离柳矿区中阶焦煤孔隙特征及其瓦斯解吸特性研究

许红杰

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



离柳矿区中阶焦煤孔隙特征及其瓦斯解吸特性研究

许红杰

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

为了研究山西离柳矿区中阶变质程度焦煤的孔隙特征及瓦斯解吸特性，分别对实验煤样进行了压汞实验及吸附动力学实验，得出以下结论：该矿区焦煤孔隙以半开放及闭孔为主，孔隙较不发育，煤体中发育的孔隙以微孔为主，小孔次之，中孔和大孔占的比例较小；这种特殊的孔隙结构使其解吸曲线形态呈现解吸时间长、解吸速率低的特点；使用孙重旭式可以对该解吸曲线进行描述，模型相关系数在0.99以上；根据该解吸数学模型可以方便地估算钻屑瓦斯解吸指标，从而指导工程实践。

焦煤；孔隙特征；解吸特性；孔容分布

煤粒瓦斯解吸特性在预防突出灾害，估算瓦斯含量，预测抽采产量方面有着重要作用，而煤粒的孔隙特征则是影响其解吸特征的重要因素[1]。不同的孔隙结构使得瓦斯分子在运移过程中形成不同的阻力，直接影响了瓦斯的解吸速度和大小。关于煤粒在大气压条件下的解吸规律，国内外学者做了大量研究，提出了许多统计或经验公式，包括王佑安式、巴雷尔式、孙重旭式等[2-7]。不同煤种因其赋存条件不同，形成了不同的孔隙结构，从而产生符合上述不同公式的解吸特性。因此研究特定地区煤种的孔隙特征及其瓦斯解吸特性对该地区的安全生产有着重要的作用。

1 区域地质背景

离柳矿区位于山西省河东煤田中段，属于华北板块，地理位置处在山西吕梁地区的离石、柳林、中阳等县境内。地层单斜西倾，地层主要是由灰岩、泥岩、砂岩、粉砂岩以及煤组成，煤岩系为海陆交替相。区内煤层赋存较浅，倾角较小，含煤地层为古生界石炭系上统太原组(C3t)和二叠系下统山西组(P1s)，共10～13层。矿区分为离石、柳林两个区，总面积1640km2，煤种以焦煤为主[8]。

2 样品采集及实验

2.1 样品采集

从该矿区某矿采集煤样2组，参数见表1。

表1 煤样基本参数

2.2 压汞实验

按照标准《ISO 15901-1:2005》[9]，选择5～10mm粒径煤样进行压汞实验。压汞法使用的仪器为AutoPore IV8500系列压汞仪。该仪器的压力范围为0～450MPa，测量孔径范围为3～10000nm。

2.3 解吸试验

解吸实验采用常规的解吸方法，如图1所示。选取1～3mm粒径的煤样50g，将其装入煤样罐中，之后将其放在60℃恒温水域中，对其进行抽真空8h以上，向煤样罐充入不同压力的纯甲烷气体。然后将煤样罐放入30℃水浴槽中，待其压力平衡。最后将煤样罐取出进行瓦斯解吸的测定，记录在120min内不同时间段的瓦斯解吸量。

图1 实验流程

3 实验结果及讨论

3.1 焦煤孔隙特征

煤的孔隙特征分析是研究煤粒解吸特征的基础。目前，国内通用的划分孔径的方法是由前苏联科学家B.B.XOДOT[10]提出的划分标准。认为直径小于10nm的是微孔，其构成了煤中的吸附容积；直径在10～100nm的是小孔，其构成了毛细管凝结和瓦斯的扩散空间；直径在100～1000nm之间的是中孔，其构成了瓦斯的缓慢层流渗透空间；直径在1000～10000nm的大孔构成了瓦斯的强烈层流渗透空间。

3.1.1 孔容分布

图2和图3分别为所采集焦煤的压汞孔容随孔径变化曲线及煤样各类孔隙的孔容分布。

图2 不同煤样的累计进退汞量曲线

图3 不同煤样各类孔的孔容分布

1号和2号实验煤样总孔容分别为0.0327mL/g与0.0326mL/g。上述图表表明，各煤样孔容分布以小于10nm以下的微孔发育为主，在孔容中的贡献值基本在55%左右。其次发育的为小孔和大孔，而中孔最不发育，均在4%以下。

3.1.2 孔比表面积分布

图4和图5分别为所采集焦煤的压汞孔比表面积随孔径变化曲线及煤样各类孔隙的孔容分布。

图4 不同煤样的累计比表面积分布曲线

图5 各孔径下的孔隙比表面积分布

1号和2号实验煤样总比表面积分别为16.701 m2/g及16.315m2/g。上述图表表明，各煤样的比表面积分布与孔容分布相似，但微孔和小孔的比重更大，可占到总比表面积的99%以上。中孔和大孔几乎对总比表面积没有贡献。

3.1.3 压汞滞后环分析

压汞滞后环的大小则说明了煤样孔隙通道的连通性[11-12]。从图2中的压汞曲线结果可以看出，各煤样的进汞曲线位置相比于退汞曲线略低，说明累计退汞量仅比相同压力下累计进汞量略大，滞后特征不甚明显。这是由于煤体内的孔隙形态主要以半开放孔及闭合孔为主，半开放孔的形态特征致使在进汞和退汞过程中的压力基本相等，进退汞量变化差异不大。此孔隙特征与孟巧荣[13]等对于焦煤特征的研究结果相似。相较于孔隙发育的褐煤及无烟煤，在瓦斯运移过程中，这种低孔隙发育特征的煤粒会产生较长的解吸时间和较低的解吸速度，从而产生不同的解吸曲线形态。

3.2 解吸特性

煤样在不同瓦斯压力(平衡压力)下，瓦斯解吸累计量及瓦斯解吸速度随时间的变化关系如图6所示。

图6 不同吸附平衡压力下的瓦斯解吸量与时间的关系

从图6中可以发现，实验煤样的解吸曲线均表现得较为平缓，解吸量也较少，在5MPa左右时，也只有3mL/g左右，与文献[7，14-16]中无烟煤等解吸特性相差甚远。这与其以半开孔或闭孔为主的孔隙特征相吻合。初始时间内由于孔隙结构限制，短时间内不能涌出大量瓦斯。形成缓慢递增的增长曲线。而随着压力升高，瓦斯解吸量及速度也逐渐升高。从1MPa左右的1mL/g提高到了3MPa左右时的3mL/g，总体提升了2倍，但依旧不能与高孔隙发育的煤种相比较。

由于不同煤种的解吸特性不同，不同的拟合公式对特定煤体的解吸规律的描述的精确性也有差异。所以对不同压力下的解吸曲线进行公式拟合，通过比较巴雷尔式、孙重旭式、对数式对解吸曲线的描述效果及相关性参数R2，得出可以描述该种煤样的解吸动力学数学公式[6]，拟合结果如表2所示。从拟合结果可以看出，使用不同公式对该种煤样解吸规律的描述存在着较为明显的差异。总体来看，孙重旭式的拟合效果最好，在前120min内，R2平均值为0.9992。巴雷尔式和对数式的拟合效果相对较差，巴雷尔式前120min的平均拟合相关指数为0.9803，对数式前120min的平均拟合相关指数为0.9431，均比孙重旭的平均拟合指数低。

表2 各式对不同时段解吸量的拟合相关度

4 解吸规律的工程应用

根据拟合出的公式可以很好地估计钻屑瓦斯解吸指标K1值和Δh2值，也可以用于估算瓦斯含量测试中的损失量，从而为瓦斯突出灾害防治及瓦斯含量精确测定提供理论依据。以Δh2为例，由于Δh2值为煤样(10g)自煤体脱落暴露于大气中，第4min和第5min的瓦斯解吸所产生的压差，单位为Pa[10]。对于MD-2型瓦斯解吸仪，每克煤样第4至第5min瓦斯解吸体积Q4～5和Δh2有以下关系：

Q4～5=0.0083Δh2/10

(1)

式中，Q4～5为每克煤样瓦斯解吸体积，cm3/g；10为煤样重量，g；0.0083为MD-2型瓦斯解吸仪结构常数。

则基于孙重旭模型的Δh2计算模型为：

(2)

式中，tn为第n分钟；a，i为孙重旭式拟合参数。

表3 由解吸规律计算Δh2值结果

表3计算的Δh2值与采用MD-2型瓦斯解吸仪实测的该平衡压力下的Δh2值有着较好的重合度，如图7所示，且皆对压力有很好的敏感性，有良好的工程应用价值。

图7 推算Δh2值与实测值相对误差

5 结 论

(1)离柳矿区中阶焦煤孔隙以半开放及闭孔为主，孔隙较不发育。压汞法测得的1号和2号煤样孔容分别为0.0327mL/g与0.0326mL/g，比表面积分别为16.701m2/g与16.315m2/g，煤体中发育的孔隙以微孔为主，小孔次之，中孔和大孔占的比例较小。

(2)焦煤特殊的孔隙结构使其解吸曲线形态呈现解吸时间长、解吸速率低的特点。该种解吸曲线较为适合使用孙重旭式进行描述，模型相关系数在0.99以上。

(3)根据焦煤的解吸规律，可计算钻屑瓦斯解吸指标K1值和Δh2值，也可以用于估算瓦斯含量测试中的损失量，有一定的工程应用价值。

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[责任编辑：施红霞]

Porosity Characters and Methane Desorption Characters of Middle Rank Coaking Coal of Liliu Mine District

XU Hong-jie

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to study porosity characters and methane desorption characters of middle rank metamorphic grade coaking coal of Shanxi Liliu mine district,mercury penetration experiment andadsorption dynamics experiment were proceed for coal sample，the following conclusions were obtained，the porosity character of coaking coal in the mine district was halfopening or closed，porosity agensis，the main porosity in coal is micropore，second is small pore，and the ratio of middle pore and large pore were small，the character of desorption time long and desorption rate low appeared for desorption tracing pattern as the special porosity structures，the desorption curves could be described by Sunzhongxu formula，the correlation index of model more than 0.99，drilling cuttings methane desorption index could be estimated by the model easily，and it could referenced for filed practical.

coaking coal；porosity character；desorption character；pore volume distribution

2016-03-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.025

许红杰(1979-)，男，河南郾城人，副研究员，主要从事煤矿安全生产管理工作。

许红杰.离柳矿区中阶焦煤孔隙特征及其瓦斯解吸特性研究[J].煤矿开采，2016，21(6)：88-91.

TD712.5

A

1006-6225(2016)06-0088-04