西山煤田焦煤孔隙结构对瓦斯解吸的影响研究.docx

? ? 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 struct