秦興林

(煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

瓦斯是在成煤過(guò)程中伴隨產(chǎn)生的，大量瓦斯以游離態(tài)和吸附態(tài)儲(chǔ)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(dāng)前，低透煤層在我國(guó)廣泛分布，由于煤層透氣性差，不利于瓦斯運(yùn)移，從而影響瓦斯抽放效果[4-5]。為解決這一問(wèn)題，需要增強(qiáng)煤層的透氣性。目前煤層增透技術(shù)的方法主要有：高壓水射流擴(kuò)孔增透、水力壓裂增透、水力割縫、深孔預(yù)裂爆破等[6-7]，其中，水力化措施應(yīng)用最為普遍[8-9]。這些水力化工藝的實(shí)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(huì)抑制瓦斯吸附，另一方面也會(huì)在一定程度上促進(jìn)瓦斯解吸。

基于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相應(yīng)的研究，Crosdale等[10]針對(duì)新西蘭次煙煤開(kāi)展了不同水分含量和不同溫度條件下的瓦斯吸附特性實(shí)驗(yàn)，證實(shí)煤中的水分含量對(duì)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(guó)煙煤為研究對(duì)象，將實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合，對(duì)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(huì)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(duì)4種不同變質(zhì)程度的煤樣，開(kāi)展了6種水分含量條件下的瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)D-A方程對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhì)結(jié)構(gòu)模型，針對(duì)含水煤層瓦斯抽放進(jìn)行了氣-固-液耦合數(shù)值模擬，并分析了水分、應(yīng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為不同變質(zhì)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(jié)構(gòu)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(rèn)為水分子會(huì)占據(jù)大量空間，與氣體展開(kāi)吸附競(jìng)爭(zhēng)，從而降低煤體氣體吸附性能。

本文針對(duì)2種不同變質(zhì)程度的煙煤煤樣，進(jìn)行不同水分條件下的瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征，從微觀角度揭示水分對(duì)煤體瓦斯吸附特性的影響機(jī)理，從而為煤礦瓦斯防治提供參考[16-18]。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)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(hào)、4號(hào)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(dá)111.9m，其中15號(hào)煤層為可采煤層。本文所用煤樣采自3號(hào)和15號(hào)煤層，分別命名為WZ3和WZ15。對(duì)所選煤樣進(jìn)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(guó)標(biāo)GB/T 212-2008進(jìn)行工業(yè)分析，煤樣鏡質(zhì)組反射率的測(cè)定按照國(guó)標(biāo)GB/T 6948-1998進(jìn)行，煤樣的基本參數(shù)見(jiàn)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(guò)0.1%，即可認(rèn)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(guó)標(biāo)GB/T 19560-2004，通過(guò)控制吸附時(shí)長(zhǎng)來(lái)獲得不同水分含量煤樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

采用高壓容量法對(duì)不同水分含量煤樣進(jìn)行瓦斯等溫吸附實(shí)驗(yàn)，遵循國(guó)標(biāo)GB/T19560-2004《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》，所使用的儀器為美國(guó)TerraTek公司生產(chǎn)的ISO-300型等溫吸附儀，設(shè)置的實(shí)驗(yàn)壓力范圍為0～5 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為30℃。采用壓汞法測(cè)試不同軟硬煤的孔隙結(jié)構(gòu)，所用儀器為美國(guó)康塔公司生產(chǎn)的PoreMaster-60型全自動(dòng)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(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guò)程遵循Langmuir單分子層吸附理論，因此，可用Langmuir方程來(lái)描述，即

(1)

式中，P為瓦斯吸附壓力，MPa；PL為L(zhǎng)angmuir壓力，MPa；V為瓦斯吸附體積，cm3/g；VL為L(zhǎng)angmuir體積，cm3/g。

圖1 不同水分含量煤樣瓦斯吸附曲線

通過(guò)Langmuir方程擬合得到了瓦斯吸附參數(shù)VL和PL，如表2所示。結(jié)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(nèi)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(shí)的瓦斯吸附量最大。具體來(lái)看，對(duì)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(duì)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(jié)構(gòu)特征

依據(jù)霍多特的十進(jìn)制孔隙分類方法可將孔隙分為：微孔(<10nm)、過(guò)渡孔(10～100nm)、中孔(100～1000nm)和大孔(>1000nm)。這2種煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)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(guò)渡孔占據(jù)了絕大部分的孔比表面積和孔容，這和普遍認(rèn)為的高階煤孔隙以微孔和小孔為主的觀點(diǎn)相符。對(duì)比這兩種煤樣可以發(fā)現(xiàn)，該兩種煤樣的孔結(jié)構(gòu)差異較大。在不同的孔徑段范圍內(nèi)，WZ15煤樣的孔容、孔比表面積均明顯大于WZ3煤樣，這說(shuō)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(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 水分對(duì)煤體瓦斯吸附特性的影響機(jī)理

圖2為水分含量和煤體瓦斯吸附量之間的關(guān)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(dāng)煤中水分含量升高至2.79%時(shí)，煤體瓦斯吸附量基本不再變化。整個(gè)變化過(guò)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(duì)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(guān)系。筆者根據(jù)這種看似線性變化關(guān)系，對(duì)圖1(b)中WZ15煤樣的吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，分析結(jié)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(guān)系數(shù)R2=0.9893，線性擬合效果較好。

圖2 水分含量對(duì)煤體瓦斯吸附的影響

煤的變質(zhì)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(jié)合煤體孔隙結(jié)構(gòu)來(lái)看，WZ3煤樣的孔容總計(jì)為0.0211cm3/g，WZ15煤樣為0.0299cm3·g-1，二者的累計(jì)孔容比較接近；但WZ15煤樣的累計(jì)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(jié) 論

本文針對(duì)2種不同變質(zhì)程度的煙煤煤樣，開(kāi)展了不同水分含量條件下的瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試了煤樣的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，得到的主要結(jié)論如下：

(1)吸附實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(shí)驗(yàn)表明，在不同的孔徑段范圍內(nèi)，WZ15煤樣的孔容、孔比表面積尤其是微孔、過(guò)渡孔的孔隙和孔比表面積均明顯大于WZ3煤樣，說(shuō)明WZ15煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)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(duì)于不同孔隙結(jié)構(gòu)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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