王小聰,黃再娟
(1.煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室,河南 平頂山 467000;2.平煤股份煤炭開采利用研究院,河南 平頂山 467000)
煤炭是我國能源供應體系中的“穩(wěn)定器”和“壓艙石”[1],在國民經(jīng)濟發(fā)展中起到十分重要的作用。我國煤礦地質(zhì)條件復雜,瓦斯災害一直是煤礦的主要災害,是深部礦井的第一大災害[2-3],嚴重威脅煤礦的安全生產(chǎn)[4]。平頂山礦區(qū)經(jīng)過70 多年的發(fā)展,已逐步進入深部開采階段,大部分礦井開采深度超過700 m 以下,有的甚至超千米[5]。隨著開采深度的增加,高溫、高地應力、高瓦斯壓力等相互交織作用,所面臨的瓦斯治理問題變得十分嚴峻[6],給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。研究深部煤層瓦斯吸附規(guī)律,對礦井區(qū)域瓦斯治理和抽采達標具有重要的指導意義。
煤是天然吸附劑,是一種內(nèi)部含有大量孔隙的物質(zhì),具有很大的表面積[7]。瓦斯吸附常數(shù)是衡量煤吸附瓦斯能力大小的指標,是煤層瓦斯基礎參數(shù)中重要的組成部分。前人對煤的瓦斯吸附性能方面做了大量的研究,有學者認為,隨吸附平衡溫度升高,同一煤樣的瓦斯吸附量減少[8];還有學者認為,煤的煤化程度越高和存儲瓦斯的能力密切相關,煤的變質(zhì)程度越高,煤層瓦斯含量越大[9]。總之,影響煤的吸附性能因素較多,主要有煤的變質(zhì)程度、煤巖粒徑、水分、灰分、孔隙率、溫度、壓力以及地質(zhì)構(gòu)造等。
在平頂山礦區(qū)深部煤層不同地點采集10 個實驗煤樣,實測煤的工業(yè)分析、真密度、孔隙率等參數(shù),模擬井下溫度為30℃時,在不同瓦斯壓力情況下,煤樣的瓦斯吸附能力,并對數(shù)據(jù)進行分析對比,分析吸附曲線,研究深部煤層瓦斯賦存規(guī)律。
在平煤股份一礦、四礦、五礦、八礦、十礦、十二礦、十三礦等7 對礦井,采集10 個試驗煤樣,煤樣埋深分布范圍為700 ~1 100 m。對采集到的煤樣進行篩分,進行煤的工業(yè)分析、真密度、孔隙率等參數(shù)測定,將瓦斯吸附試驗的煤樣放入干燥箱中。實測實驗煤樣水分(Mad)、灰分(Ad)、揮發(fā)分(Vdaf)、真密度結(jié)果見表1。
表1 實驗煤樣煤質(zhì)參數(shù)情況Table 1 Coal quality parameters of experimental coal samples
實驗儀器選用中煤科工集團沈陽研究院研制的WY-98A 型瓦斯吸附常數(shù)測定儀,吸附實驗過程:將已篩分的煤樣烘干4 h,選取25 g 裝入吸附罐中,先在水浴60℃下脫氣4 h,脫氣結(jié)束后,水浴溫度降到30℃時,再進行甲烷吸附,吸附壓力由低到高設置7 個點,第1 ~2 點每點需吸附7 h,其余各點吸附4 h,整個試驗運行時間約38 h。吸附壓力點位設定見表2。
表2 吸附壓力情況Table 2 Adsorption pressure
將采集到的10 個實驗煤樣,分別進行吸附實驗,各吸附壓力點位吸附瓦斯量見表3。
表3 各壓力點位瓦斯吸附量Table 3 Gas adsorption capacity at each pressure point
由表3 可知,煤樣在瓦斯等溫高壓吸附過程中,吸附實驗的前期(第一點和第二點),吸附量快速增大,是吸附瓦斯量的主要組成部分,隨著吸附壓力的增大,瓦斯吸附量顯著降低,在吸附壓力第六點上時,衰減明顯,緩慢達到飽和吸附量。
煤樣完成吸附實驗后得到瓦斯吸附曲線和吸附常數(shù)(a、b 值)。瓦斯吸附常數(shù)結(jié)果見表4,吸附曲線如圖1、圖2 所示。
圖1 實驗煤樣吸附曲線1Fig.1 Adsorption curve 1 of experimental coal sample
圖2 實驗煤樣吸附曲線2Fig.2 Adsorption curve 2 of experimental coal sample
表4 煤的甲烷吸附試驗結(jié)果Table 4 Methane adsorption test results of coal
許多研究表明,煤層埋深到達一致深度后,瓦斯吸附量與其不再是簡單的正相關關系,而是多重因素相互影響的結(jié)果[10]。煤樣吸附實驗結(jié)果,吸附常數(shù)a 的范圍為18.911 ~29.842 m3/t,吸附常數(shù)b的范圍為0.396 ~0.851 MPa-1,瓦斯吸附量和埋深沒有明顯正相關關系,這和前人研究成果一致。
由圖1 ~圖2 可以看出,實驗煤樣吸附曲線符合langmuir 吸附方程,同時不同采樣地點煤樣的吸附常數(shù)(a、b 值) 差距較大,且無規(guī)律可循。采集煤樣中,1 號煤樣瓦斯吸附量最大,為22.95 m3/t,3 號煤樣瓦斯吸附量最小,為13.62 m3/t。吸附曲線表現(xiàn)為,同一溫度條件下,伴隨吸附瓦斯壓力增大,吸附瓦斯量逐漸增大,瓦斯壓力增大到一定程度時,吸附量顯著降低,最終趨于吸附飽和,達到極限瓦斯吸附量。
平頂山礦區(qū)深部煤層瓦斯吸附量,吸附曲線呈現(xiàn)出開始吸附量急劇增大,隨著壓力增大,吸附量逐漸放緩,在吸附壓力達到5 MPa 時,趨于飽和吸附量,達到吸附動平衡。實驗煤樣瓦斯吸附量與煤樣的埋藏深度并無直接關系,而與煤樣的煤質(zhì)參數(shù)關系密切,特別是煤的揮發(fā)分(Vdaf),呈現(xiàn)出揮發(fā)分越高,吸附甲烷量越低的反比例關系。吸附階段前期,在吸附壓力點位的第一點(1.0 MPa) 和第二點(1.8 MPa),吸附瓦斯量較大,在飽和吸附量中占比超過70%,是煤層吸附瓦斯含量的主要部分,在實際生產(chǎn)中也是造成瓦斯災害的重要原因,在很大程度上,決定煤與瓦斯突出災害的強度。
(1) 實驗結(jié)果表明,深部煤層瓦斯吸附曲線符合langmuir 吸附曲線方程。
(2) 在瓦斯吸附過程中,隨著吸附壓力增大,瓦斯吸附量急劇增加,然后吸附量明顯降低,在吸附壓力達到5 MPa 左右時,趨于飽和吸附量,逐漸達到吸附動平衡。平頂山礦區(qū)深部煤層,吸附壓力達到1.8 MPa 時,吸附瓦斯量在飽和吸附量中占比超過70%,是煤層瓦斯含量主要組成部分,對礦井瓦斯災害治理具有指導意義。
(3) 煤樣揮發(fā)分是影響煤的瓦斯吸附性能的重要因素,存在煤的揮發(fā)分越大,甲烷吸附性能越小的反比關系。