深部煤层瓦斯吸附规律研究

王小聪，黄再娟

（1.炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室，河南 平顶山 467000；2.平煤股份煤炭开采利用研究院，河南 平顶山 467000）

0 引 言

煤炭是我国能源供应体系中的“稳定器”和“压舱石”[1]，在国民经济发展中起到十分重要的作用。我国煤矿地质条件复杂，瓦斯灾害一直是煤矿的主要灾害，是深部矿井的第一大灾害[2-3]，严重威胁煤矿的安全生产[4]。平顶山矿区经过70 多年的发展，已逐步进入深部开采阶段，大部分矿井开采深度超过700 m 以下，有的甚至超千米[5]。随着开采深度的增加，高温、高地应力、高瓦斯压力等相互交织作用，所面临的瓦斯治理问题变得十分严峻[6]，给安全生产带来极大隐患。研究深部煤层瓦斯吸附规律，对矿井区域瓦斯治理和抽采达标具有重要的指导意义。

煤是天然吸附剂，是一种内部含有大量孔隙的物质，具有很大的表面积[7]。瓦斯吸附常数是衡量煤吸附瓦斯能力大小的指标，是煤层瓦斯基础参数中重要的组成部分。前人对煤的瓦斯吸附性能方面做了大量的研究，有学者认为，随吸附平衡温度升高，同一煤样的瓦斯吸附量减少[8]；还有学者认为，煤的煤化程度越高和存储瓦斯的能力密切相关，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大[9]。总之，影响煤的吸附性能因素较多，主要有煤的变质程度、煤岩粒径、水分、灰分、孔隙率、温度、压力以及地质构造等。

1 实验原理

在平顶山矿区深部煤层不同地点采集10 个实验煤样，实测煤的工业分析、真密度、孔隙率等参数，模拟井下温度为30℃时，在不同瓦斯压力情况下，煤样的瓦斯吸附能力，并对数据进行分析对比，分析吸附曲线，研究深部煤层瓦斯赋存规律。

2 实 验

2.1 实验准备

在平煤股份一矿、四矿、五矿、八矿、十矿、十二矿、十三矿等7 对矿井，采集10 个试验煤样，煤样埋深分布范围为700 ～1 100 m。对采集到的煤样进行筛分，进行煤的工业分析、真密度、孔隙率等参数测定，将瓦斯吸附试验的煤样放入干燥箱中。实测实验煤样水分（Mad）、灰分（Ad）、挥发分（Vdaf）、真密度结果见表1。

表1 实验煤样煤质参数情况Table 1 Coal quality parameters of experimental coal samples

2.2 实验过程

实验仪器选用中煤科工集团沈阳研究院研制的WY-98A 型瓦斯吸附常数测定仪，吸附实验过程：将已筛分的煤样烘干4 h，选取25 g 装入吸附罐中，先在水浴60℃下脱气4 h，脱气结束后，水浴温度降到30℃时，再进行甲烷吸附，吸附压力由低到高设置7 个点，第1 ～2 点每点需吸附7 h，其余各点吸附4 h，整个试验运行时间约38 h。吸附压力点位设定见表2。

表2 吸附压力情况Table 2 Adsorption pressure

2.3 实验结果

将采集到的10 个实验煤样，分别进行吸附实验，各吸附压力点位吸附瓦斯量见表3。

表3 各压力点位瓦斯吸附量Table 3 Gas adsorption capacity at each pressure point

由表3 可知，煤样在瓦斯等温高压吸附过程中，吸附实验的前期（第一点和第二点），吸附量快速增大，是吸附瓦斯量的主要组成部分，随着吸附压力的增大，瓦斯吸附量显著降低，在吸附压力第六点上时，衰减明显，缓慢达到饱和吸附量。

煤样完成吸附实验后得到瓦斯吸附曲线和吸附常数（a、b 值）。瓦斯吸附常数结果见表4，吸附曲线如图1、图2 所示。

图1 实验煤样吸附曲线1Fig.1 Adsorption curve 1 of experimental coal sample

图2 实验煤样吸附曲线2Fig.2 Adsorption curve 2 of experimental coal sample

表4 煤的甲烷吸附试验结果Table 4 Methane adsorption test results of coal

许多研究表明，煤层埋深到达一致深度后，瓦斯吸附量与其不再是简单的正相关关系，而是多重因素相互影响的结果[10]。煤样吸附实验结果，吸附常数a 的范围为18.911 ～29.842 m3/t，吸附常数b的范围为0.396 ～0.851 MPa-1，瓦斯吸附量和埋深没有明显正相关关系，这和前人研究成果一致。

由图1 ～图2 可以看出，实验煤样吸附曲线符合langmuir 吸附方程，同时不同采样地点煤样的吸附常数（a、b 值） 差距较大，且无规律可循。采集煤样中，1 号煤样瓦斯吸附量最大，为22.95 m3/t，3 号煤样瓦斯吸附量最小，为13.62 m3/t。吸附曲线表现为，同一温度条件下，伴随吸附瓦斯压力增大，吸附瓦斯量逐渐增大，瓦斯压力增大到一定程度时，吸附量显著降低，最终趋于吸附饱和，达到极限瓦斯吸附量。

平顶山矿区深部煤层瓦斯吸附量，吸附曲线呈现出开始吸附量急剧增大，随着压力增大，吸附量逐渐放缓，在吸附压力达到5 MPa 时，趋于饱和吸附量，达到吸附动平衡。实验煤样瓦斯吸附量与煤样的埋藏深度并无直接关系，而与煤样的煤质参数关系密切，特别是煤的挥发分（Vdaf），呈现出挥发分越高，吸附甲烷量越低的反比例关系。吸附阶段前期，在吸附压力点位的第一点（1.0 MPa） 和第二点（1.8 MPa），吸附瓦斯量较大，在饱和吸附量中占比超过70%，是煤层吸附瓦斯含量的主要部分，在实际生产中也是造成瓦斯灾害的重要原因，在很大程度上，决定煤与瓦斯突出灾害的强度。

3 结 论

（1） 实验结果表明，深部煤层瓦斯吸附曲线符合langmuir 吸附曲线方程。

（2） 在瓦斯吸附过程中，随着吸附压力增大，瓦斯吸附量急剧增加，然后吸附量明显降低，在吸附压力达到5 MPa 左右时，趋于饱和吸附量，逐渐达到吸附动平衡。平顶山矿区深部煤层，吸附压力达到1.8 MPa 时，吸附瓦斯量在饱和吸附量中占比超过70%，是煤层瓦斯含量主要组成部分，对矿井瓦斯灾害治理具有指导意义。

（3） 煤样挥发分是影响煤的瓦斯吸附性能的重要因素，存在煤的挥发分越大，甲烷吸附性能越小的反比关系。