煤體變質(zhì)程度對突出煤體吸附/解吸影響

＊楊紅紅

（山西安標(biāo)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司 山西 030000）

煤體瓦斯突出，是指在采煤過程中，瓦斯突然噴出的一種現(xiàn)象，是一種危害性大、預(yù)防難度高的突發(fā)型災(zāi)害。與其他類型的煤礦災(zāi)害相比，瓦斯突出是一種破壞性高、死亡率高的災(zāi)害，一旦在短時(shí)間內(nèi)大量瓦斯突出，在遭遇明火后會(huì)迅速引發(fā)礦井爆炸，對礦井造成毀滅性破壞。為了保證井下安全，工作人員積極研究煤體變質(zhì)程度以及孔隙結(jié)構(gòu)，對于突出煤體的吸附/解吸特征所產(chǎn)生的影響。通過此項(xiàng)研究，有助于相關(guān)工作人員了解煤體、瓦斯突出災(zāi)害的演化機(jī)理，為預(yù)防瓦斯、煤體突出災(zāi)害提供理論支撐。

1.不同變質(zhì)程度煤體吸附/解吸特點(diǎn)分析

(1)吸附特性分析

表1 煤樣采樣信息

從類型上看，吸附現(xiàn)象屬于一種煤體界面現(xiàn)象，是接觸面兩側(cè)有別于兩相中任意一相的性質(zhì)所構(gòu)成的區(qū)域。氣體分子通過物理吸附以及化學(xué)吸附兩種方式存留在固體物質(zhì)表面上，瓦斯在煤體表面的吸附，是固體分子與氣體分子在相互作用力的影響下產(chǎn)生的一種吸附現(xiàn)象，因此屬于物理吸附[1]。

在相同的溫度條件下，研究人員利用單分子層模型方程，分別從大興煤礦、雙柳煤礦、楊柳煤礦、寺家莊煤礦、臥龍湖煤礦采集粒徑為0.2～0.25mm的煤樣，五種煤樣的變質(zhì)程度各不相同，能夠很好地反映不同變質(zhì)程度煤體的瓦斯吸附/解吸特征。

在30℃環(huán)境中進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到五種煤樣等溫吸附曲線。

通過分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變的情況下，五種煤樣的CH4等溫吸附數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同。當(dāng)壓力值較小時(shí)，瓦斯的吸附量增加幅度較大，而隨著壓力的增加，煤體內(nèi)瓦斯吸附增加幅度逐步變小，大興煤樣與雙柳煤樣等溫吸附曲線隨著壓力的增加，瓦斯吸附減少，且基本保持線性變化趨勢[2]。但其吸附能力減少的幅度要明顯弱于寺家莊煤樣以及臥龍湖煤樣，寺家莊煤樣與臥龍湖煤樣的吸附曲線，存在一個(gè)明顯的臨界值，在臨界值前后，其瓦斯吸附能力與壓力變化之間的關(guān)系存在顯著差別。

圖1 五種煤樣CH4等溫吸附曲線

從瓦斯吸附量角度來看，本次實(shí)驗(yàn)所采集到的五種煤樣中，寺家莊煤樣與臥龍湖煤樣的瓦斯吸附能力最為突出，在其他條件不變的情況下，寺家莊煤樣在4.5MPa條件下的瓦斯吸附量達(dá)到36mL/g，臥龍湖煤樣在4.5MPa條件下瓦斯吸附量達(dá)到40mL/g，遠(yuǎn)高于其他三組煤樣。使用Langmuir單分子層模型對五組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，能夠得到兩個(gè)吸附常數(shù)值a、b，依據(jù)常數(shù)a與b能夠反映出不同類型、不同變質(zhì)程度的煤樣對于瓦斯的吸附能力（詳見表2）[3]。

表2 五種煤樣吸附常數(shù)

(2)解吸特性分析

采煤活動(dòng)會(huì)改變地下煤層結(jié)構(gòu)，原本煤體孔隙結(jié)構(gòu)中瓦斯與煤炭的吸附/解吸動(dòng)態(tài)平衡會(huì)被打破，導(dǎo)致處于吸附狀態(tài)的瓦斯減少，處于游離狀態(tài)的瓦斯增多，這個(gè)變化過程被稱為瓦斯的解吸。

研究人員對粒徑0.2～0.25mm的五種不同煤樣進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)，在壓強(qiáng)不變的情況下持續(xù)解吸120min，并將得到的五組數(shù)據(jù)換算為標(biāo)準(zhǔn)壓力狀態(tài)下煤體的解吸數(shù)據(jù)（如圖2所示）。

圖2 120min瓦斯解吸曲線

通過分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，變質(zhì)程度各不相同的五種煤樣，在不同壓力環(huán)境下，解吸開始階段其內(nèi)部瓦斯含量較高，瓦斯解吸的速率較快，而伴隨著解吸量的快速增加，解吸曲線迅速上升。與此同時(shí)，煤樣中的瓦斯?jié)舛戎饾u降低，隨著時(shí)間的推移，五種煤樣的瓦斯解吸速率均開始降低，瓦斯解吸曲線也趨于平緩，在達(dá)到某一臨界點(diǎn)之后轉(zhuǎn)入平臺(tái)期[4]。

例如，當(dāng)煤樣處于2MPa條件下，五種煤樣的瓦斯解吸區(qū)域變化情況存在差異，大興、雙柳、楊柳、寺家莊這四種煤樣進(jìn)行120min解吸實(shí)驗(yàn)之后，雖然解吸速率變低，但是瓦斯的解吸總量仍在不斷增加，臥龍湖煤樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述四組數(shù)據(jù)差異很大，在結(jié)束120min解吸實(shí)驗(yàn)之后，其瓦斯解吸量接近飽和，當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)之后，其解吸速率不再變化，進(jìn)入平臺(tái)期。通過進(jìn)一步的分析可以發(fā)現(xiàn)，造成臥龍湖煤樣這種解吸特點(diǎn)的主要原因，在于臥龍湖煤樣中擁有大量開放性孔隙結(jié)構(gòu)，由于孔隙結(jié)構(gòu)具有開放性，導(dǎo)致其內(nèi)部吸附的瓦斯會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)。

針對大興煤樣在不同壓力條件下瓦斯解吸能力進(jìn)行分析，在不同壓力環(huán)境中，大興煤樣瓦斯解吸曲線具有一定的相似性，其區(qū)別主要體現(xiàn)在瓦斯的初始解吸量方面。大興煤樣的初始?jí)毫εc解吸量之間存在正相關(guān)關(guān)系，初始?jí)毫υ酱笃渫咚菇馕吭酱骩5]。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因，在于瓦斯解吸初期，煤樣孔隙結(jié)構(gòu)中原本處于吸附狀態(tài)的瓦斯，快速轉(zhuǎn)為游離狀態(tài)，隨著瓦斯的溢出，有源源不斷的瓦斯填充孔隙結(jié)構(gòu)，因此在開始的一段時(shí)間內(nèi)，瓦斯?jié)舛葧?huì)保持高水平，這種狀態(tài)下，瓦斯的解吸速率較快，解吸量大。

實(shí)際發(fā)生的煤體與瓦斯突出事故中，瓦斯與煤體的突出只會(huì)保持幾十秒，因此對于煤體初始瓦斯解吸量的分析，對于預(yù)防煤體、瓦斯突出事故具有很高的價(jià)值。通過對五組煤樣在不同壓力條件下1min與120min解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)相同的煤樣在不同壓力條件下，壓力越大其初始解吸速率越高，代表著出現(xiàn)瓦斯、煤體突出事故的概率越大。

(3)突出煤體瓦斯擴(kuò)散特征

煤體孔隙結(jié)構(gòu)中瓦斯的吸附以及解吸變化，主要發(fā)生在孔徑不超過10nm的孔隙結(jié)構(gòu)中，作為描述煤體中瓦斯擴(kuò)散過程的重要參數(shù)，計(jì)算煤體擴(kuò)散系數(shù)成為了判斷煤層滲透性以及處于游離狀態(tài)瓦斯含量的重要一環(huán)。

在數(shù)學(xué)層面可以利用公式計(jì)算多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)氣體的擴(kuò)散能力：

式中，變量J為氣體在多孔隙介質(zhì)中的擴(kuò)散流動(dòng)量，單位為kg/(m2·s)；D代表氣體的擴(kuò)散系數(shù)，可以用變量D代表瓦斯擴(kuò)散速率，單位為m2/s；cgas為瓦斯擴(kuò)散組分濃度；lh為瓦斯擴(kuò)散距離；?cgas/?lh則代表瓦斯?jié)舛忍荻?。公式中的?fù)號(hào)代表瓦斯的濃度梯度與擴(kuò)散通量方向相反，即二者存在反比例關(guān)系。

利用公式（1）可以推導(dǎo)出瓦斯擴(kuò)散方程，假設(shè)濃度與瓦斯擴(kuò)散系數(shù)之間不存在關(guān)聯(lián)，則可以得出擴(kuò)散方程的一維表達(dá)式：

煤炭是一種結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的多孔介質(zhì)，為了在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對煤體中氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，需要對樣品以及實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行一些假設(shè)：①樣品中的煤屑分布均勻，由具有規(guī)則輪廓的細(xì)小顆粒組成。②該介質(zhì)內(nèi)的瓦斯流動(dòng)具有連續(xù)性且符合質(zhì)量守恒定律。從理論層面來看，可以將煤體中瓦斯的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)理解為氣體物質(zhì)在半徑固定的球體中的運(yùn)動(dòng)，如果該假設(shè)成立，可以運(yùn)用菲克定律解析式分析瓦斯在煤體孔隙結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散特征。

式中，Q∞代表多孔介質(zhì)的極限解吸量；為煤炭顆粒中瓦斯的解吸率；rc為煤炭顆粒的半徑；De=D/rc2代表有效擴(kuò)散系數(shù)。

以公式（3）作為基礎(chǔ)，使用Origin軟件對五組煤樣的瓦斯擴(kuò)散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出在不同壓力條件下，不同變質(zhì)程度的煤樣擴(kuò)散系數(shù)。

2.變質(zhì)程度對突出煤體吸附/解吸影響

隨著時(shí)代的變遷，煤體變質(zhì)在持續(xù)且緩慢地進(jìn)行，在變質(zhì)作用的影響下，大量低階煤轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠A煤。在此過程中，煤體對于其內(nèi)部瓦斯氣體的吸附能力，會(huì)隨著變質(zhì)程度的變化而改變，導(dǎo)致不同變質(zhì)程度的煤體其瓦斯吸附能力存在很大差異[6]。在研究該問題過程中，最大鏡質(zhì)組反射率（Ro）成為判斷煤體變質(zhì)程度的主要參數(shù)。研究人員根據(jù)最大鏡質(zhì)組反射率與吸附常數(shù)a與b的關(guān)系，繪制曲線圖（如圖3所示）。

通過分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，如果Ro的數(shù)值不高于1.4，吸附常數(shù)a與Ro之前為正相關(guān)關(guān)系，Ro值越大a值越大；常數(shù)b與Ro也存在正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)Ro值超過3，常數(shù)a值略微下降，從此刻開始a值會(huì)呈現(xiàn)出“V”字型走勢；常數(shù)b則會(huì)呈現(xiàn)出明顯的“八”字型走勢。這就證明煤體變質(zhì)程度越高，則Ro值會(huì)越大，這就代表伴隨著煤體變質(zhì)程度的加深，其吸附瓦斯的極限量會(huì)先呈現(xiàn)上升趨勢，達(dá)到50%極限吸附量的壓力值會(huì)呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，這就代表煤體的瓦斯吸附能力會(huì)隨著煤體變質(zhì)程度的提高，出現(xiàn)先提高后降低的變化特點(diǎn)。

圖3 最大鏡質(zhì)組反射率與煤體吸附常數(shù)關(guān)系圖

3.結(jié)語

煤體瓦斯突出事故具有高破壞力、高隱蔽性的特點(diǎn)，對于煤礦安全生產(chǎn)帶來巨大的挑戰(zhàn)。針對這一問題，相關(guān)研究人員在實(shí)驗(yàn)室對五組變質(zhì)程度不同的煤樣進(jìn)行分析，通過實(shí)驗(yàn)論證煤體變質(zhì)程度與其吸附/解吸能力之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明，在變質(zhì)作用的影響下，煤體會(huì)逐步由低階煤轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠A煤，而與中階煤相比，高階煤與低階煤的瓦斯解吸能力更強(qiáng)，且擴(kuò)散能力更強(qiáng)，一旦其吸附/解吸的平衡被打破，發(fā)生變質(zhì)的煤體孔隙結(jié)構(gòu)中的吸附瓦斯會(huì)快速轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯，進(jìn)而造成瓦斯突出事故，通過上述實(shí)驗(yàn)為煤體瓦斯突出事故的監(jiān)測與預(yù)防提供理論、數(shù)據(jù)支撐。