水分影響下的煙煤瓦斯吸附特性

秦興林

(煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016)

瓦斯是在成煤過程中伴隨產生的，大量瓦斯以游離態(tài)和吸附態(tài)儲存在煤的孔隙、裂隙中，且以吸附態(tài)為主[1-3]。煤礦瓦斯的有效抽采，一方面不僅可以減少瓦斯事故發(fā)生率，另一方面瓦斯作為高效潔凈能源可以加以利用。當前，低透煤層在我國廣泛分布，由于煤層透氣性差，不利于瓦斯運移，從而影響瓦斯抽放效果[4-5]。為解決這一問題，需要增強煤層的透氣性。目前煤層增透技術的方法主要有：高壓水射流擴孔增透、水力壓裂增透、水力割縫、深孔預裂爆破等[6-7]，其中，水力化措施應用最為普遍[8-9]。這些水力化工藝的實施均涉及到水分和煤體表面之間的相互作用。煤中水分的存在一方面會抑制瓦斯吸附，另一方面也會在一定程度上促進瓦斯解吸。

基于此，國內外學者開展了相應的研究，Crosdale等[10]針對新西蘭次煙煤開展了不同水分含量和不同溫度條件下的瓦斯吸附特性實驗，證實煤中的水分含量對瓦斯吸附具有重要影響，煤體瓦斯吸附量隨水分含量的升高而呈非線性衰減；Joubert等[11]以美國煙煤為研究對象，將實驗室實驗與現(xiàn)場測試相結合，對比分析了干燥煤樣和飽和水煤樣的瓦斯吸附特性，發(fā)現(xiàn)煤中水分會顯著降低瓦斯吸附量，且含氧量高的煤樣受水分的影響大于含氧量低的煤樣；Nie等[12]針對4種不同變質程度的煤樣，開展了6種水分含量條件下的瓦斯吸附實驗，并通過D-A方程對吸附數(shù)據(jù)進行了擬合，發(fā)現(xiàn)低階煤瓦斯吸附受水分的影響大于高階煤；張蓓[13]基于煤體雙重孔隙-裂隙介質結構模型，針對含水煤層瓦斯抽放進行了氣-固-液耦合數(shù)值模擬，并分析了水分、應力、煤層硬度等因素影響下的瓦斯抽放效果；趙東等[14]采用自主研制的瓦斯吸附-注水實驗系統(tǒng)進行了實驗，認為不同變質程度煤樣受水作用后，瓦斯吸附特性呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；金智新等[15]建立了干煤和濕煤的結構模型，并模擬了CO2，O2，N2等氣體在不同含水率的濕煤中的吸附行為，認為水分子會占據(jù)大量空間，與氣體展開吸附競爭，從而降低煤體氣體吸附性能。

本文針對2種不同變質程度的煙煤煤樣，進行不同水分條件下的瓦斯吸附實驗，并結合煤樣的孔隙結構特征，從微觀角度揭示水分對煤體瓦斯吸附特性的影響機理，從而為煤礦瓦斯防治提供參考[16-18]。

1 實驗過程

1.1 樣品制備

本文以山西沁水煤田王莊煤礦為研究背景，煤田成煤期為二迭系下統(tǒng)山西組(P1S)和石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)。山西組含煤地層的厚度為64.4～100.8m，平均厚度為82.5m，含煤1～4層，其中3號、4號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其余各煤層均為不可采煤層。太原組含煤地層的厚度為96.0～121.8m，平均厚度達111.9m，其中15號煤層為可采煤層。本文所用煤樣采自3號和15號煤層，分別命名為WZ3和WZ15。對所選煤樣進行研磨和篩分，選取粒徑為60～80目(0.20～0.25mm)約10g的煤樣按照國標GB/T 212-2008進行工業(yè)分析，煤樣鏡質組反射率的測定按照國標GB/T 6948-1998進行，煤樣的基本參數(shù)見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析參數(shù)

從表1可以看出，WZ3、WZ15煤樣分別為焦煤和貧煤。將煤真空干燥(溫度100℃)，每1h稱重1次，直至相鄰兩次煤的重量變化不超過0.1%，即可認為煤中的水分含量為0，即干燥煤樣。不同水分含量煤樣的制備方法參考國標GB/T 19560-2004，通過控制吸附時長來獲得不同水分含量煤樣。

1.2 實驗測試

采用高壓容量法對不同水分含量煤樣進行瓦斯等溫吸附實驗，遵循國標GB/T19560-2004《煤的高壓等溫吸附試驗方法》，所使用的儀器為美國TerraTek公司生產的ISO-300型等溫吸附儀，設置的實驗壓力范圍為0～5 MPa，實驗溫度為30℃。采用壓汞法測試不同軟硬煤的孔隙結構，所用儀器為美國康塔公司生產的PoreMaster-60型全自動壓汞儀。利用儀器自帶的軟件即可得到煤樣的孔容、孔比表面積等結構參數(shù)。

2 實驗結果及分析

2.1 不同水分含量煤樣吸附特性

圖1為不同水分含量條件的煤樣瓦斯吸附等溫線。在一定溫度和壓力條件下，由于煤體瓦斯吸附過程遵循Langmuir單分子層吸附理論，因此，可用Langmuir方程來描述，即

(1)

式中，P為瓦斯吸附壓力，MPa；PL為Langmuir壓力，MPa；V為瓦斯吸附體積，cm3/g；VL為Langmuir體積，cm3/g。

圖1 不同水分含量煤樣瓦斯吸附曲線

通過Langmuir方程擬合得到了瓦斯吸附參數(shù)VL和PL，如表2所示。結合圖1和表2可以看出，擬合系數(shù)R2均在0.99以上。不同水分含量的煤樣瓦斯吸附量差異較大，WZ3煤樣的VL在5.38～28.47cm3/g范圍內變化，WZ15煤樣的VL的變化范圍則為10.06～33.76cm3/g。所有煤樣均在干燥狀態(tài)時的瓦斯吸附量最大。具體來看，對于WZ3煤樣，水分含量為0%、0.62%和1.07%這3種條件下的瓦斯吸附量相差最大，最大值是最小值的5倍；之后所有的水分含量之間，煤體瓦斯吸附量相差不大，尤其是水分含量為2.79%和4.23%的瓦斯吸附曲線幾乎重合。對于WZ15煤樣，瓦斯吸附量隨水分含量的增加則變化較均勻，干燥狀態(tài)下的瓦斯吸附量是水分含量4.02%的3倍。

表2 不同水分含量煤樣瓦斯吸附參數(shù)

2.2 煤樣孔隙結構特征

依據(jù)霍多特的十進制孔隙分類方法可將孔隙分為：微孔(<10nm)、過渡孔(10～100nm)、中孔(100～1000nm)和大孔(>1000nm)。這2種煤樣的孔隙結構參數(shù)如表3所示，從表中可以看出，孔徑小于10nm的微孔以及10～100nm的過渡孔占據(jù)了絕大部分的孔比表面積和孔容，這和普遍認為的高階煤孔隙以微孔和小孔為主的觀點相符。對比這兩種煤樣可以發(fā)現(xiàn)，該兩種煤樣的孔結構差異較大。在不同的孔徑段范圍內，WZ15煤樣的孔容、孔比表面積均明顯大于WZ3煤樣，這說明WZ15煤樣的孔隙較WZ3更為發(fā)育，且孔隙聯(lián)通性也要優(yōu)于WZ3煤樣。

表3 煤樣的孔隙結構參數(shù)

2.3 水分對煤體瓦斯吸附特性的影響機理

圖2為水分含量和煤體瓦斯吸附量之間的關系圖。從圖2可知，隨煤中水分含量的逐漸增加，WZ3煤樣瓦斯吸附量呈現(xiàn)先快速降低，至1.07%的水分含量之后再緩慢減小，當煤中水分含量升高至2.79%時，煤體瓦斯吸附量基本不再變化。整個變化過程呈現(xiàn)出先急劇降低再小幅下降至基本不變的非線性衰減。對于WZ15煤樣，煤體瓦斯吸附量隨水分含量的增加而變化比較均衡，呈現(xiàn)出較好的線性衰減關系。筆者根據(jù)這種看似線性變化關系，對圖1(b)中WZ15煤樣的吸附數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，分析結果如圖2所示，得到：

VL=-5.8932M+34.2804

(2)

式中，M為煤中水分含量，%。相關系數(shù)R2=0.9893，線性擬合效果較好。

圖2 水分含量對煤體瓦斯吸附的影響

煤的變質程度和水分含量均是影響煤體瓦斯吸附的重要因素，在本文中，兩煤樣受水分作用后表現(xiàn)出了不同的吸附特性。結合煤體孔隙結構來看，WZ3煤樣的孔容總計為0.0211cm3/g，WZ15煤樣為0.0299cm3·g-1，二者的累計孔容比較接近；但WZ15煤樣的累計孔比表面積(6.5305m2/g)為WZ3煤樣(3.3221m2/g)的2倍，特別地，WZ15煤樣的微孔孔容和微孔比表面積均明顯高于WZ3煤樣，由于煤體吸附能力主要由小于10nm的微孔所決定，因此WZ15煤樣較WZ3煤樣在不同水分含量階段均呈現(xiàn)出更好的吸附性。

3 結 論

本文針對2種不同變質程度的煙煤煤樣，開展了不同水分含量條件下的瓦斯吸附實驗，并測試了煤樣的微觀孔隙結構特征，得到的主要結論如下：

(1)吸附實驗表明，不同水分含量的煤樣瓦斯吸附量差異較大，WZ3煤樣的VL在5.38～28.47cm3/g范圍內變化，WZ15煤樣的VL的變化范圍則為10.06～33.76cm3/g。兩煤樣均在干燥狀態(tài)下的瓦斯吸附量最大。

(2)壓汞實驗表明，在不同的孔徑段范圍內，WZ15煤樣的孔容、孔比表面積尤其是微孔、過渡孔的孔隙和孔比表面積均明顯大于WZ3煤樣，說明WZ15煤樣的孔隙結構較WZ3更為發(fā)育，且孔隙聯(lián)通性也要優(yōu)于WZ3煤樣。

(3)受水作用后，WZ3煤樣瓦斯吸附量呈現(xiàn)出先快后慢的非線性衰減；而WZ15煤樣則表現(xiàn)為直線下降。對于不同孔隙結構的煤樣，在水分的作用下，其瓦斯吸附特性也呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

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