余吾礦構(gòu)造煤吸附動(dòng)力學(xué)特性

張 哲，秦興林

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110016；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順122113）

我國煤層埋藏條件復(fù)雜，受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，在不同地應(yīng)力-應(yīng)變復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境及構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤自身的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)、瓦斯運(yùn)移特性等均發(fā)生了顯著變化，并由此形成了具有不同微結(jié)構(gòu)特征的構(gòu)造軟煤[1-4]。研究表明[5-7]，煤與瓦斯突出、瓦斯異常涌出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生常常與構(gòu)造煤緊密相關(guān)，而這類構(gòu)造煤在我國廣泛分布，給我國煤礦瓦斯治理帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對(duì)構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)特征及瓦斯儲(chǔ)運(yùn)特性，前人開展了大量研究工作[8-21]。在此基礎(chǔ)上，以山西余吾煤礦為研究背景，選取了不同破壞類型煤樣，研究構(gòu)造煤瓦斯吸附動(dòng)力學(xué)特性。研究結(jié)果以期為煤巖動(dòng)力災(zāi)害防治提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

山西潞安余吾煤礦地處沁水煤田東部，地層為南北走向，傾向西稍有起伏，背斜開闊，向斜緊密；礦區(qū)構(gòu)造較多，共含斷層33 條（正斷層10 條、逆斷層23 條），煤層傾角3°～15°。下二疊統(tǒng)山西組（P1st）和上石炭統(tǒng)太原組（C3t）為本礦區(qū)的主要含煤地層，其中3 號(hào)煤層和15 號(hào)煤層為主要可采煤層。3 號(hào)煤層厚5.0～7.25 m，平均厚度5.99 m，夾矸0～3 層，一般為1 層，夾矸平均厚0.27 m，煤層結(jié)構(gòu)整體相對(duì)簡(jiǎn)單。15 號(hào)煤層厚度為0～2.60 m，平均厚0.71 m，含泥巖和炭質(zhì)泥巖夾矸0～4 層，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)煤體破壞的嚴(yán)重程度，構(gòu)造煤可分為糜棱煤、碎粒煤、碎裂煤和原生煤。實(shí)驗(yàn)煤樣采自3 號(hào)和15 號(hào)煤層。由于地質(zhì)構(gòu)造作用比較強(qiáng)烈，煤體變形比較顯著，煤表面非均質(zhì)較強(qiáng)，不同破壞類型的構(gòu)造煤發(fā)育較為完整。在余吾煤礦變形較為強(qiáng)烈的15號(hào)煤層采集3 份構(gòu)造煤，分別為糜棱煤、碎粒煤和碎裂煤，同時(shí)采集3 號(hào)煤層的原生煤用于實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。將新鮮煤樣運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后，按照國標(biāo)GB/T 212—2008 來進(jìn)行煤的工業(yè)分析，煤堅(jiān)固性系數(shù)的測(cè)定則遵照GB/T 8208—1987 進(jìn)行，構(gòu)造煤基本參數(shù)見表1。從表1 可以看出，這4 種煤樣的煤階相同，均為變質(zhì)程度較高的貧煤；煤樣堅(jiān)固性系數(shù)值在0.33～1.19 范圍內(nèi)變化，且隨破壞程度的增加，逐漸減小，表明煤體受構(gòu)造應(yīng)力作用而不斷軟化。

表1 構(gòu)造煤基本工業(yè)參數(shù)Table 1 Basic industrial parameters of tectonic coal

將煤樣粉碎成60～80 目（180～250 μm），并放入真空干燥箱中，在100 ℃下烘干備用。瓦斯吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用美國TerraTek 公司生產(chǎn)的ISO-300 型等溫吸附儀，采用氦氣作為死體積的標(biāo)定氣體，實(shí)驗(yàn)溫度控制在25 ℃，瓦斯壓力范圍控制在0～3 MPa，吸附時(shí)長(zhǎng)為20 h。根據(jù)吸附平衡前壓力、平衡后壓力以及系統(tǒng)死體積數(shù)據(jù)來計(jì)算瓦斯吸附量。在此過程中，為研究構(gòu)造煤的吸附動(dòng)力學(xué)特征，記錄從吸附開始到吸附平衡過程中的瓦斯壓力變化數(shù)據(jù)，以此獲取構(gòu)造煤吸附動(dòng)力學(xué)曲線。

為探索構(gòu)造煤瓦斯吸附的微觀影響機(jī)制，針對(duì)不同變形程度構(gòu)造煤，開展煤體微觀孔隙特性試驗(yàn)，采用的方法為高壓壓汞法，所使用的儀器為美國Quantachrome 公司生產(chǎn)的PoreMaster-33 型全自動(dòng)壓汞儀。首先將煤樣粉碎，制成體積為1～2 cm3的塊狀試樣，然后將其放入分析站并測(cè)定孔隙分布參數(shù)。實(shí)驗(yàn)操作過程遵循國標(biāo)GB/T 21650.1—2008，所使用的汞純度為99.99%，溫度為室溫25 ℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 吸附壓力變化

各構(gòu)造煤吸附壓力變化曲線如圖1。各煤樣的初始?jí)毫ο嗤?，均?.0 MPa 左右，吸附平衡壓力分別為0.23、0.55、0.61、0.72 MPa。從圖1 可以看出，隨吸附時(shí)長(zhǎng)的增加，各煤樣的吸附壓力均在不斷降低；且在吸附開始前20 min 內(nèi)壓力急劇降低，降幅高達(dá)60%以上，煤樣在該階段大量吸附瓦斯；20 min 后，壓力緩慢降低直至平穩(wěn)。其中，YW1 煤樣的壓力變化最為劇烈，壓力降低幅度明顯高出其他3 個(gè)煤樣；YW2 和YW3 煤樣的壓力變化曲線最為接近，基本重合，說明這2 個(gè)煤樣的瓦斯吸附性能相當(dāng)。

圖1 吸附壓力變化曲線Fig.1 Adsorption pressure changing curves

3.2 吸附量變化

相同初始?jí)毫ο挛搅孔兓鐖D2。由圖2 可知，隨吸附時(shí)長(zhǎng)的增加，各煤樣瓦斯吸附量經(jīng)歷了先急劇增大再緩慢增加最后達(dá)到平衡的非線性變化過程。與圖1 的變化類似，吸附量急劇增加階段也是集中在吸附開始的20 min 內(nèi)。1 200 min 后，煤體瓦斯吸附量基本不再隨時(shí)間變化，此吸附量被稱為擬飽和吸附量。

圖2 相同初始?jí)毫ο挛搅孔兓疐ig.2 Change of adsorption volume under the same initial pressure

為進(jìn)一步分析各構(gòu)造煤之間的吸附差異性，繪制了各煤樣擬飽和吸附量變化圖，構(gòu)造煤擬飽和吸附量變化如圖3。由圖3 可知，YW1 煤樣的擬飽和吸附量最大，高達(dá)32.8 mL/g，YW4 煤樣的最小，二者相差26%。由于煤樣YW1～YW4 分別對(duì)應(yīng)的是糜棱煤、碎粒煤、碎裂煤和原生煤，其破壞程度是逐漸降低的。圖3 表明，隨破壞程度的增加，擬飽和吸附量在不斷增大，說明構(gòu)造變形作用能夠增強(qiáng)煤體瓦斯吸附能力，促進(jìn)瓦斯吸附。

3.3 吸附速率變化

由圖2 可知，煤體瓦斯吸附量在開始20 min 內(nèi)變化最為劇烈，因而需要對(duì)前20 min 的吸附速率進(jìn)行著重分析。各構(gòu)造煤瓦斯吸附速率變化曲線如圖4。由圖4 可知，隨吸附時(shí)長(zhǎng)的增加，吸附速率呈指數(shù)衰減，當(dāng)吸附時(shí)長(zhǎng)超過10 min 后，吸附速率趨于平穩(wěn)。在任意時(shí)刻，糜棱煤（YW1）的吸附速率均為最大，而原生煤（YW4）最小。綜合圖1、圖2 和圖4來看，不同破壞程度煤樣的瓦斯吸附動(dòng)力學(xué)特性差異顯著。原生煤的吸附速率及吸附量均為最?。浑S破壞程度增加，煤體瓦斯吸附速率逐漸增大，吸附性增強(qiáng)；到糜棱煤階段，吸附速率迅速增大，吸附量達(dá)到最大值。

圖4 構(gòu)造煤吸附速率變化曲線Fig.4 Changing curves of adsorption speed for tectonic coal

3.4 孔隙特性

眾所周知，煤中的孔、裂隙網(wǎng)絡(luò)是瓦斯賦存的場(chǎng)所，為便于描述構(gòu)造煤孔隙分布規(guī)律，采用Hodot 十進(jìn)制孔隙分類方法[22-23]，即：微孔（＜10 nm）、過渡孔（10～＜100 nm）、中孔（100～1 000 nm）、大孔（＞1 000 nm）。其中，微孔和過渡孔又統(tǒng)稱為吸附孔，中孔和大孔統(tǒng)稱為滲流孔[24]。余吾礦4 種類型構(gòu)造煤孔隙分布如圖5。

圖5 構(gòu)造煤孔隙分布Fig.5 Pore distribution of tectonic coal

由圖5 可以看出，所有煤樣吸附孔所占比例均大于54%，這和一般認(rèn)為的高階煤以納米孔為主的觀點(diǎn)是一致的。對(duì)于不同類型構(gòu)造煤，其孔隙分布特征具有明顯差異。從原生煤到糜棱煤，煤中的微孔比表面積從5.83 m2/g 逐漸增加到9.28 m2/g，增幅達(dá)59.2%；大孔比表面積則從1.96 m2/g 減小到0.98 m2/g，降低了50%；中孔比表面積也呈逐步降低趨勢(shì)。

在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)致煤體裂隙形貌、孔隙分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響煤體瓦斯吸附特性。由于微孔和過渡孔的孔徑相對(duì)較小，對(duì)瓦斯分子的束縛能力較強(qiáng)，微孔隙發(fā)育的煤體往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附性能。構(gòu)造煤孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瓦斯吸附的影響如圖6。

圖6 構(gòu)造煤孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瓦斯吸附的影響Fig.6 Influence of tectonic coal pore parameters on methane adsorption

由圖6 可以看出，吸附孔比表面積與擬飽和吸附量呈現(xiàn)良好的線性正相關(guān)關(guān)系，說明微孔和過渡孔數(shù)量的增加能夠提供足夠的吸附空間，強(qiáng)化煤體瓦斯吸附。隨滲流孔比表面積的增加，擬飽和吸附量呈負(fù)指數(shù)衰減。這是由于中孔和大孔具有的孔隙直徑相對(duì)較大，對(duì)瓦斯分子的作用較弱，一般為瓦斯解吸滲流提供通道。值得注意的是，在圖3 中，從YW4 到Y(jié)W2 煤樣，也就是從原生煤到碎粒煤階段，擬飽和吸附量變化不大，只有小幅的增加；但從碎粒煤到糜棱煤階段，擬飽和吸附量迅速增大。這是因?yàn)樵诿永饷弘A段，強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力使得煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，煤體內(nèi)部原生孔隙裂隙遭到破壞，孔隙結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，微孔、過渡孔數(shù)量急劇增加，更易于瓦斯吸附。

4 結(jié) 論

1）在同一初始?jí)毫ο拢S吸附時(shí)長(zhǎng)增加，各煤樣的吸附壓力均不斷降低；且在吸附開始前20 min 內(nèi)壓力急劇降低，降幅高達(dá)60%以上，表明煤樣在該階段大量吸附瓦斯；20 min 后，壓力緩慢降低直至平穩(wěn)。

2）糜棱煤擬飽和吸附量最大，高達(dá)32.8 mL/g，原生煤最小，二者相差26%；隨破壞程度的增加，擬飽和吸附量在不斷增大，說明構(gòu)造變形作用能夠增強(qiáng)煤體瓦斯吸附能力，促進(jìn)瓦斯吸附。

3）構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。從原生煤到糜棱煤，煤中的微孔比表面積從5.83 m2/g 逐漸增加到9.28 m2/g，增幅達(dá)59.2%；大孔比表面積則從1.96 m2/g 減小到0.98 m2/g，降低了50%。

4）不同破壞程度煤樣的瓦斯吸附動(dòng)力學(xué)特性差異顯著。原生煤的吸附速率及吸附量均為最??；隨破壞程度增加，煤體瓦斯吸附速率逐漸增大，吸附性增強(qiáng)；到糜棱煤階段，吸附速率迅速增大，吸附量達(dá)到最大值。