水分影响下的烟煤瓦斯吸附特性

秦兴林

(煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016)

瓦斯是在成煤过程中伴随产生的，大量瓦斯以游离态和吸附态储存在煤的孔隙、裂隙中，且以吸附态为主[1-3]。煤矿瓦斯的有效抽采，一方面不仅可以减少瓦斯事故发生率，另一方面瓦斯作为高效洁净能源可以加以利用。当前，低透煤层在我国广泛分布，由于煤层透气性差，不利于瓦斯运移，从而影响瓦斯抽放效果[4-5]。为解决这一问题，需要增强煤层的透气性。目前煤层增透技术的方法主要有：高压水射流扩孔增透、水力压裂增透、水力割缝、深孔预裂爆破等[6-7]，其中，水力化措施应用最为普遍[8-9]。这些水力化工艺的实施均涉及到水分和煤体表面之间的相互作用。煤中水分的存在一方面会抑制瓦斯吸附，另一方面也会在一定程度上促进瓦斯解吸。

基于此，国内外学者开展了相应的研究，Crosdale等[10]针对新西兰次烟煤开展了不同水分含量和不同温度条件下的瓦斯吸附特性实验，证实煤中的水分含量对瓦斯吸附具有重要影响，煤体瓦斯吸附量随水分含量的升高而呈非线性衰减；Joubert等[11]以美国烟煤为研究对象，将实验室实验与现场测试相结合，对比分析了干燥煤样和饱和水煤样的瓦斯吸附特性，发现煤中水分会显著降低瓦斯吸附量，且含氧量高的煤样受水分的影响大于含氧量低的煤样；Nie等[12]针对4种不同变质程度的煤样，开展了6种水分含量条件下的瓦斯吸附实验，并通过D-A方程对吸附数据进行了拟合，发现低阶煤瓦斯吸附受水分的影响大于高阶煤；张蓓[13]基于煤体双重孔隙-裂隙介质结构模型，针对含水煤层瓦斯抽放进行了气-固-液耦合数值模拟，并分析了水分、应力、煤层硬度等因素影响下的瓦斯抽放效果；赵东等[14]采用自主研制的瓦斯吸附-注水实验系统进行了实验，认为不同变质程度煤样受水作用后，瓦斯吸附特性呈现不同的变化规律；金智新等[15]建立了干煤和湿煤的结构模型，并模拟了CO2，O2，N2等气体在不同含水率的湿煤中的吸附行为，认为水分子会占据大量空间，与气体展开吸附竞争，从而降低煤体气体吸附性能。

本文针对2种不同变质程度的烟煤煤样，进行不同水分条件下的瓦斯吸附实验，并结合煤样的孔隙结构特征，从微观角度揭示水分对煤体瓦斯吸附特性的影响机理，从而为煤矿瓦斯防治提供参考[16-18]。

1 实验过程

1.1 样品制备

本文以山西沁水煤田王庄煤矿为研究背景，煤田成煤期为二迭系下统山西组(P1S)和石炭系上统太原组(C3t)。山西组含煤地层的厚度为64.4～100.8m，平均厚度为82.5m，含煤1～4层，其中3号、4号煤层为全区稳定可采煤层，其余各煤层均为不可采煤层。太原组含煤地层的厚度为96.0～121.8m，平均厚度达111.9m，其中15号煤层为可采煤层。本文所用煤样采自3号和15号煤层，分别命名为WZ3和WZ15。对所选煤样进行研磨和筛分，选取粒径为60～80目(0.20～0.25mm)约10g的煤样按照国标GB/T 212-2008进行工业分析，煤样镜质组反射率的测定按照国标GB/T 6948-1998进行，煤样的基本参数见表1。

表1 煤样工业分析参数

从表1可以看出，WZ3、WZ15煤样分别为焦煤和贫煤。将煤真空干燥(温度100℃)，每1h称重1次，直至相邻两次煤的重量变化不超过0.1%，即可认为煤中的水分含量为0，即干燥煤样。不同水分含量煤样的制备方法参考国标GB/T 19560-2004，通过控制吸附时长来获得不同水分含量煤样。

1.2 实验测试

采用高压容量法对不同水分含量煤样进行瓦斯等温吸附实验，遵循国标GB/T19560-2004《煤的高压等温吸附试验方法》，所使用的仪器为美国TerraTek公司生产的ISO-300型等温吸附仪，设置的实验压力范围为0～5 MPa，实验温度为30℃。采用压汞法测试不同软硬煤的孔隙结构，所用仪器为美国康塔公司生产的PoreMaster-60型全自动压汞仪。利用仪器自带的软件即可得到煤样的孔容、孔比表面积等结构参数。

2 实验结果及分析

2.1 不同水分含量煤样吸附特性

图1为不同水分含量条件的煤样瓦斯吸附等温线。在一定温度和压力条件下，由于煤体瓦斯吸附过程遵循Langmuir单分子层吸附理论，因此，可用Langmuir方程来描述，即

(1)

式中，P为瓦斯吸附压力，MPa；PL为Langmuir压力，MPa；V为瓦斯吸附体积，cm3/g；VL为Langmuir体积，cm3/g。

图1 不同水分含量煤样瓦斯吸附曲线

通过Langmuir方程拟合得到了瓦斯吸附参数VL和PL，如表2所示。结合图1和表2可以看出，拟合系数R2均在0.99以上。不同水分含量的煤样瓦斯吸附量差异较大，WZ3煤样的VL在5.38～28.47cm3/g范围内变化，WZ15煤样的VL的变化范围则为10.06～33.76cm3/g。所有煤样均在干燥状态时的瓦斯吸附量最大。具体来看，对于WZ3煤样，水分含量为0%、0.62%和1.07%这3种条件下的瓦斯吸附量相差最大，最大值是最小值的5倍；之后所有的水分含量之间，煤体瓦斯吸附量相差不大，尤其是水分含量为2.79%和4.23%的瓦斯吸附曲线几乎重合。对于WZ15煤样，瓦斯吸附量随水分含量的增加则变化较均匀，干燥状态下的瓦斯吸附量是水分含量4.02%的3倍。

表2 不同水分含量煤样瓦斯吸附参数

2.2 煤样孔隙结构特征

依据霍多特的十进制孔隙分类方法可将孔隙分为：微孔(<10nm)、过渡孔(10～100nm)、中孔(100～1000nm)和大孔(>1000nm)。这2种煤样的孔隙结构参数如表3所示，从表中可以看出，孔径小于10nm的微孔以及10～100nm的过渡孔占据了绝大部分的孔比表面积和孔容，这和普遍认为的高阶煤孔隙以微孔和小孔为主的观点相符。对比这两种煤样可以发现，该两种煤样的孔结构差异较大。在不同的孔径段范围内，WZ15煤样的孔容、孔比表面积均明显大于WZ3煤样，这说明WZ15煤样的孔隙较WZ3更为发育，且孔隙联通性也要优于WZ3煤样。

表3 煤样的孔隙结构参数

2.3 水分对煤体瓦斯吸附特性的影响机理

图2为水分含量和煤体瓦斯吸附量之间的关系图。从图2可知，随煤中水分含量的逐渐增加，WZ3煤样瓦斯吸附量呈现先快速降低，至1.07%的水分含量之后再缓慢减小，当煤中水分含量升高至2.79%时，煤体瓦斯吸附量基本不再变化。整个变化过程呈现出先急剧降低再小幅下降至基本不变的非线性衰减。对于WZ15煤样，煤体瓦斯吸附量随水分含量的增加而变化比较均衡，呈现出较好的线性衰减关系。笔者根据这种看似线性变化关系，对图1(b)中WZ15煤样的吸附数据进行线性回归分析，分析结果如图2所示，得到：

VL=-5.8932M+34.2804

(2)

式中，M为煤中水分含量，%。相关系数R2=0.9893，线性拟合效果较好。

图2 水分含量对煤体瓦斯吸附的影响

煤的变质程度和水分含量均是影响煤体瓦斯吸附的重要因素，在本文中，两煤样受水分作用后表现出了不同的吸附特性。结合煤体孔隙结构来看，WZ3煤样的孔容总计为0.0211cm3/g，WZ15煤样为0.0299cm3·g-1，二者的累计孔容比较接近；但WZ15煤样的累计孔比表面积(6.5305m2/g)为WZ3煤样(3.3221m2/g)的2倍，特别地，WZ15煤样的微孔孔容和微孔比表面积均明显高于WZ3煤样，由于煤体吸附能力主要由小于10nm的微孔所决定，因此WZ15煤样较WZ3煤样在不同水分含量阶段均呈现出更好的吸附性。

3 结 论

本文针对2种不同变质程度的烟煤煤样，开展了不同水分含量条件下的瓦斯吸附实验，并测试了煤样的微观孔隙结构特征，得到的主要结论如下：

(1)吸附实验表明，不同水分含量的煤样瓦斯吸附量差异较大，WZ3煤样的VL在5.38～28.47cm3/g范围内变化，WZ15煤样的VL的变化范围则为10.06～33.76cm3/g。两煤样均在干燥状态下的瓦斯吸附量最大。

(2)压汞实验表明，在不同的孔径段范围内，WZ15煤样的孔容、孔比表面积尤其是微孔、过渡孔的孔隙和孔比表面积均明显大于WZ3煤样，说明WZ15煤样的孔隙结构较WZ3更为发育，且孔隙联通性也要优于WZ3煤样。

(3)受水作用后，WZ3煤样瓦斯吸附量呈现出先快后慢的非线性衰减；而WZ15煤样则表现为直线下降。对于不同孔隙结构的煤样，在水分的作用下，其瓦斯吸附特性也呈现出不同的变化规律。

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