司磊磊, 席宇君, 王洪洋, 溫志輝, 魏建平

水浸干燥后煤的孔隙結(jié)構(gòu)及瓦斯吸附特性變化規(guī)律

司磊磊1,2,3, 席宇君1,2,3, 王洪洋1,2,3, 溫志輝1,2,3, 魏建平1,2,3

(1. 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室–省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003；3. 河南理工大學 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

在富含水煤系或水力措施后的煤層中，受水溶液的浸泡，煤的孔隙結(jié)構(gòu)及吸附特性發(fā)生改變，為了深入研究其變化規(guī)律，在實驗室利用蒸餾水對2種不同變質(zhì)程度煤樣進行了長時間(60 d)浸泡，采用低溫N2吸附實驗和CO2吸附實驗測試水浸前后煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，采用高壓容量法測試水浸前后煤樣的瓦斯吸附特性。結(jié)果表明，水浸干燥后煤體孔容和比表面積總體呈降低趨勢。其中，低溫N2吸附實驗結(jié)果表明，煤體中大中孔的比表面積最高可降低48.9%；CO2吸附實驗結(jié)果表明，水浸干燥后2種煤樣的微孔孔容和比表面積也呈不同程度的降低趨勢。將水浸煤樣孔隙結(jié)構(gòu)變化分為3個階段，即礦物質(zhì)溶出“增孔”階段、煤基質(zhì)局部膨脹變形“縮孔”階段和煤基質(zhì)整體溶脹變形“擴孔”階段。此外，水浸干燥后煤對瓦斯的吸附能力下降，主要是由于水浸促使煤體產(chǎn)生膨脹變形，且導致微孔隙相互連通，從而降低了煤體微孔孔容和比表面積，降低瓦斯吸附能力。研究成果對進一步掌握富含水煤系或水力化措施后煤層的瓦斯抽采具有指導意義。

水浸；比表面積；孔容；孔隙結(jié)構(gòu)；等溫吸附

瓦斯是影響我國礦井安全生產(chǎn)的重要災害之一[1-2]，特別是我國礦井水文地質(zhì)條件復雜，多數(shù)礦井煤層位于富含水煤系中，使得礦井瓦斯災害的防治工作更加舉步維艱[3-4]。以安徽省宿州市桃園煤礦為例，2013年2月發(fā)生透水事故并造成淹井，經(jīng)過各種排水措施后，在2013年8月26日完成全部排水，并于當年年底重新恢復生產(chǎn)。但是，桃園煤礦在排水后進行瓦斯抽采時發(fā)現(xiàn)，不同淹井區(qū)域的瓦斯抽采效果有所不同[5]。此外，對于經(jīng)水力化措施后的煤層瓦斯抽采或者在煤層氣抽采時，隨著煤中水分的不斷排出，瓦斯抽采效果逐漸變好，除了水分對瓦斯的封堵作用逐漸降低以外，長時間水溶液浸泡對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的溶蝕作用也是不容忽視的影響因素。然而，當前對于水溶液溶蝕作用對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響機制卻仍缺乏足夠的認識。

針對水分對煤體瓦斯運移的影響已經(jīng)達成共識，普遍認為，煤中水分會占據(jù)瓦斯吸附位點，降低煤對瓦斯的吸附能力，堵塞孔隙通道，不利于煤中瓦斯的解吸和滲流[6-7]。但是，在煤層氣抽采、水淹礦井恢復生產(chǎn)后的瓦斯抽采及經(jīng)水力化措施處理后的煤層瓦斯抽采過程中，煤中水分首先會被排采出來，隨著水分的減少，孔隙壓力不斷降低，造成煤中瓦斯逐漸解吸且被抽采出來。目前，針對高壓水對煤體致裂增透效果的影響已基本達成共識[8-10]，但是，對于經(jīng)長時間水溶液浸泡后，煤樣在脫除水分后的孔隙變化規(guī)律及瓦斯吸附能力，尤其是影響瓦斯吸附能力的微小孔隙變化規(guī)律仍缺乏統(tǒng)一結(jié)論。如顧范君[5]通過對水淹礦井桃園礦煤樣的測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過排水后，巷道附近存在滲透率增大區(qū)域，該區(qū)域煤體孔隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)育，有利于瓦斯的抽采；李鋒等[11]通過低溫N2吸附實驗測試發(fā)現(xiàn)，水浸干燥后煤體的孔容和比表面積會有一定的增大趨勢，主要是因為，水溶液浸泡會致使煤中的部分礦物質(zhì)溶出，從而產(chǎn)生新生孔隙。同樣，秦小文[12]通過掃描電鏡測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)水溶液浸泡干燥后的煤體，其孔隙發(fā)育程度增加，且分析認為水溶液的溶脹作用會促使煤微孔隙數(shù)量增加。但是，仍有學者發(fā)現(xiàn)了與上述研究相反的規(guī)律。李鑫[13]通過低溫N2吸附實驗測試了不同浸水時間風干后煤體孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)盡管隨著浸水時間的延長，煤體孔容和比表面積呈先降低后增加的趨勢，但均低于原始煤樣的孔容和比表面積；何勇軍[14]通過掃描電鏡和比表面積分析儀測試了水浸前后煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水溶液浸泡后煤的孔隙數(shù)量明顯增多，而比表面積和孔容卻呈降低趨勢?？梢?，經(jīng)過長時間水溶液的浸泡后，煤體孔隙結(jié)構(gòu)必然會發(fā)生較大的變化，但變化規(guī)律尚未達成共識。歸其本質(zhì)是眾多學者關(guān)于水浸對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響機制仍認識不清，而煤體孔隙結(jié)構(gòu)又是影響瓦斯吸附及流動特性的關(guān)鍵因素[15-16]，因此，仍然需要進一步探索水浸對煤體孔隙結(jié)構(gòu)及瓦斯吸附特性的影響，從而為掌握水淹礦井排水后的瓦斯抽采及煤層氣抽采運移規(guī)律提供理論支撐。

綜上，筆者采用蒸餾水對煤樣進行長時間浸泡，在實驗室模擬水溶液浸泡對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響，然后采用一系列實驗對水浸前后煤體孔隙參數(shù)和瓦斯吸附特性進行測試，從而掌握水浸煤體孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，進而分析水浸對煤體瓦斯吸附特性的影響，從而為水淹礦井排水后或水力措施后煤層瓦斯抽采提供理論指導。

1 實驗方法

本文選取宿州市桃園煤礦(TY)和淮北市童亭煤礦(TT)的煤樣進行實驗，工業(yè)分析等參數(shù)見表1。將井下工作面新鮮掉落的煤塊，密封帶回實驗室后，進行粉碎處理，篩取0.18~0.42 mm的煤樣若干。真空干燥24 h后，將煤樣平均分成兩份，一份直接進行孔隙結(jié)構(gòu)測試和瓦斯吸附實驗，一份進行水浸實驗。水浸時，將選取的煤粉倒入燒杯中，加入蒸餾水，然后密封保存，水浸時間為60 d。水浸完成后，利用抽濾裝置對煤粉進行脫水，然后將煤粉置于真空干燥箱中，真空干燥24 h后再進行孔隙結(jié)構(gòu)測試和瓦斯吸附實驗。瓦斯吸附實驗依據(jù)國家標準GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》進行。在本文中，為了方便表述，將水溶液浸泡前且經(jīng)過干燥的煤樣稱為水浸前煤樣，將水溶液浸泡后且經(jīng)過干燥的煤樣稱為水浸后煤樣。

表1 煤樣基本性質(zhì)

采用低溫N2吸附實驗測試煤樣水浸前后中孔及大孔變化規(guī)律，依據(jù)Brunauer-Emmett-Teller(BET)理論獲得煤樣中孔及大孔的比表面積，依據(jù)Barrett-Joyner-Halenda(BJH)理論獲得煤樣中孔及大孔的孔容及孔徑分布。采用CO2吸附實驗測試煤樣水浸前后的微孔變化規(guī)律，依據(jù)密度泛函理論(DFT)獲得煤樣的微孔孔容和比表面積。孔徑分類依據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合(International Union of Pure and Applied Chemistry，簡稱IUPAC)所提出的分類依據(jù)進行劃分，即：微孔(<2 nm)、中孔(2~50 nm)和大孔(>50 nm)。

2 結(jié)果分析

2.1 低溫N2吸附實驗

低溫N2吸附實驗測試的兩種煤樣，其水浸前后孔隙比表面積和孔容見表2，主要測定2~200 nm的孔隙。圖1為水浸前后干燥煤樣的低溫N2吸附–解吸曲線。IUPAC建議將多孔介質(zhì)的物理吸附曲線分為8個類型[17-18]?？梢园l(fā)現(xiàn)，TY煤樣和TT煤樣的低溫液氮吸附–解吸曲線與IUPAC的分類均有所差異，其形態(tài)更加類似于Ⅱ型與Ⅴ型的結(jié)合型。在低壓階段，隨著相對壓力的升高，氣體吸附量緩慢增加，其等溫吸附線類似于Ⅴ型。在進入高壓階段后，隨著壓力的繼續(xù)升高，氣體吸附量迅速上升，尤其是在極限壓力階段，吸附曲線表現(xiàn)出急劇的增長趨勢，這主要是因為氣體在中孔及大孔中的多分子層吸附所引起的，而IUPAC認為，在無限接近極限壓力時，氣體的多分子層吸附厚度幾乎沒有極限[19]，這是典型的Ⅱ類吸附曲線特征。此外，可以看出，經(jīng)過長時間水溶液浸泡后，2種煤樣的氣體吸附量明顯下降，等溫吸附曲線形態(tài)不變。這說明水浸后煤體孔容和比表面積降低，導致煤對氣體的吸附量減少。而且，在低壓階段煤對氣體吸附量的差異較小，分析認為，在低壓階段煤對氣體分子的吸附主要為單分子層吸附，而單分子層吸附的極限吸附量本來就較小，所以不容易體現(xiàn)出差距，但是到了中高壓階段，煤對氣體的吸附主要是依靠多分子層吸附，吸附量較大，一旦比表面積發(fā)生變化，氣體吸附量的變化就較為明顯。因此，隨著水浸后比表面積的減少，氣體吸附量明顯降低。而隨著壓力的進一步增加，在極限壓力階段，理論上吸附層是無窮多的，所以導致吸附量的差異又逐漸降低。圖2是水浸前后2種煤樣的孔徑分布，可以看出，水浸前后2種煤樣的孔徑主要集中在2~10 nm范圍內(nèi)。而水浸后，2種煤樣的孔隙數(shù)量顯著降低。分析認為，經(jīng)過長時間水溶液的浸泡，水分子會破壞部分煤基質(zhì)，致使多個相互接近的小孔相互貫通，形成較大的孔隙[20]。結(jié)合表2可知，水浸后2種煤樣的比表面積呈現(xiàn)顯著降低的趨勢，其中TY煤樣降低了22.9%，而TT煤樣則降低了48.9%，這也從一定程度說明了水浸會致使部分小孔相互結(jié)合形成大孔，從而致使煤體比表面積降低。需要說明的是，2種煤樣的孔容也呈一定程度的降低，分析認為，這可能是因為低溫N2吸附實驗的孔徑測試范圍有限，只能測試到200 nm以下的孔徑，部分孔隙結(jié)合后可能形成了更大的孔隙，從而導致煤體孔容減少。

表2 低溫N2吸附實驗數(shù)據(jù)

圖1 水浸前后干燥煤樣低溫N2吸附–解吸曲線

圖2 水浸前后煤樣的孔徑分布(低溫N2吸附實驗)

2.2 CO2吸附實驗

CO2吸附實驗結(jié)果見表3，主要測定大小為0.6~1.0 nm的孔隙。圖3為CO2吸附實驗所測得的孔徑分布，相比于低溫N2吸附實驗，CO2吸附實驗可以測得更微小孔隙的變化規(guī)律?？梢钥闯?，整體上水浸后煤樣的孔隙數(shù)量要低于水浸前煤體的孔隙數(shù)量。表3為CO2吸附實驗測試結(jié)果的數(shù)據(jù)匯總，可以看出，水浸后煤樣的微孔孔容和比表面積都呈不同程度的降低趨勢。分析認為，在長時間水溶液的浸泡作用下，煤基質(zhì)會發(fā)生溶脹作用，造成煤基質(zhì)局部膨脹變形，從而導致煤體微孔容和比表面積減小。本文的實驗結(jié)果與秦小文[12]實驗結(jié)果規(guī)律一致。

表3 CO2吸附實驗數(shù)據(jù)

圖3 水浸前后煤樣的孔徑分布(CO2吸附實驗)

2.3 瓦斯等溫吸附實驗

圖4為2種煤樣水浸前后的瓦斯等溫吸附實驗結(jié)果，可以看出，水浸前煤樣的瓦斯吸附量明顯高于水浸后煤樣的瓦斯吸附量。為了進一步得到水浸前后瓦斯吸附量的變化，本文使用Langmuir方程對水浸前后煤樣的吸附曲線進行擬合，從而得到水浸前后煤樣的吸附常數(shù)，具體見表4?？梢钥闯?，水浸后煤樣的極限吸附量(吸附常數(shù))均呈減小趨勢，其中TY煤樣的值從30.55 cm3/g降低到了26.77 cm3/g，TT煤樣的值從21.04 cm3/g降低到了18.15 cm3/g。這表明水浸干燥后，煤樣的吸附能力均呈降低趨勢。分析認為，這主要是因為經(jīng)過長時間的水溶液浸泡，煤體內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。眾所周知，煤中孔隙為瓦斯的吸附提供儲存空間[21]，根據(jù)經(jīng)典的單分子層吸附理論，氣體分子主要吸附在煤的孔隙表面，因此，煤樣孔隙比表面積決定了煤對瓦斯的吸附能力[22-23]。結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)測試結(jié)果可知，經(jīng)過長時間的水溶液浸泡后，2種不同變質(zhì)程度煤樣孔隙比表面積均呈減小趨勢，導致水浸后煤體的瓦斯吸附量減小。此外，吸附常數(shù)表征煤樣達到極限吸附量一半時所對應的平衡壓力的倒數(shù)，水浸后2種煤樣的吸附常數(shù)并沒有呈一致的變化趨勢，其中TY煤樣的值從0.67 MPa–1增加到了0.74 MPa–1，而TT煤樣的值從1.45 MPa–1降低到了1.29 MPa–1。筆者認為，2種煤樣值的變化與煤樣在低壓階段的吸附機理及孔隙結(jié)構(gòu)變化有一定的關(guān)系，具體變化原因仍需進一步分析，而本文主要關(guān)注兩種煤樣的極限吸附量，因此不做過多討論。

表4 水浸前后煤樣瓦斯等溫吸附常數(shù)

圖4 水浸前后煤樣瓦斯等溫吸附實驗結(jié)果

3 討論

本文通過低溫N2吸附實驗和CO2吸附實驗測試了水浸前后干燥煤樣200 nm以下的孔隙結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其孔容和比表面積均呈降低趨勢。分析認為，造成煤體孔容和比表面積發(fā)生變化的原因主要有兩點：①長時間水溶液浸泡會致使煤體發(fā)生溶脹，煤基質(zhì)的膨脹變形致使原有孔容和比表面積減小；②水溶液會對煤體造成侵蝕作用，致使原有的微小孔隙相互連通，形成較大的孔隙。因此，微小孔隙的數(shù)量顯著減少。需要說明的是，本文主要測試了200 nm以下的孔徑，因為更大范圍的孔徑不在本文測試范圍之內(nèi)，所以在測試范圍內(nèi)煤樣的孔容是減小的。

但是，如前文所述，不同學者對水浸前后煤樣孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的認識是不同的，部分學者認為水浸可以溶解煤中礦物質(zhì)、溶蝕煤體，從而造成“增孔”和“擴孔”現(xiàn)象[6,24-25]。然而有學者認為，經(jīng)過水溶液浸泡后，煤體會發(fā)生溶脹，致使煤基質(zhì)發(fā)生膨脹變形，而在脫除水分后，煤體無法恢復到原始狀態(tài)，從而導致煤體孔容和比表面積減小[13-14]。綜合不同學者的研究結(jié)果，筆者認為，水溶液浸泡對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響主要分為3個階段(圖5)：階段一，當水浸時間較短時，水分對煤基質(zhì)的作用較小，但是在煤浸水過程中會沖刷溶蝕煤中礦物質(zhì)，進而在煤中形成新的孔隙，即“增孔”作用。此時，煤的孔容和比表面積會呈一定程度的增加趨勢，具體變化受煤中礦物質(zhì)的賦存種類及含量影響。階段二，隨著水溶液浸泡時間的進一步增加，水溶液會對煤基質(zhì)產(chǎn)生作用，顧范君[5]認為，水分子是極性分子，與煤相互作用除范德華力外主要是氫鍵的弱化學鍵作用，在長時間的浸泡過程中，水溶液會斷裂煤分子結(jié)構(gòu)中原有的氫鍵作用，脫除氫鍵的束縛，從而降低煤大分子之間的交聯(lián)密度，促使煤基質(zhì)膨脹變形。但筆者認為，當煤大分子發(fā)生整體溶脹之前，首先會經(jīng)歷局部膨脹變形階段，即圖5中的階段二，此時煤基質(zhì)發(fā)生局部膨脹變形，導致煤體孔容及比表面積降低。但隨著浸泡時間的進一步延長，也就是水溶液足以引起煤大分子結(jié)構(gòu)在空間上充分伸展松弛時，煤基質(zhì)發(fā)生整體溶脹變形，進而促使煤體原有的一些微小孔隙相互貫通、交聯(lián)形成較大孔隙，即水溶液的“擴孔”作用(階段三)。此外，在水浸過程中，煤中礦物質(zhì)的種類和含量也是影響煤孔隙結(jié)構(gòu)變化的重要因素，如黏土礦物質(zhì)，其水穩(wěn)性較差，遇水溶液膨脹崩解，從而產(chǎn)生大量新生礦物孔隙，并且影響煤基質(zhì)的強度[26]。因此，不同學者使用不同煤樣及不同浸泡時間時，得到的結(jié)果會有所區(qū)別，但究其本質(zhì)，可通過上述3個水浸階段對煤體孔隙結(jié)構(gòu)變化進行解釋。如，Wen Guangcai等[25]研究了水浸30 d后煤樣的孔容變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤樣的孔容呈降低趨勢，認為部分黏土礦物質(zhì)導致的局部膨脹變形是影響煤體孔容減小的重要因素，這與筆者所提出的水浸第二階段相互佐證。秦小文[12]、秦波濤等[27]通過掃描電鏡和低溫N2吸附實驗測試了水浸180 d后不同變質(zhì)程度煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過長時間的水溶液浸泡，煤體微孔、中孔及大孔孔容均呈不同程度的增加趨勢，并認為煤基質(zhì)溶脹變形及礦物質(zhì)溶出是煤孔容變化的主要原因，這與筆者所提出的水浸第三階段互相佐證。而對于水浸的第一階段，筆者并沒有找到十分吻合的文獻數(shù)據(jù)，但可以肯定的是，在相對較短的時間內(nèi)，水溶液的浸泡作用并不會影響煤大分子結(jié)構(gòu)，但煤中的可溶性礦物質(zhì)會溶解于水中，從而造成煤孔隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)育，這基本被廣大學者所認同[28]。

眾所周知，煤中微小孔隙的存在為煤體提供了巨大的比表面積，同時也為瓦斯吸附提供了儲存空間。通過本文測試發(fā)現(xiàn)，水溶液浸泡后煤對瓦斯的吸附能力明顯降低，這主要是因為水溶液浸泡可以促使煤中的微小孔隙數(shù)量、比表面積及孔容顯著降低，進而減少了瓦斯在煤中的吸附位點，從而造成瓦斯吸附量減少。季淮君等[29]研究表明，10 nm孔徑以下的孔隙是瓦斯賦存的主要場所，而經(jīng)過長時間水溶液浸泡，2種變質(zhì)程度煤樣的10 nm以下孔隙變化明顯，其孔容和比表面積均呈顯著降低趨勢，所以造成水浸后煤對瓦斯的吸附能力降低。結(jié)合前文分析，本文對煤樣進行了長達60 d的浸泡，浸泡時間較長，已經(jīng)到達了上文所述的水浸第三階段。需注意的是，盡管在測試范圍內(nèi)，本文所測煤樣的孔容和比表面積均呈降低趨勢，但不代表該煤樣進入水浸影響的第二階段(縮孔階段)，因為第二階段主要為煤基質(zhì)的局部膨脹變形，不存在孔隙數(shù)量的減少，但是當煤中微孔、中孔數(shù)量大幅降低，表明已經(jīng)處于水浸影響的第三階段，所以煤中較多微小孔隙相互溝通，形成較大孔隙，致使微小孔隙減少，進而降低了煤對瓦斯的吸附能力。

本文的研究成果可以為水力化措施后的煤層瓦斯抽采和水淹礦井瓦斯抽采提供一定的理論基礎，主要體現(xiàn)在3個方面：①在使用水力化措施進行煤層增透時，除了對煤體進行致裂增透以外，還可以充分延長水溶液對煤體的溶蝕浸泡時間，進而改變煤體微小孔隙結(jié)構(gòu)，降低煤對瓦斯的吸附能力，從而提高抽采效果；②對于水淹礦井恢復生產(chǎn)后的瓦斯抽采，應充分考慮不同水淹區(qū)域煤體孔隙結(jié)構(gòu)受到的影響，針對不同的水淹區(qū)域，制定合理抽采方案；③在煤層氣井的長期排采過程中，隨著水分的逐漸排出，水鎖效應降低的同時，煤體孔隙結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化，在預估煤層瓦斯抽采效果時，應充分考慮孔隙結(jié)構(gòu)變化所帶來的影響，從而準確預估煤層瓦斯抽采量。

圖5 水浸煤體孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

4 結(jié)論

a.采用低溫N2吸附實驗測試了水浸前后煤樣2~200 nm的孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，結(jié)果表明，水浸后煤樣的N2吸附量明顯降低，此外，水浸后煤樣的比表面積和孔容都呈不同程度的降低趨勢，其中TT煤樣的比表面積降低尤為明顯，下降了48.9%。

b.采用CO2吸附實驗測試了水浸前后煤樣0.6~1.0 nm的孔隙結(jié)構(gòu)變化率，結(jié)果表明，水浸后煤樣的微孔孔容和比表面積均呈降低趨勢，分析認為，經(jīng)長時間水溶液浸泡后，煤基質(zhì)會發(fā)生局部膨脹變形，從而造成孔容和比表面積降低。

c.采用高壓容量法測試了水浸前后煤對瓦斯的吸附特性，結(jié)果表明，水浸后煤對瓦斯的吸附能力降低，結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)測試可知，水浸致使煤體孔容和比表面積降低，特別是微孔孔容和比表面積呈下降趨勢，從而導致煤對瓦斯的吸附能力降低。

d.將水浸對煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響劃分為3個階段：階段一，礦物質(zhì)溶出“增孔”階段；階段二，煤基質(zhì)局部膨脹變形，“縮孔”階段；階段三，煤基質(zhì)整體溶脹、崩塌、變形，“擴孔”階段。結(jié)合水浸對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，建議充分利用水力化措施后水對煤體的溶蝕作用，進而加強水溶液對煤體微小孔隙的改造，降低瓦斯吸附能力，提升抽采效果。同時，在水淹礦井及煤層瓦斯抽采過程中，應考慮水分對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響，進而準確預估煤層瓦斯抽采效果，合理制定抽采方案。

[1] 毛志勇，黃春娟，路世昌，等. 基于APSO-WLS-SVM的含瓦斯煤滲透率預測模型[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(2)：66–71. MAO Zhiyong，HUANG Chunjuan，LU Shichang，et al. Model of gas-bearing coal permeability prediction based on APSO-WLS-SVM[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(2)：66–71.

[2] 藍航，陳東科，毛德兵. 我國煤礦深部開采現(xiàn)狀及災害防治分析[J]. 煤炭科學技術(shù)，2016，44(1)：39–46. LAN Hang，CHEN Dongke，MAO Debing. Current status of deep mining and disaster prevention in China[J]. Coal Science and Technology，2016，44(1)：39–46.

[3] SI Leilei，ZHANG Hongtu，WEI Jianping，et al. Modeling and experiment for effective diffusion coefficient of gas in water-saturated coal[J]. Fuel，2021，284：118887.

[4] SI Leilei，LI Zenghua，YANG Yongliang，et al. Modeling of gas migration in water-intrusion coal seam and its inducing factors[J]. Fuel，2017，210：398–409.

[5] 顧范君. 桃園煤礦長時水淹后煤體瓦斯吸附及滲流特性的實驗研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2016. GU Fanjun. Experimental study of methane adsorption & seepage characteristics of coal in Taoyuan colliery after long-term water immersion[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2016.

[6] 司磊磊. 水侵煤體瓦斯運移機理及應用研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2019. SI Leilei. Mechanism of gas transport in water-intrusion coal seam and its application[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2019.

[7] SI Leilei，LI Zenghua，XUE Dingzhi，et al. Modeling and application of gas pressure measurement in water-saturated coal seam based on methane solubility[J]. Transport in Porous Media，2017，119(1)：163–179.

[8] 王緒性，王杏尊，郭布民，等. 鄂爾多斯盆地東部深部煤層氣井壓裂工藝及實踐[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(1)：92–95. WANG Xuxing，WANG Xingzun，GUO Bumin，et al. Technology and practice for deep CBM fracturing in eastern Ordos Basin[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(1)：92–95.

[9] DAVIES R J，MATHIAS S A，MOSS J，et al. Hydraulic fractures：How far can they go?[J]. Marine and Petroleum Geology，2012，37(1)：1–6.

[10] LIN Baiquan，YAN Fazhi，ZHU Chuanjie，et al. Cross-borehole hydraulic slotting technique for preventing and controlling coal and gas outbursts during coal roadway excavation[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2015，26：518–525.

[11] 李鋒，安世崗，邢真強. 水浸煤孔隙結(jié)構(gòu)及自燃特性試驗研究[J]. 煤炭科學技術(shù)，2019，49(增刊2)：208–212. LI Feng，AN Shigang，XING Zhenqiang. Experimental study on pore structure and spontaneous combustion characteristics of submerged coal[J]. Coal Science and Technology，2019，49(Sup.2)：208–212.

[12] 秦小文. 浸水風干煤體低溫氧化特性研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2015. QIN Xiaowen. Study on characteristics of low temperature oxidation of air-dried coal soaked in water[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2015.

[13] 李鑫. 浸水風干煤體自然氧化特性參數(shù)實驗研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2014. LI Xin. Experimental study on characteristic parameters of spontaneous combustion of soaked and air-dried coal[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2014.

[14] 何勇軍. 水浸煙煤低溫氧化過程中微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律研究[D]. 西安：西安科技大學，2016. HE Yongjun. Study on microstructure variation of soaked bitumite on low temperature oxidation process[D]. Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2016.

[15] YANG Yongliang，SI Leilei，LI Zenghua，et al. Experimental study on effect of CO2-alkaline water two-phase gas displacement and coal wetting[J]. Energy & Fuels，2017，31(12)：14374–14384.

[16] YANG Yongliang，LI Zenghua，SI Leilei，et al. Study governing the impact of long-term water immersion on coal spontaneous ignition[J]. Arabian Journal for Science and Engineering，2016，42(4)：1359–1369.

[17] THOMMES M，KANEKO K，NEIMARK A V，et al. Physisorption of gases，with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution(IUPAC Technical Report)[J]. Pure and Applied Chemistry，2015，87(9/10)：1051–1069.

[18] JIN Kan，CHENG Yuanping，LIU Qingquan，et al. Experimental investigation of pore structure damage in pulverized coal：Implications for methane adsorption and diffusion characteristics[J]. Energy & Fuels，2016，30(12)：10383–10395.

[19] SI Leilei，LI Zenghua，YANG Yongliang，et al. Experimental investigation for pore structure and CH4release characteristics of coal during pulverization process[J]. Energy & Fuels，2017，31(12)：14357–14366.

[20] 楊赫，程衛(wèi)民，劉震，等. 注水煤體有效滲流通道結(jié)構(gòu)分形特征核磁共振試驗研究[J]. 巖土力學，2020，41(4)：1279–1286. YANG He，CHENG Weimin，LIU Zhen，et al. Fractal characteristics of effective seepage channel structure of water infusion coal based on NMR experiment[J]. Rock and Soil Mechanics，2020，41(4)：1279–1286.

[21] LIU Peng，WANG Xiaofeng，LI Xiaofu，et al. Competitive adsorption characteristics of CH4/C2H6gas mixtures on model substances，coal and shale[J]. Fuel，2020，279：118038.

[22] 楊宏民，任子陽，王兆豐. 煤對氣體吸附特征的研究現(xiàn)狀及應用前景展望[J]. 煤，2009，18(8)：1–4. YANG Hongmin，REN Ziyang，WANG Zhaofeng. Research and application prospects of gases adsorption characteristics of coal[J]. Coal，2009，18(8)：1–4.

[23] 桑樹勛，朱炎銘，張井，等. 煤吸附氣體的固氣作用機理(Ⅱ)：煤吸附氣體的物理過程與理論模型[J]. 天然氣工業(yè)，2005，25(1)：16–18.SANG Shuxun，ZHU Yanming，ZHANG Jing，et al. Solid gas interaction mechanism of coal adsorbed gas(Ⅱ)：Physical process and theoretical model of coal adsorbed gas[J]. Natural Gas Industry，2005，25(1)：16–18.

[24] YANG Yongliang，ZHANG Qiang，GU Fanjun，et al. Impacts of long-term water inrush on characteristics of coal gas adsorption and seepage[J]. International Journal of Oil，Gas and Coal Technology，2016，13(3)：305–320.

[25] WEN Guangcai，YANG Shuo，LIU Yanbao，et al. Influence of water soaking on swelling and microcharacteristics of coal[J]. Energy Science and Engineering，2019，8(1)：1–11.

[26] 孫旭明. 長期水浸煤中溶出物質(zhì)及對煤自燃特性的影響研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2015.SUN Xuming. Research on dissolved substances from coal and influence on propensity of coal to spontaneous combustion in the long-term soak[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2015.

[27] 秦波濤，宋爽，戚緒堯，等. 浸水過程對長焰煤自燃特性的影響[J]. 煤炭學報，2018，43(5)：1350–1357QIN Botao，SONG Shuang，QI Xuyao，et al. Effect of soaking process on spontaneous combustion characteristics of long- flame coal[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(5)：1350–1357.

[28] 潘俊鋒，寧宇，藍航，等. 基于千秋礦沖擊性煤樣浸水時間效應的煤層注水方法[J]. 煤炭學報，2012，37(增刊1)：19–25.PAN Junfeng，NING Yu，LAN Hang，et al. Water injection methods in coal bed based on experiments of water immersion time effect of Qianqiu coal samples with burst trend[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(Sup.1)：19–25.

[29] 季淮君，李增華，彭英健，等. 煤的溶劑萃取物成分及對煤吸附甲烷特性影響[J]. 煤炭學報，2015，40(4)：856–862.JI Huaijun，LI Zenghua，PENG Yingjian，et al. Analysis of extracts and effects of them on methane adsorption characteristics of coal[J]. Journal of China Coal Society，2015，40(4)：856–862.

The characteristics of pore structure and gas adsorption for water-immersion coal after drying

SI Leilei1,2,3, XI Yujun1,2,3, WANG Hongyang1,2,3, WEN Zhihui1,2,3, WEI Jianping1,2,3

(1.School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 3. State Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety and Clean-efficiency Utilization, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

In order to investigate the characteristics of pore structure and methane adsorption for water-immersion coal after drying, two coal samples with different ranks were soaked in distilled water for a long time(60 d). Then, the low-temperature N2adsorption experiments and CO2adsorption experiments were carried out to investigate the changing rules of pore structure for coal before and after water immersion, and the high-pressure capacity method was used to test the characteristics of methane adsorption. Results showed that the pore volume and specific surface area of coal decreased after water immersion. According to the results of low-temperature N2adsorption, the specific surface area of mesopore and macropore can be reduced by up to 48.9%. CO2adsorption experiments shows that the pore volume and specific area of micropore decrease in varying degrees. The changes of pore structure consists of three stages, namely, the “pore increase” stage of mineral dissolution, the “shrinkage” of local expansion of coal matrix, and the “pore expansion” of overall swelling of coal matrix. In addition, the adsorption capacity of coal decreases after water immersion due to the interconnection of micropores caused by coal expansion and deformation, which reduces the pore volume and specific surface area of coal micropores. The research results have a guiding significance for gas drainage in water-rich coal measures and coal seam after hydraulic measures.

water immersion; specific surface area; pore volume; pore structure; adsorption isotherm

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語音講解

TD712

A

1001-1986(2021)01-0100-08

2020-11-03；

2020-12-28

中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項目(204200510032)；國家自然科學基金項目(52004083)

司磊磊，1991年生，男，河南博愛人，博士，講師，從事礦井瓦斯防治工作. E-mail：si_leilei@hpu.edu.cn

魏建平，1971年生，男，河南駐馬店人，博士，教授，從事礦井瓦斯防治工作. E-mail：hpuwjp@163.com

司磊磊，席宇君，王洪洋，等.水浸干燥后煤的孔隙結(jié)構(gòu)及瓦斯吸附特性變化規(guī)律[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：100–107. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.010

SI Leilei，XI Yujun，WANG Hongyang，et al. The characteristics of pore structure and gas adsorption for water-immersion coal after drying[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：100–107. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.01.010

(責任編輯 范章群)