宋亞偉，楊勝強(qiáng)，楊 鍇

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

近年來，煤礦開采深度逐漸增加，開采強(qiáng)度逐漸增大，煤礦開采環(huán)境越來越復(fù)雜，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖瓦斯動力災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1-2]。煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果，其中瓦斯在突出過程中起動力作用，是突出發(fā)生的重要因素[3-4]。因此，研究煤體對瓦斯的吸附、解吸特征對防止瓦斯突出事故具有重要的意義。目前，眾多學(xué)者對不同條件下煤體對瓦斯的吸附、解吸特征進(jìn)行了大量研究。李樹剛等研究了不同粒度條件下型煤孔隙結(jié)構(gòu)特征、瓦斯吸附特性規(guī)律及其相關(guān)關(guān)系[5]；劉震等研究了水分對煤體瓦斯吸附及徑向滲流的影響[6]；嚴(yán)敏等探究了溫度效應(yīng)對煤層瓦斯吸附、解吸特性的影響[7]。

由于我國煤礦礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜[8]，煤體可能會受到不同程度浸水作用的影響，部分礦區(qū)的煤體經(jīng)歷長期浸泡和風(fēng)干，時長達(dá)到幾十天甚至數(shù)月，其瓦斯吸附特性及煤體微觀結(jié)構(gòu)勢必會發(fā)生變化[9]。前人對長期浸水風(fēng)干條件下煤體對瓦斯吸附、解吸規(guī)律的研究較少。筆者選取未浸水的原煤樣和浸水15 d、1個月、3個月、5個月的風(fēng)干煤樣，研究長期浸水風(fēng)干煤對瓦斯的吸附解吸規(guī)律，以及煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化，以期對井下長期浸水風(fēng)干煤的瓦斯動力災(zāi)害防治提供借鑒及理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 煤樣制備

煤樣選自安徽宿州錢營孜煤礦W3225工作面，將現(xiàn)場采集的新鮮煤樣及時密封并送至實(shí)驗(yàn)室。通過研磨機(jī)和振動篩分別篩出粒徑為0.17～0.25 mm的煤粉，置于4個玻璃瓶中，按照水煤質(zhì)量比8∶1分別加入蒸餾水，攪拌均勻后浸泡，浸泡時間分別為 15 d、1個月、3個月和5個月。浸泡結(jié)束后，將浸水煤樣和原煤樣置于室溫條件下風(fēng)干并封存?zhèn)溆谩Ｃ簶拥墓I(yè)性分析結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣的工業(yè)性分析結(jié)果

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有高溫高壓氣體吸附儀和全自動比表面積分析儀，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.2.1 瓦斯氣體吸附、解吸實(shí)驗(yàn)

吸附實(shí)驗(yàn)采用H-Sorb 2600系列高溫高壓氣體吸附儀，包括預(yù)處理系統(tǒng)和吸脫附實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)開始前，打開氮?dú)?、氦氣和甲?種氣瓶的閥門；每次實(shí)驗(yàn)需要4 g煤樣，裝入樣品預(yù)處理區(qū)的不銹鋼容器內(nèi)，在107 ℃下將煤樣真空干燥8 h并稱重；等待氣體溫度降至室溫，隨后取出不銹鋼容器并用差值法計(jì)算煤樣預(yù)處理后的質(zhì)量；將裝有煤樣的不銹鋼容器接入樣品測試區(qū)，進(jìn)行吸脫附等溫線測試，并設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，按照推薦取值，最大壓力設(shè)置為 5 MPa[10]，控溫方式設(shè)置為不控溫，充抽氣方式設(shè)置為智能計(jì)算。吸脫附實(shí)驗(yàn)為自動進(jìn)行，在儀器箱體內(nèi)充有一定體積的甲烷，部分甲烷氣體被吸附，部分甲烷氣體仍以游離狀態(tài)處于剩余氣體之中，此時儀器箱體內(nèi)氣體壓力達(dá)到平衡，將充入儀器箱體內(nèi)的甲烷氣體的體積減去游離甲烷氣體的體積，即為吸附甲烷體積。在每個平衡壓力區(qū)間均重復(fù)上述測定步驟，可得到各壓力段的平衡壓力與吸附甲烷體積，連接起來即為甲烷吸附等溫線。當(dāng)氣體壓力達(dá)到 5 MPa 時開始解吸甲烷氣體，直到氣體壓力降至最低平衡壓力點(diǎn)時，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.2.2 比表面積、孔徑、孔容積測試

實(shí)驗(yàn)采用全自動比表面積分析儀，分別測定經(jīng)過浸水風(fēng)干后和原煤煤樣的孔隙變化情況。首先確保氣瓶處于打開狀態(tài)，然后打開監(jiān)測系統(tǒng)和真空泵，最后啟動分析儀。選用精度為0.1 mg的天平對空管進(jìn)行稱重，并將空管放入測量管中進(jìn)行脫氣，脫氣后再對測量管和煤樣進(jìn)行稱重，測量管和煤樣的質(zhì)量即為煤樣干質(zhì)量；安裝稱重后的樣品管，打開微抽閥門將樣品管抽真空至6.666 kPa以下，然后打開快抽閥門；由于被測物質(zhì)是煤，故設(shè)置溫度為105 ℃并持續(xù)加熱8 h，在充分烘干水氣的同時降低煤樣氧化的程度，待樣品管充分冷卻后充氣，結(jié)束脫氣過程；將脫氣后的樣品裝到分析A站測量煤樣微孔；在軟件Qswin內(nèi)設(shè)置相關(guān)參數(shù)開始測量。測試結(jié)束后等待樣品管升溫到室溫才可以取下樣品管。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 長期浸水風(fēng)干煤等溫瓦斯吸附量的變化規(guī)律

2.1.1 長期浸水風(fēng)干煤樣等溫吸附曲線

煤樣累計(jì)瓦斯吸附量隨壓力的變化情況見圖2。

圖2 長期浸水風(fēng)干煤樣的等溫吸附曲線

由圖2可知，隨著浸水時間的增加，煤樣累計(jì)瓦斯吸附量先減小后增大，15 d浸水條件下煤樣對瓦斯吸附量最低，且1個月、3個月、5個月浸水風(fēng)干煤的瓦斯吸附量均大于未浸水煤。隨著浸水時間的增加，煤樣累計(jì)瓦斯吸附量依次為12.10、10.75、12.51、13.30、14.30 cm3/g。由此可知，浸水時間是一個非常關(guān)鍵的指標(biāo)，直接影響煤樣瓦斯吸附量的大小。對于未浸水煤樣，在平衡壓力增加的初期，累計(jì)瓦斯吸附量增長較快，而在平衡壓力增加的后期，累計(jì)瓦斯吸附量增長緩慢，趨于平緩。不同浸水時間條件下煤樣的瓦斯等溫吸附曲線變化規(guī)律與未浸水煤樣具有相似的特征，都是隨著平衡壓力的增加，瓦斯吸附量的增加幅度逐漸減小。

2.1.2 長期浸水風(fēng)干煤樣Langmuir擬合曲線

圖3 長期浸水風(fēng)干煤樣的Langmuir擬合曲線

由圖3可知，不同浸水時間條件下風(fēng)干煤的Langmuir擬合曲線均接近直線型，且斜率為正值。

根據(jù)Langmuir方程的擬合結(jié)果求得VL、pL，如表2所示。

表2 長期浸水風(fēng)干煤樣數(shù)據(jù)線性擬合度及VL、pL值

由表2可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Langmuir方程的擬合度較好，均大于0.993，表明用Langmuir方程表示煤樣瓦斯吸附量是準(zhǔn)確可信的。VL代表最大瓦斯吸附量，隨著浸水時間的增加，煤樣對瓦斯的最大吸附量先減小后增大，對瓦斯的吸附效果先減弱后逐漸增強(qiáng)。對于煤的表面積而言，煤樣的外表面積較小，煤對瓦斯的吸附主要是依靠其較大的內(nèi)表面積，在范德華力作用下，氣體有被吸附到煤樣內(nèi)表面的趨勢[11]。Langmuir壓力pL可以反映煤樣內(nèi)表面對氣體的吸附能力，其數(shù)值越大，則吸附能力越小。隨著浸水時間的增加，Langmuir壓力pL先增大后逐漸減小，其中最大值出現(xiàn)于浸水15 d的風(fēng)干煤，隨后由 1個月浸水條件下開始逐漸降低，說明在1個月、3個月、5個月浸水時間條件下煤內(nèi)表面對瓦斯的吸附能力逐漸增強(qiáng)。

2.2 長期浸水風(fēng)干煤瓦斯解吸規(guī)律的研究

瓦斯解吸過程通過分階段實(shí)現(xiàn)，平衡壓力點(diǎn)按照吸附儀推薦取值，當(dāng)達(dá)到最高吸附平衡點(diǎn)5 MPa后，即進(jìn)入瓦斯解吸階段[12]。實(shí)驗(yàn)中不同平衡壓力階段下煤樣的瓦斯吸附、解吸過程如圖4所示。

(a)未浸水煤

(b)15 d浸水風(fēng)干煤

(c)1個月浸水風(fēng)干煤

(d)3個月浸水風(fēng)干煤

(e)5個月浸水風(fēng)干煤圖4 長期浸水風(fēng)干煤樣累計(jì)瓦斯解吸量隨時間變化曲線

由圖4可知，隨著解吸時間的增加，煤樣累計(jì)瓦斯解吸量逐漸增加。隨著浸水時間的增加，瓦斯解吸量先減小后增大，其中在15 d浸水條件下累計(jì)瓦斯解吸量最低，從1個月到第5個月浸水條件下累計(jì)瓦斯解吸量呈逐漸增加的趨勢。瓦斯的解吸量與吸附量呈正相關(guān)的關(guān)系，瓦斯的吸附量越大，相應(yīng)的解吸量也越大。

煤與瓦斯突出是指在很短的時間內(nèi)，由煤體向巷道或采場突然噴出大量的瓦斯及碎煤，能引起嚴(yán)重傷亡事故[13]。長期浸水煤在由前一個平衡解吸壓力點(diǎn)到下一個平衡解吸壓力點(diǎn)的過程中，在初始階段，瓦斯解吸速度會更大，這符合煤層中瓦斯釋放的規(guī)律[14]。因此，在實(shí)驗(yàn)室研究初期煤體瓦斯解吸能力隨時間變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，截取5種不同浸水時間條件下風(fēng)干煤樣20 min內(nèi)的瓦斯解吸量與時間的關(guān)系。

采用初期解吸率描述長期浸水條件下風(fēng)干煤樣在初期的瓦斯解吸能力，其計(jì)算公式如下：

η=V/Qt

(1)

式中：η為煤樣瓦斯初期解吸率；V為20 min內(nèi)風(fēng)干煤樣的瓦斯解吸量，cm3/g；Qt為煤樣達(dá)到吸附平衡時的瓦斯量，cm3/g[15]。

不同浸水時間條件下風(fēng)干煤樣瓦斯初期解吸率如表3所示。

表3 不同浸水時間條件下風(fēng)干煤樣瓦斯初期解吸率

由表3可知，各煤樣20 min內(nèi)的瓦斯初期解吸率較高，均大于60%，在某些情況下瓦斯初期解吸率甚至達(dá)到了80%～90%，表明煤樣可以在較短時間內(nèi)解吸出瓦斯。另外，由表3可以看出15 d浸水風(fēng)干煤樣的瓦斯初期解吸率整體上大于未浸水、1個月、3個月、5個月浸水風(fēng)干煤樣的瓦斯初期解吸率，這與解吸量的變化趨勢是相反的。由此可知，隨著浸水時間的增加，瓦斯解吸能力先增加后逐漸減小，在煤礦生產(chǎn)或瓦斯抽采過程中，長期浸水風(fēng)干煤樣的吸附瓦斯不易解吸，因此需要采取必要的措施改變煤體的結(jié)構(gòu)特性，以利于煤層瓦斯的釋放和卸壓。

2.3 長期浸水風(fēng)干煤孔隙結(jié)構(gòu)分布特征

由實(shí)驗(yàn)煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)和煤樣瓦斯吸附數(shù)據(jù)可知，隨浸水時間的增加，煤樣瓦斯吸附量先減小后增加，水分逐漸增大，而灰分逐漸減小。煤中灰分大多為無機(jī)物質(zhì)，灰分減小是由于在浸水過程中煤樣中大量的無機(jī)物質(zhì)溶解在水中而導(dǎo)致的，而在溶解作用下煤樣內(nèi)部會有明顯的“擴(kuò)孔”和“增孔”現(xiàn)象[16]，這種現(xiàn)象會對煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響，因此研究不同浸水時間條件下風(fēng)干煤的孔隙結(jié)構(gòu)變化，可對煤樣吸附瓦斯能力產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行更好地解釋和說明。

比表面積、孔徑及孔容積是反映煤樣孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的重要參數(shù)，其特征變化可反映出煤樣孔隙結(jié)構(gòu)對氣體吸附的影響[5]。在等溫條件(77 K)下，通過比表面積及孔徑分析儀測定不同壓力條件下煤樣對液氮的吸附量，可得到液氮的等溫吸附曲線。再推算煤樣的比表面積、孔容積和孔徑分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同浸水時間條件下風(fēng)干煤樣孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征

由表4可知，浸水風(fēng)干煤樣的BET平均孔徑相對未浸水原煤樣都有不同程度的增大，且5個月浸水風(fēng)干煤樣的BET平均孔徑最大，這說明長期浸水后煤樣的孔徑總體上呈增大式發(fā)育。浸水時間增加會促進(jìn)孔體積的增大，表現(xiàn)為BJH累計(jì)孔容積逐漸增大，這是由于浸水過程的變化主要表現(xiàn)為孔隙的膨脹和孔隙的合并，水對煤樣的溶脹作用促進(jìn)了煤孔隙容積的增大，即水對煤樣具有“擴(kuò)孔”作用[16]。BET比表面積測試結(jié)果表明，隨著浸水時間的增加，比表面積先減小后增大，在15 d浸水條件下煤樣的比表面積最小，與2.1節(jié)中15 d浸水風(fēng)干煤瓦斯吸附量最小的結(jié)果相吻合；從1個月開始，浸水時間越長，煤體的BET比表面積數(shù)值也越大，這也從側(cè)面表明長期浸水煤具有較多的吸附空間，可以吸附更多的氣體。

微孔及小孔的多少是衡量煤層儲氣能力的關(guān)鍵參數(shù)。按照IUPCA國際標(biāo)準(zhǔn)固體表面孔隙分類方法，將煤體表面的孔隙分為3類：微孔，孔徑小于 2 nm；介孔，孔徑為2～50 nm；大孔，孔徑大于 50 nm。通過液氮吸附比表面積測試實(shí)驗(yàn)，采用BJH法對未浸水煤樣和長期浸水風(fēng)干煤樣孔的分布及數(shù)量進(jìn)行分析。不同浸水時間條件下風(fēng)干煤樣BJH孔隙數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 不同浸水時間條件下風(fēng)干煤樣孔隙數(shù)據(jù)

由表5可知，由未浸水煤樣到5個月浸水風(fēng)干煤樣，煤樣的微孔占比先降低后不斷升高，介孔和大孔的占比則有著相反的趨勢。同時隨著浸水時間的增加，微孔比表面積也有著先減小后增大的趨勢?？紫督Y(jié)構(gòu)變化趨勢也進(jìn)一步驗(yàn)證了瓦斯吸附量的變化規(guī)律是準(zhǔn)確可靠的。

由表4可知，各煤樣的平均孔徑隨浸水時間的增加呈增大趨勢，這正是浸水對煤樣起擴(kuò)孔作用導(dǎo)致的，這與表5中微孔先減小后增大的變化趨勢相互矛盾。根據(jù)文獻(xiàn)可知，煤孔隙的形態(tài)分為封閉孔隙和有效孔隙，封閉孔隙無法通過實(shí)驗(yàn)手段測試出來[16]，通過煤樣的工業(yè)性分析結(jié)果中灰分的變化情況推測在長期浸水條件下煤樣能打開更多的封閉孔隙。即使浸水作用使得微孔向介孔發(fā)育，但更多被打開的封閉孔隙會導(dǎo)致微孔占比和微孔比表面積出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。未浸水煤相較于15 d浸水煤結(jié)構(gòu)的變化，主要是擴(kuò)孔起主要作用，而在1個月、3個月、5個月浸水過程中，“擴(kuò)孔”產(chǎn)生的減小微孔占比的作用要弱于“增孔”產(chǎn)生的增加微孔占比的作用。由于受實(shí)驗(yàn)手段的限制，這一方面的研究還不夠深入，需要加大研究力度。

3 結(jié)論

1)煤樣對瓦斯的累計(jì)吸附量隨著平衡壓力的增加而不斷增加，且隨著浸水時間的增加，累計(jì)瓦斯吸附量先減小后增大。且未浸水煤樣和不同浸水時間條件下煤樣的瓦斯等溫吸附曲線變化規(guī)律具有相似的特征，都是隨著平衡壓力的增大，瓦斯吸附量的增加幅度逐漸減小。

2)未浸水煤樣和長期浸水煤樣瓦斯等溫吸附曲線按照Langmuir方程進(jìn)行擬合，擬合度較好，線性擬合度均大于0.993。隨著浸水時間的增加，煤樣對瓦斯的最大吸附量VL先減小后增大，而Langmuir壓力pL先增大后減小，煤樣內(nèi)表面對瓦斯的吸附能力先減弱后增強(qiáng)。

3)隨著解吸時間的增加，煤樣累計(jì)瓦斯解吸量逐漸增加。隨著浸水時間的增加，煤樣瓦斯解吸量先減小后逐漸增大。采用初期解吸率描述長期浸水條件下風(fēng)干煤樣在初期的瓦斯解吸能力，發(fā)現(xiàn)隨著浸水時間的增加，煤樣瓦斯初期解吸率先增高后逐漸降低，瓦斯解吸能力先增大后逐漸減小。

4)通過比表面積及孔徑分析儀測定不同壓力條件下煤樣對液氮的吸附量，并推算出煤樣的比表面積、孔容積和孔徑分布，發(fā)現(xiàn)隨著浸水時間的增加，煤樣的BET平均孔徑和BJH累計(jì)孔容積逐漸增大，BET比表面積呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。同時，煤樣的微孔占比和微孔比表面積隨著浸水時間的增加，均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，這主要與浸水過程中的“擴(kuò)孔”作用和封閉孔隙被打開導(dǎo)致的“增孔”作用的相互作用有關(guān)。