構(gòu)造煤納米級(jí)孔隙與瓦斯吸附能力關(guān)系研究

王晨曦，張玉貴，雷東記

(河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 焦作市 454000)

0 引 言

煤層氣主要吸附在煤孔隙表面，在應(yīng)力作用的影響下，煤體結(jié)構(gòu)的改變必然引起孔隙表面吸附量的改變。王向浩等[1]研究探討了構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的孔隙結(jié)構(gòu)及吸附性差異；李子文[2]研究得出煤體孔徑分布對(duì)瓦斯吸附具有重要的影響；張玉貴[3]研究表明不同變質(zhì)程度的煤，其吸附能力與變質(zhì)程度并不呈線性關(guān)系，與共生原生結(jié)構(gòu)煤相比，構(gòu)造煤的平均孔徑普遍較小，但其孔比表面積較大，且構(gòu)造煤吸附能力明顯強(qiáng)于原生結(jié)構(gòu)煤；琚宜文等[4]通過高分辨率透射電鏡研究認(rèn)為構(gòu)造煤的納米級(jí)孔隙是瓦斯的主要吸附空間。

關(guān)于影響煤中孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究，張曉輝等[5]運(yùn)用分形模型和 FHH方法對(duì)構(gòu)造煤變形和納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行了定量描述；趙興龍等[6]采用BET法測得比表面積與微孔體積的關(guān)系，并分析了煤變質(zhì)程度對(duì)孔隙度、微孔體積及BET比表面積的影響。屈爭輝等[7]研究構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)及其對(duì)瓦斯特性的控制機(jī)理時(shí)指出不同類型構(gòu)造煤吸附性的差異取決于主控孔徑范圍的孔隙數(shù)量；鐘玲文等[8]指出煤對(duì)瓦斯的吸附能力隨著總孔容、總比表面積和微孔比表面積的增加而增加；陳向軍等[9]研究指出納米級(jí)比表面積決定煤的吸附能力，吸附常數(shù)隨著納米級(jí)孔比表面積增加呈線性增加，納米級(jí)孔容積決定煤的吸附速率，吸附常數(shù)隨著納米級(jí)孔容積的增加呈線性增加；侯泉林等[10]認(rèn)為分子間作用力的變化是導(dǎo)致納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)變化的原因，經(jīng)歷韌性變形的構(gòu)造煤擴(kuò)展了納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，為超量煤層氣的賦存提供了條件。

本文通過低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)研究構(gòu)造煤的納米孔隙結(jié)構(gòu)特征。利用等溫吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)構(gòu)造煤和原煤吸附能力進(jìn)行差異分析，解釋構(gòu)造煤納米孔隙對(duì)瓦斯吸附能力的內(nèi)在因素。

1 實(shí)驗(yàn)樣品的制備

此次實(shí)驗(yàn)采用焦作古漢山礦無煙煤（G）、永夏煤田薛湖礦貧煤（X）、平煤八礦的焦煤（P）作為實(shí)驗(yàn)煤樣，取自不同煤級(jí)和不同地質(zhì)單元，防止相互干擾；1代表原煤，2代表構(gòu)造煤。煤樣參數(shù)見表1。

表1 煤樣參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 低溫液氮實(shí)驗(yàn)

本次低溫液氮測試采用ASAP2020全自動(dòng)分析儀，儀器可以完成孔徑分布、孔容及總孔體積等多種數(shù)據(jù)的分析。根據(jù)BET多分子層吸附理論計(jì)算煤樣的比表面積，采用BJH模型計(jì)算煤樣的孔容。測的比表面積的范圍是0.0005 m2/g至無窮大（Kr測量），孔徑的范圍是0.35～500 nm，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如圖1和圖2所示。

圖1 原煤和構(gòu)造煤的階段孔容及不同孔徑、孔容分布

圖2 原煤和構(gòu)造煤的階段比表面積及不同孔徑、比表面積分布

圖3 25℃條件下煤樣的等溫吸附線

2.2 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

利用高溫高壓氣體吸附分析儀測定煤樣的等溫吸附線。選擇溫度25 ℃、壓力0～10 MPa范圍內(nèi)進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，分析3個(gè)煤級(jí)的構(gòu)造煤和原煤對(duì)瓦斯吸附量的大小，結(jié)果見圖3。

3 納米孔隙與瓦斯吸附能力的關(guān)系

3.1 納米孔隙結(jié)構(gòu)特征

由圖 1、2可以看出，不同煤級(jí)構(gòu)造煤的納米孔隙的孔容所占比例最大，中孔所占比例最少；其中構(gòu)造煤同原煤相比都是有所增加，說明構(gòu)造煤納米孔隙對(duì)瓦斯的吸附有積極的作用，其原因可能是納米級(jí)孔隙孔徑（＜100 nm）能夠?yàn)橥咚刮教峁┐罅康目臻g。構(gòu)造煤同原煤相比總比表面積略有增加，納米孔隙所占總比表面積主要的比例，因此可以說明構(gòu)造煤的納米孔隙為瓦斯提供大量的吸附空間。其中古漢山礦構(gòu)造煤和原煤最大瓦斯吸附量分別是29.54，28.16 cm3/g，吸附能力最高；薛湖礦構(gòu)造煤和原煤最大瓦斯吸附量分別是 23.78，22.44 cm3/g，而平煤八礦構(gòu)造煤和原煤最大瓦斯吸附量分別是20.01，16.88 cm3/g，構(gòu)造煤與原煤最大瓦斯吸附量相比分別為1.05，1.06，1.18倍，說明不同煤級(jí)構(gòu)造煤納米孔隙吸附能力有所差異（無煙煤＞貧煤＞焦煤）。

3.2 納米孔隙對(duì)瓦斯吸附能力的影響

圖4表明，微孔和小孔的孔容與瓦斯吸附量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，由此可以看出出微孔和小孔的孔容增加對(duì)瓦斯吸附量具有明顯的促進(jìn)作用，因此煤對(duì)瓦斯的吸附能力隨著總孔容、總比表面積和微孔比表面積的增加而增加。

等溫吸附曲線的變化規(guī)律與低溫液氮實(shí)驗(yàn)測得的孔容和比表面積聯(lián)系密切。同原煤相比較，構(gòu)造煤在＜50 nm孔徑范圍內(nèi)較為發(fā)育，并且在50 nm出現(xiàn)峰值，比表面積較孔容增大量表現(xiàn)的更加明顯；而在＞50 nm范圍內(nèi)，孔容和比表面積增加都比較低緩，但是比表面積較孔容增加幅度還是略高。表明構(gòu)造破壞作用對(duì)小孔作用很大，促進(jìn)小孔的發(fā)育，對(duì)比表面積增加做出很大貢獻(xiàn)，同時(shí)為瓦斯吸附提供了可吸附空間。因此，構(gòu)造煤納米級(jí)孔隙的比表面積是影響瓦斯吸附量的主要因素。

隨著壓力的增加，不同煤級(jí)構(gòu)造煤的階段比表面積在約50 nm處都出現(xiàn)一個(gè)峰值，該處的比表面積對(duì)煤體總比表面積貢獻(xiàn)較大，這表明微孔決定著低壓段的吸附，因?yàn)樵诘蛪弘A段，當(dāng)微小孔隙的直徑與甲烷分子相當(dāng)時(shí)，甲烷分子極易吸附于煤體表面，使得氣體吸附量在低壓段迅速增長。因此，納米級(jí)孔隙的微孔比表面積是影響瓦斯吸附量的主要因素。

經(jīng)過以上的研究分析，相對(duì)原煤而言，構(gòu)造煤納米級(jí)孔隙對(duì)瓦斯吸附能力具有較大的作用，主要表現(xiàn)在：在外在高壓作用下，瓦斯分子容易進(jìn)入煤體中微小的孔隙如納米級(jí)孔隙，使煤表面的范德華力[11]被消弱而產(chǎn)生向外的張力，煤體表現(xiàn)出膨脹變形，最終促使煤體變形加劇，致使微孔隙變小，煤體孔隙率[12]減小，瓦斯運(yùn)移困難。同時(shí)煤分子的楔入有利于煤體內(nèi)微裂紋增加，這也促進(jìn)煤體結(jié)構(gòu)的破壞。

4 結(jié) 語

（1）納米級(jí)孔隙是決定瓦斯吸附能力大小的關(guān)鍵因素，構(gòu)造煤相對(duì)于原煤吸附能力的變化主要取決于納米孔隙的變化；從納米級(jí)孔隙的變化，解釋了古漢山礦、薛湖礦構(gòu)造煤相對(duì)于原煤瓦斯量略有增加，平煤八礦構(gòu)造煤吸附量明顯高于原煤的現(xiàn)象。

（2）不同煤級(jí)構(gòu)造煤孔容和比表面積約在 50 nm處出現(xiàn)峰值，說明構(gòu)造煤納米級(jí)孔隙是影響瓦斯吸附量的主要因素。

（3）在外在高壓作用時(shí)，瓦斯容易進(jìn)入納米孔隙，使煤表面的范德華力被削弱而產(chǎn)生向外的張力，促使煤體變形加劇，瓦斯不易運(yùn)移。由于構(gòu)造煤的比表面積增加，構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)能夠吸附更多瓦斯。