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)實驗室， 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方法對構(gòu)造煤變形和納米級孔隙結(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)及其對瓦斯特性的控制機(jī)理時指出不同類型構(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]研究指出納米級比表面積決定煤的吸附能力，吸附常數(shù)隨著納米級孔比表面積增加呈線性增加，納米級孔容積決定煤的吸附速率，吸附常數(shù)隨著納米級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驗研究構(gòu)造煤的納米孔隙結(jié)構(gòu)特征。利用等溫吸附實驗對構(gòu)造煤和原煤吸附能力進(jìn)行差異分析，解釋構(gòu)造煤納米孔隙對瓦斯吸附能力的內(nèi)在因素。

1 實驗樣品的制備

此次實驗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）作為實驗煤樣，取自不同煤級和不同地質(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 實驗內(nèi)容

2.1 低溫液氮實驗

本次低溫液氮測試采用ASAP2020全自動分析儀，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算煤樣的比表面積，采用BJH模型計算煤樣的孔容。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，對實驗所得數(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 等溫吸附實驗

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)行等溫吸附實驗，分析3個煤級的構(gòu)造煤和原煤對瓦斯吸附量的大小，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)造煤納米孔隙對瓦斯的吸附有積極的作用，其原因可能是納米級孔隙孔徑（＜100 nm）能夠為瓦斯吸附提供大量的空間。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瓦斯吸附量具有明顯的促進(jìn)作用，因此煤對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)律與低溫液氮實驗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)造破壞作用對小孔作用很大，促進(jìn)小孔的發(fā)育，對比表面積增加做出很大貢獻(xiàn)，同時為瓦斯吸附提供了可吸附空間。因此，構(gòu)造煤納米級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，不同煤級構(gòu)造煤的階段比表面積在約50 nm處都出現(xiàn)一個峰值，該處的比表面積對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，因為在低壓階段，當(dāng)微小孔隙的直徑與甲烷分子相當(dāng)時，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，相對原煤而言，構(gòu)造煤納米級孔隙對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；從納米級孔隙的變化，解釋了古漢山礦、薛湖礦構(gòu)造煤相對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)造煤納米級孔隙是影響瓦斯吸附量的主要因素。

（3）在外在高壓作用時，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。