不同變質(zhì)程度煤孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

范子偉

(山西煤炭進出口集團有限公司，山西 太原 030000)

煤體對瓦斯的吸附為物理吸附，煤體具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)[1-2]，其孔隙結(jié)構(gòu)構(gòu)成瓦斯吸附、擴散、滲流空間，孟召平等[3]研究認(rèn)為隨著破壞程度的增加，煤體的孔容和比表面積也增加，中孔主要導(dǎo)致孔容增加，微孔主要導(dǎo)致比表面積增加；唐巨鵬等[4]采用巨正則系綜蒙特卡洛方法(GCMC)研究了CH4在5種不同變質(zhì)程度煤中的吸附性能，結(jié)果表明CH4吸附能力強弱順序為無煙煤、貧煤、瘦煤、焦煤、肥煤；王有智等[5]研究表明分形維數(shù)可以用來表征碎裂煤與碎粒煤的孔隙結(jié)構(gòu)與吸附能力，隨著分形維數(shù)的增加，微孔含量增加，比表面結(jié)增加，孔隙表面粗糙度增加，煤巖孔隙系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致煤巖吸附能力增加。由上述研究可知煤體孔隙結(jié)構(gòu)對研究煤的吸附性能具有重要的意義。基于此，本文采用低溫液氮實驗研究不同變質(zhì)程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征，為揭示不同變質(zhì)程度煤的吸附解吸性能提供指導(dǎo)。

1 煤樣的制備及低溫液氮吸附試驗

1.1 煤樣的制備

試驗煤樣分別為無煙煤(WYM)、貧瘦煤(PSM)及焦煤(JM)，分別將采制的新鮮煤樣密封保存后送實驗室，采用粉碎機粉碎，篩選制得粒度為60～80目的煤樣，將制得的新鮮煤樣放入干燥箱中，設(shè)置干燥溫度為105 ℃，待干燥完成后進行低溫液氮吸附試驗。

1.2 不同變質(zhì)程度煤低溫液氮吸附試驗結(jié)果分析

不同變質(zhì)程度煤的低溫液氮吸附試驗曲線如圖1所示，吸附過程可分為兩個階段，吸附相對壓力(p/p0)較低時吸附量緩慢增大，當(dāng)相對壓力在0.9左右時吸附量快速增大。

由圖1可知，無煙煤的吸附回線較大且沒有閉合，說明無煙煤存在開放型孔隙；貧瘦煤存在吸附回線，但是吸附回線不大，當(dāng)相對壓力為0.4時，脫附曲線與吸附曲線發(fā)生閉合，說明存在大量的一端封閉的孔隙；焦煤存在吸附回線，但是吸附回線不大，當(dāng)相對壓力為0.4時脫附曲線與吸附曲線發(fā)生閉合，說明存在大量的一端封閉的孔隙。

圖1 不同變質(zhì)程度煤低溫液氮吸附試驗結(jié)果

根據(jù)低溫液氮吸附試驗結(jié)果，采用BJH模型可計算出不同變質(zhì)程度煤的比表面積分布，如圖2所示。

圖2 不同變質(zhì)程度煤的比表面積分布

由圖2可知，焦煤的比表面積最小，無煙煤的比表面積最大，貧瘦煤的比表面積居中。微孔和小孔是瓦斯主要的吸附空間，無煙煤微孔和小孔的比表面積占比最大，焦煤最小，貧瘦煤居中，說明無煙煤對瓦斯的吸附能力最強，其次是貧瘦煤，焦煤最弱。

2 不同變質(zhì)程度煤低溫液氮分形維數(shù)分析

低溫液氮吸附常采用Pfeifer等人提出的FHH模型計算分形維數(shù)[6-7]，F(xiàn)HH模型如式(1)所示：

(1)

式中：V為平衡壓力p時液氮的吸附量，cm3/g；p0為氣體的飽和蒸汽壓，0.111 17 MPa；p為氣體吸附平衡時的壓力，MPa；A為常數(shù)；D為分形維數(shù)(2≤D≤3)，分形維數(shù)越大，材料表面越粗糙。

采用式(1)對圖1低溫液氮吸附曲線進行作圖(如圖3所示)，計算分形維數(shù)時，以相對壓力0.45為界限，當(dāng)相對壓力p/p0>0.45時計算分形維數(shù)為D1，當(dāng)相對壓力p/p0<0.45時計算分形維數(shù)為D2，根據(jù)擬合直線的斜率即可求得分形維數(shù)，分形維數(shù)如表1所示。

圖3 不同變質(zhì)程度煤分形維數(shù)擬合

煤樣D1(p/p0>0.45)D1(p/p0<0.45)WYM2.574 882.633 37PSM2.545 462.601 81JM2.526 532.546 44

由表1可知，無論p/p0>0.45還是p/p0<0.45，無煙煤的分形維數(shù)最大，貧瘦煤的分形維數(shù)居中，焦煤的分形維數(shù)最小。因此可知，焦煤的孔隙結(jié)構(gòu)簡單、表面不粗糙，無煙煤的孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、表面粗糙，隨著變質(zhì)程度的增加，孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

3 結(jié) 語

1) 無煙煤存在大量開放型孔隙，貧瘦煤、焦煤存在大量一端封閉的孔隙。

2) 無煙煤的比表面積最大、焦煤的比表面積最小，貧瘦煤的比表面積居中。無煙煤對瓦斯的吸附能力最強，其次是貧瘦煤，焦煤最弱。

3) 無煙煤的分形維數(shù)最大，貧瘦煤的分形維數(shù)居中，焦煤的分形維數(shù)最小。隨著變質(zhì)程度的增加，孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，孔隙粗糙度增加。