑。