王　軍

(煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016)

?

貧煤孔隙特征及其對瓦斯解吸的影響

王軍

(煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016)

為了研究貧煤孔結(jié)構(gòu)特征對瓦斯解吸規(guī)律的影響，采用低溫液氮吸附法針對5個貧煤煤樣的納米級(<100nm)孔隙結(jié)構(gòu)進行了分析。同時根據(jù)瓦斯解吸實驗，將實驗結(jié)果與煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征相結(jié)合，分析納米級孔隙結(jié)構(gòu)對煤體瓦斯解吸的影響。結(jié)果表明：貧煤的小孔(10～100nm)和微孔(<10nm)發(fā)育，微孔主要占據(jù)了孔隙的比表面積，決定瓦斯解吸特性，在相同平衡壓力條件下，瓦斯解吸量隨比表面積的增加而增加，呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系；孔比表面積是影響解吸量的主要因素，而孔容與瓦斯解吸量的關(guān)系不明顯。研究結(jié)果對煤礦瓦斯涌出量預(yù)測具有重要意義。

貧煤；孔隙特征；瓦斯解吸；低溫液氮吸附；比表面積；孔容

煤是一種多孔有機介質(zhì)，具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)[1-2]。煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征(如孔隙率、孔徑大小、比表面積等)直接影響煤體瓦斯在煤層中的流動性及滲透性，從而影響著煤層氣的吸附與運移。張小東等人的研究也表明，煤體瓦斯吸附性能與煤的成分和孔結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，且采用溶劑萃取法可以很好地改變煤的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附性能[3-5]。文獻[6]通過孔隙率和瓦斯壓力的測定，計算出了煤層中的游離瓦斯含量。文獻[7]以干煤樣為研究對象，在20MPa高壓下進行甲烷、二氧化碳、氮氣吸附實驗，結(jié)果表明，煤體內(nèi)部有大量的孔隙與煤體表面不連通，這類閉孔阻礙瓦斯的吸附和解吸。文獻[8]研究了不同變質(zhì)程度煤的孔徑分布及其對吸附常數(shù)的影響。煤的孔隙特性與煤的變質(zhì)程度、地應(yīng)力、破壞類型等因素有關(guān)。目前研究煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征的常用方法是低溫液氮吸附法[9]、壓汞法[10]、CT掃描及SEM。本文采用低溫液氮吸附法實驗測定煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征，同時根據(jù)瓦斯解吸實驗，將實驗結(jié)果與煤的納米級孔隙結(jié)構(gòu)相結(jié)合，對煤體瓦斯解吸規(guī)律進行分析和研究。研究結(jié)果對煤與瓦斯突出防治和煤層氣資源的開發(fā)均具有十分重要的意義[11-14]。

1　實驗煤樣

本次實驗用煤樣共5種，分別取自潤宏礦3號煤層、常村礦3號煤層、東曲礦9號煤層、官地礦3號煤層及沁水煤田鳳凰山礦9號煤層。將這些煤樣均制備成60～80目實驗用煤，其煤質(zhì)分析結(jié)果見表1。

2　實驗

2.1低溫氮氣吸附實驗

實驗采用美國Quantachrome 公司生產(chǎn)的AUTOSORB-6B/3B型全自動化學(xué)/物理吸附儀，對所選煤樣進行液氮吸附實驗。煤樣粒徑為0.20～0.25mm，實驗按照SY/T6154-1995 標(biāo)準(zhǔn)進行。液氮吸附實驗在77 K溫度下進行，相對壓力為0.050～0.995。

2.2瓦斯解吸實驗

實驗系統(tǒng)主要由真空單元、充氣單元、溫度控制單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元、吸附解吸單元以及氣體收集單元共6個單元組成，實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見文獻[15]。首先將煤樣(約100g)放置真空干燥箱中，在378K高溫下烘干2h，冷卻至室溫后放入煤樣罐中進行解吸實驗。實驗溫度設(shè)定為298K，將實驗系統(tǒng)連續(xù)抽真空8h，再充入甲烷氣體，不同煤樣的瓦斯吸附時間控制在12h左右，達(dá)到吸附平衡壓力后，開始瓦斯解吸，解吸時間不低于10h，直至瓦斯累計解吸量基本不再隨時間而變化(1h內(nèi)的解吸量小于0.01mL/g)，認(rèn)為該組解吸實驗結(jié)束。

3　實驗結(jié)果與討論

3.1低溫氮氣吸附結(jié)果

煤樣的液氮吸附實驗結(jié)果如表2所示。

表2　煤樣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

從表中可以看出，各貧煤煤樣的納米級孔容、孔隙比表面積均變化較大。其中納米級孔容的變化范圍為16.89×10-7～61.33×10-7m3/g，孔隙比表面積范圍為0.58～2.26m2/g，3號煤樣的納米級孔容及孔隙比表面積均最大。各煤樣的比表面積和孔容占比情況見表3，由表3可知，微孔孔容占比均小于9%，而微孔比表面積占比基本大于80%，這說明在貧煤的各類孔隙中，微孔主要占據(jù)了納米級比表面積，而小孔則主要占據(jù)孔容。眾所周知，瓦斯吸附解吸主要發(fā)生在孔隙表面上，因此微孔可能對煤體瓦斯吸附解吸特性有重要影響。

表3　比表面積和孔容占比情況

3.2瓦斯解吸實驗結(jié)果

不同吸附壓力下的瓦斯解吸實驗結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，不同煤樣的瓦斯解吸特性差異顯著。在各平衡壓力下，煤樣瓦斯解吸量大小依次為：3號>1號>4號>5號>2號。這種差異可能與各煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。此外，從圖1還可以看出，壓力對煤體瓦斯解吸特性也具有顯著影響。相同條件下，平衡壓力越大，解吸量越大。

圖1　各煤樣不同吸附壓力下的解吸曲線

3.3孔隙結(jié)構(gòu)對瓦斯解吸的影響

圖2為煤樣納米級孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與瓦斯解吸的關(guān)系。由圖2可知，在各平衡壓力下，煤體瓦斯解吸量隨納米級比表面積的增加而呈線性增加，相關(guān)系數(shù)R2均在0.90以上，呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系；當(dāng)平衡壓力分別為0.5MPa，1.0MPa和1.5MPa時，對應(yīng)的擬合直線的斜率分別為4.0371，3.1511和2.3711(圖2(a))，這說明當(dāng)平衡壓力升高時，解吸量隨比表面積線性遞增的趨勢減緩。而孔容與解吸量之間的關(guān)系不明顯，如圖2(b)所示。這說明，在納米級孔隙比表面積和孔容這兩個因素中，孔隙比表面積是影響解吸量的主要因素?？紫侗缺砻嬖酱?，吸附位點越多，吸附能力也就越強，解吸出來的瓦斯也就越多。

圖2　孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對瓦斯解吸的影響

4　結(jié)　 論

(1)對不同吸附壓力下的5種貧煤煤樣瓦斯解吸特性進行了測試，實驗得出不同煤樣的瓦斯解吸能力差異顯著，在各平衡壓力下，煤樣瓦斯解吸量大小依次為：3號>1號>4號>5號>2號。這種差異可能與各煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(2)低溫液氮吸附實驗表明，在貧煤的各類孔隙中，微孔主要占據(jù)了納米級比表面積，而小孔則主要占據(jù)孔容。

(3)分析了納米級孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對瓦斯解吸特

性的影響，得出納米級孔隙比表面積是影響解吸量的主要因素?？紫侗缺砻嬖酱?，吸附位點越多，吸附能力也就越強，解吸出來的瓦斯也就越多。

[1]姜黎明，張浪，汪東，等.加壓速率對不同變質(zhì)程度煤吸附性能的影響研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：17-19.

[2]傅雪海，秦勇，薛秀謙，等.煤儲層孔、裂隙系統(tǒng)分形研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，30(3)：225-228.

[3]張小東，張鵬.不同煤級煤分級萃取后的XRD結(jié)構(gòu)特征及其演化機理[J].煤炭學(xué)報，2014，39(5)：941-946.

[4]Dutta P.，Bhowmik S.，S.Das.Methane and carbon dioxide sorption on a set of coals from India[J].Int.J.Coal Geol，2011(85):289-299.

[5]李文軍，焦子陽，劉麗麗，等.甲醇萃取對大雁褐煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2009，32(4)：5-7.

[6]韓軍，張宏偉，霍丙杰.向斜構(gòu)造煤與瓦斯突出機制探討[J].煤炭學(xué)報，2008，33(8)：908-913.

[7]Sakurovs R.，Day S.，Weir S.Relationships between the critical properties of gases and their high pressure sorption behavior on coals[J].Energy & Fuels，2010(24):1781-1787.

[8]Jia H.J，Li Z.H.，Peng Y.J.，et al.Pore structures and methane sorption characteristics of coal after extraction with tetrahydrofuran[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering，2014(19):287-294.

[9]宋曉夏，唐躍剛，李偉，等.中梁山南礦構(gòu)造煤吸附孔分形特征[J].煤炭學(xué)報，2013，38(1)：134-139.

[10]降文萍，宋孝忠，鐘玲文.基于低溫液氮實驗的不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔隙特征及其對瓦斯突出影響[J].煤炭學(xué)報，2011，36(4)：609-614.

[11]張宏偉，李勝.煤與瓦斯突出危險性的模式識別和概率預(yù)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(19)：3577-3581.

[12]劉高峰，張子戌，張小東，等.氣肥煤與焦煤的孔隙分布規(guī)律及其吸附-解吸特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(8)：1588-1592.

[13]蔣雨辰，何濤，郭海軍.煤層吸附解吸規(guī)律及局部突出預(yù)測敏感指標(biāo)研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：95-98.

[14]黃致鵬，魏國營.全煤巷道順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度研究[J].煤礦開采，2016，21(1)：101-104.

[15]聶百勝，柳先鋒，郭建華，等.水分對煤體瓦斯解吸擴散的影響[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，44(5)：781-787.

[責(zé)任編輯：施紅霞]

Porosity Characters of Lean Coal and It’s Influence for Methane Desorption

WANG Jun

(CCTEG Shenyang Research Institute，Shenyang 110016，China)

In order to study the influence that porosity character of lean coal to methane desorption law，then nanoscale(<100 nm) porosity structure of five lean coal sample were analyzed by low temperature liquid nitrogen adsorption.According methane desorption experiment at the same time，the influence that nanoscale porosity structure to coal methane desorption was analyzed based experimental results and coal porosity characters.The results showed that the samll pore(10～100nm) and micro pore(<10nm) developed in lean coal，micro pores principal occupied specific surface area of porosity，and methane desorption was decided by it.Under the same balance pressure situation，methane desorption amount increases with specific surface area increases，present a preferable linear relation.Porosity specific surface area is the main factor that influenced desorption，but the relation between pore volume and methane desorption was unconspicuous.The results could referenced for coal mine methane emission quantity.

lean coal；porosity character；methane desorption；low temperature liquid nitrogen adsorption；specific surface area；pore volume

2016-03-28

國家自然科學(xué)基金面上項目(51374216)

王軍(1982-)，男，山西和順人，在讀碩士，高級工程師，研究方向為礦井瓦斯涌出量預(yù)測、礦井瓦斯防治等。

TD712

A

1006-6225(2016)05-0092-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.026

[引用格式]王軍.貧煤孔隙特征及其對瓦斯解吸的影響[J].煤礦開采，2016，21(5)：92-94.