平顶山矿区煤孔隙特征及瓦斯吸附控制机理研究

韩 勇 张 瑾 李 璐 安悦涵

(中国矿业大学(北京)管理学院，北京市海淀区，100083)



★ 煤炭科技·地质与勘探 ★

平顶山矿区煤孔隙特征及瓦斯吸附控制机理研究

韩 勇 张 瑾 李 璐 安悦涵

(中国矿业大学(北京)管理学院，北京市海淀区，100083)

为研究平煤矿区煤储层特征及其瓦斯赋存特性，采用低压液氮吸附法对6种典型煤样的储层特征进行了分析，并测试了煤样瓦斯吸附能力，分析了煤样孔隙结构参数对瓦斯吸附的影响。研究结果表明：不同煤样孔隙差异显著，煤体表面具有明显的非均质性；煤中的微孔发育，孔径分布呈多峰值；变质程度(挥发分)对煤中的微孔具有重要影响，而对小孔的影响不明显；煤对气体的吸附主要集中在微孔段，不同煤样的吸附能力差异明显， Langmuir 体积只与微孔有关，而Langmuir 压力受微孔和小孔分布的共同影响。研究结果可为平顶山矿区瓦斯防治与利用提供理论依据。

储层特征 孔隙 瓦斯 吸附能力 平顶山矿区

煤作为一种非常规储层，具有复杂的孔隙结构和表面特性，含有大量的双重孔隙—裂隙系统。这些发育的孔隙—裂隙系统为瓦斯气体的吸附提供了大量空间，同时也是煤层气的渗流通道。研究表明，煤中瓦斯以吸附态和游离态两种方式存在，煤体瓦斯吸附以物理吸附为主，其吸附能力主要与煤的孔径分布、孔比表面积等孔结构参数有关。因此，从煤的物理结构出发，研究煤的孔隙特性对于完善煤体瓦斯吸附理论具有一定的参考意义。

目前，在煤的表面特性和瓦斯吸附方面，国内外学者取得了一定的研究成果。不同构造煤的瓦斯吸附性能、吸附势以及表面能也不同；且随变形程度的增加，煤的比表面积和孔容也增加，导致同阶糜棱煤的瓦斯吸附能力最强。研究还发现，煤体组成成分、孔径分布对瓦斯吸附有显著影响，微孔体积和比表面积是影响兰格缪尔(Langmuir)体积的主控因素，对Langmuir 压力影响不大，而Langmuir 压力反映了吸附量随压力的变化速度，是衡量煤体瓦斯吸附速率的一个重要指标，因此，对Langmuir 压力的研究在煤层气开采工程应用上具有重要参考价值。

根据N2吸附实验结果，并结合煤体瓦斯吸附实验，研究了平顶山矿区典型煤储层的孔隙结构特征及其对Langmuir参数的影响。

1 实验

1.1 实验煤样

实验采集了平顶山矿区平煤一矿、二矿、四矿、五矿、六矿、八矿采煤工作面的新鲜原煤煤样，煤样以块状为主，进行密封包装后立即送往实验室，对所取煤样进行研磨和筛分，选取质量约10 g的煤粉参照MT/T 1087-2008标准测试方法进行工业分析，分析结果见表1。

表1 煤样工业分析

1.2 实验方案

采用高压容量法对所选煤样进行高压甲烷吸附实验，实验过程按照国家标准GBT19560-2004进行。选取100 g左右、粒径为60～80目的粉煤煤样，在温度设为80℃的真空干燥箱中真空干燥5 h，待煤样冷却至室温后放入煤样罐中，温度设定为30℃，充入甲烷气体后进行高压瓦斯吸附实验，利用Langmuir方程对所测得的吸附数据进行拟合分析，求得Langmuir参数VL和PL。

(1)

式中：VL——Langmuir体积，mL/g；

PL——Langmuir压力，MPa。

VL和PL代表着煤的最大吸附能力和低压下瓦斯吸附难易程度，能综合反映煤体瓦斯吸附性能。

煤的孔径分布广泛，依据前人研究的十进制分类法，煤体孔隙类型可分为微孔(孔径d<10 nm)、小孔(10 nm1000 nm)。为了研究孔隙结构对气体吸附的影响，采用低压N2吸附法测定煤样的孔隙参数，孔径的测试范围为微孔和小孔。N2吸附实验过程按照标准SY/T6154-1995进行，煤样粒径为60～80目(0.20～0.25 mm)，在AUTOSORB-1型物理吸附仪上对所选煤样进行液氮吸附实验，实验温度为77 K，相对压力控制在0.050～0.995。

2 实验结果

2.1 瓦斯吸附实验

瓦斯吸附实验结果如图1所示。

图1 瓦斯吸附实验结果

由于中低压条件下的瓦斯吸附为单分子层吸附，Langmuir方程能较好地描述这一吸附现象。因此，采用Langmuir方程对瓦斯吸附实验结果进行拟合分析，从而得到VL和PL，Langmuir参数拟合结果如表2所示。从表2可以看出，实验数据采用Langmuir方程的拟合度较高(R2>0.98)，这说明利用Langmuir方程描述煤体瓦斯吸附现象是合理的。煤样的Langmuir参数差异较大，VL从13.51 mL/g 增加到31.44 mL/g，PL从0.63 MPa 变化到1.64 MPa，表明不同煤样之间的吸附能力差异显著，瓦斯吸附量随压力增长速度也不同。1#煤样的VL最大，PL最小，表明其吸附能力最强，达到VL的一半所用时间最短，较其他煤样在低压阶段更易于吸附瓦斯。

表2 甲烷吸附实验拟合结果

2.3 N2吸附实验

低压氮气吸附实验结果如表3所示，煤样的总孔体积从1.612×10-3cm3/g增加到7.571×10-3cm3/g，平均孔径变化范围为3.08 ～7.39 nm。从表3可以看出，所有煤样的微孔比表面积均大于小孔比表面积，说明煤样中微孔最发育。

表3 低压N2吸附实验结果

根据N2吸附实验数据，分析得到了各煤样孔径分布曲线图，如图2和图3所示。

图2 1#～3#煤样N2吸附与孔径分布的关系

从图2和图3可以看出，各煤样的孔径均呈多峰分布，且以微孔为主。煤体瓦斯吸附主要集中在微孔段，因为微孔占据了大部分表面积，为气体分子提供大量的吸附位点，从而使得气体分子更易于吸附。而对于4#和5#煤样，除了微孔的峰值外，在小孔范围内也出现了较显著的吸附峰值，由此说明小孔对瓦斯吸附也存在一定影响。

图3 4#～6#煤样N2吸附与孔径分布的关系

3 分析与讨论

3.1 变质程度对孔隙结构的影响

煤体的变质程度在很大程度上影响了孔径分布，根据煤样工业分析和低压N2吸附实验结果，分析得出了孔隙结构与煤阶之间的关系，见图4。从图4(a)可以看出，微孔比表面积和变质程度(Vdaf)呈线性相关关系(相关系数R2=0.893)，说明随着变质程度的升高，煤中微孔数量在不断增加，微孔比表面积增大。但是，变质程度与小孔比表面积之间的关系不明显，如图4(b)所示。从图4(c)可以看出，孔径受变质程度的影响较大，且随变质程度的增加而显著减小。这说明在变质程度由低到高的过程中，煤化作用使得孔径减小，微孔数量增多，微孔比表面积持续增加，而小孔变化不明显。

3.2 孔结构参数对瓦斯吸附的影响

由上述讨论中可知，瓦斯吸附与孔隙结构紧密相关，对此展开研究得出微孔和小孔对瓦斯吸附的影响结果如图5和图6所示。

从图5(a)和图6(a)可以看出，VL主要受微孔的影响(相关系数R2=0.920)，而小孔的影响不明显。一方面是因为小孔的孔径(d>10 nm)相对较大(甲烷分子直径为0.414 nm)，对气体分子的束缚力较弱；另一方面由于小孔的比表面积较小，能够提供的吸附空间有限。因此，微孔在气体吸附过程中占据主导地位，决定了煤体瓦斯最大单分子层吸附能力。由于PL代表瓦斯吸附体积达到VL一半时对应的吸附压力，低压段的煤体瓦斯吸附能力可直接影响PL的大小。从图5(a)可以看出，PL随着微孔比表面积的增加而逐渐减小，这说明微孔对低压段的瓦斯吸附有重要影响。但PL不仅与微孔有关，还与小孔有关，如图6(b)所示。研究表明，PL随纳米级孔容的增加而呈线性变化，由于小孔的孔容相对较大，仍然能够为气体分子提供一定的吸附空间，因而在压力较低时部分瓦斯气体分子在小孔表面上吸附；随着气体压力的升高，煤体吸附能力增强，而微孔能够提供更大的吸附空间，甲烷分子则主要吸附在微孔表面。因此，微孔是VL的主要影响因素，而PL则同时受微孔和小孔的作用。

图4 变质程度对孔隙结构的影响

图5 微孔对瓦斯吸附的影响

4 结论

(1)采用低压N2吸附法测试了6种平顶山矿区煤储层的孔隙结构特征，实验得出不同煤样孔隙结构差异性显著，煤体表面的非均质性较为明显。各煤样的孔径均呈多峰分布，且以微孔为主。

图6 小孔对瓦斯吸附的影响

(2)煤体的变质程度在很大程度上影响了孔径分布，在变质程度由低到高的过程中，煤化作用使得孔径减小，微孔数量增多，微孔比表面积持续增加，而小孔变化不明显。

(3)煤体表面孔隙特性对瓦斯吸附规律具有显著影响，煤体最大吸附能力只与微孔比表面积有关，VL随微孔比表面积的增加而呈线性增加，而PL则受微孔和小孔的共同作用。

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(责任编辑 郭东芝)

Research on coal pore characteristics and gas adsorption control mechanism in Pingdingshan mining area

Han Yong, Zhang Jin, Li Lu, An Yuehan

(School of Management, China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

In order to study characteristics of coal reservoir and gas occurrence in Pingdingshan mining area, coal reservoir characteristics of 6 coal samples were analyzed by low-pressure nitrogen gas adsorption method, and gas adsorption capacity of samples was tested, the influence of coal sample pore structure parameters on gas adsorption was analyzed. The research results showed that different coal samples had different pore characteristics and coal sample surface had obvious anisotropy; the micropores in coal samples were well-developed, and pore size distributions from adsorption analysis were multi-peak values; metamorphic grade (volatiles) had significant influence on micropores, and had little influence on small pores; The adsorption volume of gas mainly concentrated in micropores, and the adsorption capacities of different coal samples displayed remarkable difference. The Langmuir volume was only related to micropores, while the Langmuir pressure was determined by both micropores and small pores. The research results could provide theoretical basis for the gas control and utilization in Pingdingshan mining area.

reservoir characteristics, pore, gas, adsorption capacity, Pingdingshan mining area

中国博士后科学基金(2016M591288)

韩勇，张瑾，李璐等. 平顶山矿区煤孔隙特征及瓦斯吸附控制机理研究[J].中国煤炭，2017,43(5)：34-37，51. Han Yong, Zhang Jin, Li Lu, et al. Research on coal pore characteristics and gas adsorption control mechanism in Pingdingshan mining area[J]. China Coal, 2017,43(5):34-37，51.

TD712.2

A

韩勇(1969-)，男，汉族，山东肥城人，中国矿业大学(北京)管理学院管理科学与工程博士后，北京市首都发展研究所研究员，邦信资产管理公司董事、副总经理(主持工作)，从事资产管理、上市公司、煤矿能源金融等方面的研究。