不同煤体结构高阶煤基质的甲烷吸附实验研究

申恒明，李国庆，成 龙

(1.陕西省核工业地质调查院，陕西 西安 710100；2．中国地质大学 资源学院，湖北 武汉 430074；3.陕西省煤层气开发利用有限公司,陕西 西安 710600)



不同煤体结构高阶煤基质的甲烷吸附实验研究

申恒明1，李国庆2，成 龙3

(1.陕西省核工业地质调查院，陕西 西安 710100；2．中国地质大学 资源学院，湖北 武汉 430074；3.陕西省煤层气开发利用有限公司,陕西 西安 710600)

为研究不同煤体结构高阶煤基质的甲烷吸附特征，降低在地下开采构造软煤层时，发生煤与瓦斯突出风险；提高构造软煤层煤层气的地面采集效果。文中采用实验研究的方法，对沁水盆地南部寺河矿主采3#煤层中的构造变形煤进行了分类描述、显微煤岩组分的定量观测、真密度的测定和工业分析，并以甲烷气为吸附质通过等容量法高压吸附实验，分析了不同煤体结构高阶煤基质的吸附特征差异。结果表明：寺河矿高阶煤层变形以脆性变形为主，主要煤体结构可分为原生结构、碎裂结构、碎斑结构、碎粒结构，局部出现碎粉煤；在相同的温度、粒度、吸附平衡压力等条件下，高阶煤基质对甲烷的吸附能力：原状煤>碎粉煤>碎裂煤>碎斑煤>碎粒煤。即在一定构造破坏范围内，高阶煤基质对甲烷的吸附能力，表现出随构造破坏程度的增加而降低的特征；而当煤体构造破坏超出这一范围，即达碎粉煤阶段后，吸附能力又有所提高，介于原状煤与碎裂煤之间。

构造煤；煤体结构；甲烷；吸附常数

0 引 言

构造煤是煤层受到构造挤压和剪切破坏作用的产物，由于受力大小、作用范围和受力状态的非均衡性，使煤层丧失了原来的均质、层理清晰的条带状结构，而形成破碎的颗粒或粉状的构造破坏煤[1]。关于构造煤的分类，焦作工学院地质研究所，根据煤的宏观结构和微观特点，煤炭结构分为原状煤，破碎煤，粉碎煤和糜棱煤。姜波等根据构造煤的结构特点和形成时环境特征，将构造煤分为2大系列分别为碎裂煤和糜棱煤，进一步将煤体根据变形程度分成了7个类型[2]。郭德勇根据构造煤发育区的煤与瓦斯突出情况，结合井下构造煤的成因类型和结构类型，探讨构造煤的产生对煤与瓦斯突出灾害的影响和其形成的力学机制[3]。国内甲烷的吸附理论在20世纪90年代初开始，在国际研究成果基础上，延续了其研究方向，即用拉格朗日模型来对煤岩吸附甲烷的过程进行描述[4-6]。周胜国等人对煤的吸附/脱附等温线规律及其影响因素等内容进行了详细分析，认为煤岩吸附量的方法测试，应该考虑吸附相对体积方面的影响[7]。桑树勋、朱炎鸣对沁水盆地煤样品煤孔隙分析和吸附等温线的基础上从煤和岩石固体和气体的气体的物理和化学吸附机理的水平进行了讨论，认为煤对甲烷吸附体系应存在着多元化的吸附模型[8]。中国的中高煤阶煤盆地成煤时间相对较早、埋深较大，经历了多期次构造运动与热变质时间，构造煤分布较为广泛。构造煤被认为是瓦斯突出煤层，常常具有机械强度低、透气性差、瓦斯含量高的特点，严重影响地下煤矿安全生产以及地面煤层气井的开发效益[9-11]。煤层在遭受构造作用改造过程中，可能会发生一些列物理化学变化，导致其孔隙结构与吸附能力也发生改变，而对于构造煤的吸附特征认识还不充分。

文中以沁水盆地南寺河矿主采3#煤为研究对象，进行了构造变形煤的分类描述、显微煤岩组分的定量观测、真密度的测试和工业分析，并以甲烷气为吸附质采用高压容量法进行吸附实验，分析不同煤体结构煤基质吸附特征差异[12-14]。

1 样品描述

在寺河矿井下采取了不同构造变形程度的煤样6袋，依次编号SH-1，SH-2，SH-3，SH-4，MSH-5；采煤区域均为断层构造附近。参照前人构造煤的分类方案[15-17]，本次研究采集的构造煤样品类型见表1.

表1 构造煤样品分类和描述Tab.1 Classification and description of tectonic coal samples

2 工业分析

在进行等温吸附试验前需要获得煤的水分(Mad)、灰分(Aad)、挥发分(Vdaf)和密度等数据，采用自动工业分析仪进行了煤的工业分析，测定了水分、灰分、挥发分的含量，结果见表2，结果表明sh-6灰分产率超过60%，已不属于煤炭。

3 显微煤岩组分观测

对样品中的原状煤、碎裂煤、碎斑煤和碎粒煤的煤岩显微组分、镜质体反射率进行定量观测，结果见表3所示，煤样均属于高阶无烟煤。

4 真密度测试

采用比重瓶法测定煤的真密度，以水做置换介质，根据阿基米德原理进行计算。方法要点:以十二烷基硫酸钠溶液为润湿剂，使煤样在比重瓶中润湿、沉降并排除吸附的气体，根据煤样质量和它排出的纯水的质量计算煤的真密度。

表2 煤样的工业分析结果表Tab.2 Coal industry analysis results

表3 煤岩组分分析结果Tab.3 Maceral analysis data in Sihe coalmine

表4 比重瓶法测量真密度Tab.4 Measurement results of true density by pyknometer method

(1)

式中 TRD为干燥煤的真相对密度； Md为干燥煤样质量，g；M1为密度瓶中加煤样、浸润剂和水的质量，g； M2为密度瓶中加浸润剂和水的质量，g；K为t ℃下校正系数。

5 吸附实验

根据国家标准GB/T19560-2008《煤的高压等温吸附试验方法 容量法》进行吸附实验。实验所采用设备为HCA型高压容量法吸附装置。该装置可为实验室测试煤样瓦斯吸附常数提供可靠直观的数据。吸附装置主要有称量系统、干燥系统、脱气系统、充气系统、吸附系统和监测系统6部分组成。在30 ℃恒温条件下进行甲烷吸附实验，每组样品测得7个压力点处的甲烷吸附量。

通过HCA型高压容量法吸附装置甲烷等温吸附实验，结合瓦斯压力、工业分析、煤的真假密度数据，得到甲烷的吸附常数a和b，来计算煤样的吸附能力。实验中拟合得到的吸附常数见表5.

表5 甲烷吸附实验成果表

Tab.5 Table of methane adsorption experimental results

图1 寺河矿构造变形煤煤样甲烷的等温吸附曲线

结果表明，寺河矿原生结构煤SH-4煤样在整条等温吸附曲线上对甲烷的吸附能力都高于脆性结构变形煤中的碎裂煤SH-2、碎斑煤SH-3和碎粒煤SH-1；SH-4原状煤拟合得到的最大吸附量约为51.26 cm3/g，而碎裂煤SH-2、碎斑煤SH-3和碎粒煤SH-1的吸附量分别为40.28,36.52和33.90 cm3/g远小于原状煤的吸附量；由此可以看出同一煤层不同构造程度脆性变形序列煤对甲烷的吸附能力：原状煤>碎裂煤>碎斑煤>碎粒煤。

从图1可以看出，同属于脆性变形序列的碎粉煤SH-5对甲烷的吸附，没有表现出同变形序列构造煤的规律性，其吸附能力在4 MPa压力点附近超过碎裂煤，并且吸附量还有增大趋势，但还是要小于原生结构煤，拟合得到的碎粉煤最大吸附量为42.53 cm3/g.

6 结 论

1)寺河矿高阶煤层变形以脆性变形为主，主要煤体结构可分为有原生结构、碎裂结构、碎斑结构、碎粒结构，镜质组反射率构造煤较原生结构煤均有降低;

2)在相同的温度、粒度、吸附平衡压力等条件下，随着构造程度加强，高阶煤基质对甲烷的吸附能力依次降低：原状煤>碎裂煤>碎斑煤>碎粒煤；

3)构造破坏达到一定程度后即碎粉煤对甲烷的吸附，没有表现出同变形序列构造煤的规律性，其最大吸附能力介于原状煤与碎裂煤之间。

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Adsorption experiment of methane in different types of tectonically deformed high-rank coals

SHEN Heng-ming1,LI Guo-qing2，CHENG Long3

(1.ShaanxiNuclearIndustryGeologySurveyingInstitute,Xi’an710100,China;2.FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；3.ShaanxiCoalbedMethaneDevelopmentCo.,Ltd.,Xi’an710600,China)

Underground coal mining in soft coal seam often suffers from coal and gas outbursts and CBM production in soft coal seam also cannot obtain a satisfactory results.But so far the knowledge about the adsorption capability of methane in high-rank coals is still poor.With No.3 coal seam of Sihe coalmine in southern Qinshui basin as a study object，tectonically deformed coal samples were classified and described; coal macerals were quantitatively investigated，true density determination and industry analysis were carried out.And based on above results，methane adsorption experiments were carried out using high pressure volumetric method，analysised the difference of adsorption characteristics in different types of tectonically deformed high-rank coals.The results showed that the mainly coal seam tectonically deformed of Sihe coalmine is brittle deformation.Coal structure primary texture are original texture，cataclastic texture，mortar texture ，particle structure and a little powder coal.Under the condition of same temperature，particle size and adsorption balance pressure,order of successively adsorption capacity decreasing is original coal，powder coal，mortar coal,cataclastic coal,speckle coal and granulated coal.As that in a certain range the adsorption capability of methane in high-rank coals reduces with the degree of tectonic deformation increases.But when the coal structure damaged exceeding this range，adsorption capability increase again,always between original,coal and mortar coal.

tectonically deformed coal；coal structure；methane；adsorption coefficient

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0107

1672-9315(2015)01-0038-05

2014-07-10责任编辑:刘 洁

中央高校基本科研业务费专项

基金项目(CUGL120258);湖北省自然科学基金面上项目(2014CFB169)

李国庆(1980-),男,湖北武汉人,博士,讲师,E-mail:ligq@cug.edu.cn

P 618.11

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