王 軍

(煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016)

煤體表面分形對(duì)瓦斯吸附影響

王 軍

(煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016)

以8種不同變質(zhì)程度煤樣為研究對(duì)象，采用高壓容量法和低壓氮?dú)馕降葘?shí)驗(yàn)手段，對(duì)煤樣表面分形特征及吸附性能進(jìn)行了分析，并利用FHH方程計(jì)算得到了煤樣表面分形維數(shù)。研究結(jié)果表明：不同煤樣瓦斯吸附能力差異顯著，煤體表面分形對(duì)氣體吸附具有重要影響；隨著煤化程度的增加，分形維數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的U型曲線。

煤表面；分形特征；瓦斯吸附；氮?dú)馕?/p>

煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中存在著大量的孔隙、裂隙，大到斷層、層理等宏觀裂隙，小到分子或原子的微觀缺陷，形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而能夠吸附瓦斯氣體[1]。隨著我國(guó)煤礦進(jìn)入深部開采，地應(yīng)力、瓦斯壓力和瓦斯含量不斷增高，煤巖動(dòng)力災(zāi)害頻次、強(qiáng)度和破壞程度均呈上升趨勢(shì)[2-3]。煤中瓦斯同時(shí)以吸附態(tài)和游離態(tài)存在，煤體瓦斯吸附過程主要為物理吸附，影響其瓦斯吸附能力的因素有很多(溫度、水分、變質(zhì)程度、孔隙結(jié)構(gòu)等)[4]，目前關(guān)于煤體表面分形對(duì)瓦斯吸附影響的研究還不夠充分，因此，研究煤的表面分形特征對(duì)于完善瓦斯吸附機(jī)理具有重要指導(dǎo)意義。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者在孔隙結(jié)構(gòu)表征和瓦斯吸附方面開展了大量的研究工作。文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳含量是影響山西組頁巖吸附能力的主要因素；文獻(xiàn)[6]認(rèn)為煤階越高，煤體表面越粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且大孔較小孔擁有更大的分形維數(shù)；文獻(xiàn)[7] 分析了構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)分形特征與瓦斯吸附之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)糜棱煤微孔隙形態(tài)最為復(fù)雜，比表面積最大，吸附能力最強(qiáng)；文獻(xiàn)[8]從理論和實(shí)驗(yàn)角度分析了頁巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)可以很好地描述孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，分形維數(shù)越大，氣體吸附能力也就越強(qiáng)，且相較于中孔和大孔，頁巖表面分形維數(shù)受微孔的影響更大；文獻(xiàn)[9]以中高階煤儲(chǔ)層為研究對(duì)象，基于SEM圖像分析了煤體的孔隙分布分形特征。

本文針對(duì)8個(gè)不同變質(zhì)程度煤樣，采用低壓氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)研究了各煤樣的表面分形特性，并結(jié)合工業(yè)分析和瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了煤表面分形維數(shù)對(duì)瓦斯吸附的影響。研究結(jié)果可為煤礦瓦斯治理、煤巖動(dòng)力災(zāi)害防治等提供指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)采集不同礦區(qū)、各種煤階的原煤煤樣，煤樣以塊狀為主，采樣方法遵循國(guó)標(biāo)GB/T482-2008，所有新鮮煤樣采集好后立即裝入采樣袋內(nèi)進(jìn)行密封并送至實(shí)驗(yàn)室。取樣完成后，將煤樣粉碎、研磨和篩分，經(jīng)真空干燥后儲(chǔ)存?zhèn)溆?。選取粒徑為0.074～0.200mm各煤樣約10g進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

表1 煤樣工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果 /%

采用低壓氮?dú)馕椒▽?duì)所選煤樣進(jìn)行氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，所用物理吸附儀型號(hào)為美國(guó)康塔公司生產(chǎn)的Autosorb-6B/3B。首先將煤樣放入脫氣站加熱出去雜質(zhì)，該過程大約需3h，然后將除雜后的煤樣放入分析站進(jìn)行氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，吸附實(shí)驗(yàn)在77K的低溫下進(jìn)行，相對(duì)壓力在0.050～0.995之間，實(shí)驗(yàn)遵照ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

為分析不同煤樣瓦斯吸附能力的差異，對(duì)所選煤樣進(jìn)行瓦斯等溫吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用高壓容積吸附法，按照MT/T752-1997標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括吸附單元、溫度控制單元、真空單元、充氣單元以及數(shù)據(jù)采集與處理單元。每次實(shí)驗(yàn)需要約100g ，粒徑為60～80目(0.20～0.25mm)之間的煤樣。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可簡(jiǎn)單概括為：首先將煤樣放入真空恒溫干燥箱，在373K高溫下烘干5h，冷卻至室溫后，將煤樣放入樣品罐中進(jìn)行抽真空，整個(gè)過程溫度設(shè)定為303K，大約需8h。真空抽取完成后，按照設(shè)定的壓力向樣品罐中充入甲烷氣體(甲烷純度為99.99%)，根據(jù)Langmuir方程(如式(1)所示)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求得VL和PL。

(1)

式中，VL為L(zhǎng)angmuir體積，代表煤樣最大單分子層吸附能力；PL為L(zhǎng)angmuir壓力，代表吸附量達(dá)到Langmuir體積一半時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力，反應(yīng)煤樣氣體吸附難易程度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 煤樣表面分形特征

分形已經(jīng)成為分析固體表面、孔結(jié)構(gòu)特征的一種強(qiáng)有力的工具，分形理論創(chuàng)立于20世紀(jì)70年代，目前已發(fā)展出了多種不同的分形維數(shù)，如拓?fù)渚S、Hausdorff維、自相似維、關(guān)聯(lián)維和信息維等[10]。本文根據(jù)低壓氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果，采用FHH方法來計(jì)算煤體表面分形特征：

(2)

式中，V為在平衡壓力P下的氣體吸附量；Vm為單分子層覆蓋量；A為擬合直線斜率，與分形相關(guān)；P0為氣體飽和蒸汽壓；C為擬合得到的常數(shù)。

分形維數(shù)的計(jì)算通常有2種方法，即式(3)和(4)，但對(duì)于煤和頁巖而言，式(3)的計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況[6,8]，因此本文采用式(3)來計(jì)算分形維數(shù)。

D=A+3

(3)

D=3A+3

(4)

本文以九里山煤樣為例來說明煤樣表面分形計(jì)算過程(圖1)，擬合度較高(R2>0.97)，說明利用FHH方程計(jì)算煤體表面分形是可信的。各煤樣的分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖2，可以看出，分維數(shù)的變化范圍為2.32～2.82，根據(jù)樣品分維值大小可知，不同煤樣因其變質(zhì)程度不同，煤孔隙表面的粗糙程度有所差異，進(jìn)而導(dǎo)致分形維數(shù)不同。通過分析變質(zhì)程度(Vdaf)和分形維數(shù)(D)的關(guān)系可以看出，所選煤樣變質(zhì)程度對(duì)煤表面分形有顯著影響，D隨變質(zhì)程度增加而呈現(xiàn)先逐漸減小后顯著增加的U型曲線(圖2)。所選煤樣隨著變質(zhì)程度的升高，煤大分子的縮聚作用加強(qiáng)，煤體表面的孔隙裂隙減少，煤表面變得相對(duì)光滑；隨著煤化作用的進(jìn)一步加劇，由縮聚作用產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力也會(huì)急劇增加，當(dāng)應(yīng)力超過煤體強(qiáng)度時(shí)，煤體內(nèi)部開始出現(xiàn)大量的微裂紋，從而使得孔隙結(jié)構(gòu)變得日趨復(fù)雜。

圖1 九里山煤樣表面分形維數(shù)計(jì)算過程

圖2 各煤樣表面分形維數(shù)

2.2 瓦斯吸附特性

各煤樣的瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示， Langmuir擬合參數(shù)見表2。從圖3和表2可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Langmuir方程的擬合效果很好(R2>0.98)，這說明Langmuir方程描述煤體瓦斯吸附是合理、可信的。不同煤樣的瓦斯吸附能力及吸附難易程度具有顯著差異性，8種煤樣的VL值在41.85～23.66mL/g之間，PL值在0.61～1.72MPa之間。所選煤樣瓦斯吸附等溫線在低壓段(<2MPa)增長(zhǎng)迅速，而在高壓段(>2MPa)增長(zhǎng)緩慢。

圖3 各煤樣的瓦斯吸附等溫線

煤樣編號(hào)相關(guān)系數(shù)R2VL/(mL·g-1)PL/MPaJLS0.980841.850.61DSC0.994936.630.69XJ0.996835.760.90PM80.999927.610.93SY0.996626.881.40WZ0.999023.661.72ML0.998624.521.64PM20.995727.031.51

2.3 分形維數(shù)對(duì)瓦斯吸附的影響

煤的表面分形對(duì)瓦斯吸附具有顯著影響，根據(jù)煤的吸附參數(shù)與分形維數(shù)關(guān)系(圖4和5)可知，隨分形維數(shù)D增大，VL呈線性增加，而PL逐漸減小，這說明煤的分形維數(shù)越大，吸附能力越強(qiáng)。

圖4 分形維數(shù)對(duì)VL的影響

由于PL代表了當(dāng)吸附體積達(dá)到了最大吸附量1/2時(shí)的吸附壓力，煤體在低壓段的吸附能力會(huì)直接影響PL的大小，分形維數(shù)越大越利于低壓段的瓦斯吸附，即快速吸附瓦斯。分形維數(shù)是孔隙結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度與復(fù)雜程度的綜合反映，煤體分形維數(shù)越大，其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，表面越粗糙，提供的吸附位點(diǎn)也就越多。

圖5 分形維數(shù)對(duì)PL的影響

3 結(jié) 論

(1)采用容積法測(cè)試了8種不同煤樣的瓦斯吸附能力，并利用Langmuir 方程進(jìn)行了擬合，各煤樣的瓦斯吸附能力差異顯著。

(2)煤體表面具有明顯的分形特征，運(yùn)用FHH方程計(jì)算得到了各煤樣表面分形維數(shù)；隨變質(zhì)程度的增加，分形維數(shù)呈現(xiàn)先逐漸減小后顯著增大的U型曲線。

(3)分形維數(shù)是孔隙結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度與復(fù)雜程度的綜合反映，分形維數(shù)越大越利于低壓段的瓦斯吸附，即快速吸附瓦斯；本文僅選取了8個(gè)樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，今后將選取更多煤階的煤樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，使研究結(jié)果更具代表性。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

Influence of Gas Absorption by Coal Body Surface Fractal

WANG Jun

(CCTEG Shenyang Research Institute，Shenyang 110016，China)

It taking eight kinds different metamorphic degree coal sample as studying objects，some laboratory methods as high pressure volumetric method and low pressure nitrogen absorption were applied，coal surface fractal characters and absorption property of coal sample were analyzed，then fractal dimension of coal sample were obtained by FHH function.The results showed that gas absorption ability of different coal sample were different obviously，gas absorption was influenced by coal surface fractal obviously，with coal rank increased，fractal dimension presented climb up and then decline as U-shaped relationship.

coal surface；fractal character；gas absorption；nitrogen absorption

2016-12-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.003

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51374216)

王 軍(1982-)，男，山西和順人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈V井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、礦井瓦斯防治等。

王 軍.煤體表面分形對(duì)瓦斯吸附影響[J].煤礦開采，2017，22(3)：9-11.

TD712

A

1006-6225(2017)03-0009-04