煤层软硬分层吸附瓦斯性能差异性及其对瓦斯赋存的影响

程 波，张仰强，徐 斌，万 宇

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤炭工业作为我国重要的基础产业和能源供应主体产业，在改革开放的40年中发生了翻天覆地的变化，产业体系由落后走向现代化，年产量由6.2亿t增长到35.2亿t，供应保障能力得到跨越式提升，为社会经济发展提供了重要支撑。煤与瓦斯突出是煤矿井下生产的一种自然灾害，严重威胁着煤矿的安全生产[1]。由于煤与瓦斯突出能在一瞬间向采掘工作面空间喷出巨量的煤与瓦斯流，不仅会严重摧毁巷道设施，毁坏通风系统，而且使附近区域的井巷全部充满瓦斯与煤粉，造成瓦斯窒息或煤流埋人事故，甚至会造成煤尘和瓦斯爆炸等严重后果[2]。煤与瓦斯突出的力学作用机理认为，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤体结构三者综合作用的结果[2],突出的发生往往伴随着软煤的存在。因此，系统研究煤层内软分层的物理力学与结构特性对开展煤与瓦斯突出的防治具有重要的现实意义。我国学者针对该问题已开展了大量的研究，琚宜文等[3]提出了软煤结构与成因分类的方案；于军[4]、顾熠凡[5]等分别采用低温液氮吸附法与压汞法研究了软煤的孔隙结构特征；许满贵等[6-7]基于分形理论，分析了软煤的微观孔裂隙结构与连通情况及其对吸附特性的影响；刘彦伟等[8-9]分析了软煤、硬煤吸附能力的差异性；赵发军等[10]研究了软煤、硬煤瓦斯扩散系数的动态演化规律；高保彬[11]、田敬[12]等分别研究了软煤的声发射特征与变压吸附规律；陈结[13]、雷文杰[14]等分别研究了三轴应力下软煤和硬煤对不同气体的吸附变形特性与三轴压缩条件下的瓦斯渗流特性。综上所述，我国学者针对软煤的结构[3-6]、吸附瓦斯能力[7-9]、瓦斯扩散系数演化规律等[10-14]，已进行了大量的研究，并获得了丰硕的成果，在诸多的工程实践中取得了较好的应用效果。但在诸多具有煤与瓦斯突出危险性的煤层中开展区域防突措施效果检验时，时常发现在相同的地点存在硬分层消突而软分层未消突的现象。造成该种现象的原因除与煤矿井下瓦斯抽采钻孔的布孔工艺参数有关以外，煤层瓦斯赋存的分层特性亦是主要因素之一。

鉴于此，笔者首先分析了软煤的形成机理与结构特性，并采集我国多个煤与瓦斯突出矿井的煤样进行了吸附瓦斯性能参数的对比试验，进一步分析了软煤、硬煤吸附性能的差异性。在此基础上，对煤层软、硬分层吸附瓦斯性能差异性与瓦斯赋存特征之间的关联进行了研究，旨在为具有煤与瓦斯突出危险性的煤层实施科学有效的防突措施提供理论依据。

1 软煤的形成机理及结构特征分析

一般认为，煤层内的软分层是在成煤作用以后，受复杂的构造变化作用而形成的。构造应力的作用既形成了断层、褶皱、褶曲等，又直接控制了软煤的形成[15]。煤层顶、底板岩层间的滑动是造成煤层内软煤呈现区域分布特性的主要因素，而断层、褶皱、褶曲等构造是控制煤层内的软煤局部分布的主控因素。

硬煤由于受构造变化作用的影响较小，因而其内部存在发育的原生裂隙，且主次裂隙的关系较为明显。软煤则截然不同，其内部的煤岩结构很难分辨，裂隙的发育程度远低于硬煤。同时，由于软煤的微孔较硬煤发育，且过渡孔所占的比例较高，因而致使其比表面积大于硬煤。软煤与硬煤结构特征的差异势必影响了其吸附瓦斯性能，故进一步开展煤层软、硬分层吸附瓦斯性能的分析有助于揭示软煤对煤与瓦斯突出孕育过程的作用机理。

2 煤层软、硬分层吸附瓦斯性能的分析

2.1 试验方法及设备

目前业界常用的煤吸附性能的试验方法可分为重量分析法与高压容量法[16]。其中重量分析法通过一个灵敏的微量天平和一个压力传感器，可以直接测量吸附量，但是需要做浮力修正(浮力是无法直接测量的)。在重量分析法中，吸附质不能与温度调节装置直接相连，所以无论是低温或高温，都不容易控制和测量吸附质的真实温度。高压容量法是利用进入样品管的总气体量和自由空间中的气体量的差值计算出吸附量。该种方法能够达到真的平衡状态，并可得到极高分辨率的吸附等温线[16]。故选用高压容量法进行煤样吸附性能的对比分析试验，采用HCA高压等温吸附试验装置对煤样进行等温吸附曲线的测试。

试验方法按照标准GB/T 19560—2008《煤的高压等温吸附试验方法》中的要求，将采集的煤样进行破碎、筛分，选择粒径为0.20～0.25 mm的煤粉，利用电子天平秤取200 g，放入到真空干燥箱中进行脱水处理；而后放入到吸附罐中，设定恒温水浴的温度为30 ℃，进行不同平衡瓦斯压力条件下的吸附量测定。

2.2 试验煤样

选取贵州金沙县贵源煤矿9#煤层、甘肃窑街獐儿沟煤矿2#煤层、河南平顶山矿区十矿10#煤层、重庆松藻矿区打通一矿K2煤层作为试验煤样。以上煤层均为具有煤与瓦斯突出危险煤层，经现场勘查发现，煤层内的软、硬分层特征明显。在采集软、硬分层煤样后，随即送至实验室进行吸附瓦斯性能与工业分析，以及孔隙率等参数的测试。

2.3 试验结果及分析

试验煤样在不同平衡瓦斯压力条件下吸附瓦斯量的测试结果如图1所示。由图1的试验结果可通过数据拟合的方法得到煤样的吸附瓦斯性能参数。吸附瓦斯性能参数的拟合结果与工业分析、孔隙率等参数见表1。

图1 试验煤样吸附瓦斯量测定结果

表1 吸附瓦斯性能参数的拟合结果与工业分析、孔隙率等参数汇总

备注：a为极限吸附瓦斯量；b为瓦斯吸附常数；Mad为煤样的水分；Aad为煤样的灰分；Vdaf为煤样的挥发分；TRD为煤样的真密度；ARD为煤样的视密度；q为煤的孔隙率；ΔP为瓦斯放散初速度；f为煤的坚固性系数。

由表1可知，试验煤样软分层极限吸附瓦斯量a的数值均大于硬分层，且獐儿沟煤矿2#煤层、平顶山十矿10#煤层软、硬分层的煤样极限吸附瓦斯量a的数值差异最为明显。这是由于软分层煤样的比表面积比硬分层大，而极限吸附瓦斯量又与比表面积呈正相关关系[1]，因而使得软分层煤样极限吸附瓦斯量a的数值均大于硬分层。同时，由于在獐儿沟煤矿2#煤层、平顶山十矿10#煤层软煤形成过程中，其构造作用的强度大于另外2个矿井，不仅破坏、改造了原生煤的结构，还导致煤结构侧链发生脱落，最终使得软煤结构中的芳香稠环重新排列、缺陷逐渐减少[17]。因此，试验中獐儿沟煤矿2#煤层、平顶山十矿10#煤层软、硬分层的煤样极限吸附瓦斯量a的数值差异最为明显。

瓦斯吸附常数b的数值大小反映了煤吸附瓦斯性能的强弱，其数值越大，则随着吸附平衡瓦斯压力的增加，吸附瓦斯量趋近于极限吸附量的速度越快。该参数除与试验温度相关以外，还与相应温度条件下的吸附与脱附的速率有关[18]。试验中的温度为恒定值，故煤样吸附常数b呈现的差异性则仅与其自身的吸附与脱附的速率有关。试验中，贵源煤矿9#煤层、打通一矿K2煤层软分层煤样吸附常数b的数值大于硬分层，这与二者极限吸附瓦斯量a的对比特征相同，而獐儿沟煤矿2#煤层、平顶山十矿10#煤层软分层煤样吸附常数b的数值则小于硬分层。造成该种现象的原因与二者软、硬分层的煤样极限吸附瓦斯量a的数值差异最为明显的致因相同，獐儿沟煤矿2#煤层、平顶山十矿10#煤层构造作用的强度使得煤体支链化程度较大或者发生了脂环化作用，从而导致挥发分物质逐渐增多，软分层煤中的大分子结构演化途径产生畸变，软分层煤的结构缩合度和有序度增加[12，17]，故在试验过程中的软分层煤样吸附速度略有降低[18]。

3 煤层软、硬分层吸附瓦斯性能对瓦斯赋存特征的影响

为表征煤层软、硬分层吸附瓦斯性能对瓦斯赋存特征的影响，分别将试验煤样的软、硬分层吸附瓦斯性能参数、工业分析与孔隙率参数值，代入到煤层瓦斯含量的计算方程中[1]，获得了瓦斯压力0.1～1.0 MPa条件下软、硬分层煤样瓦斯含量差值及吸附瓦斯含量差值曲线，见图2。

图2 软、硬分层瓦斯含量差值及吸附瓦斯含量差值曲线

由图2可知，试验煤样中，除打通一矿K2煤层瓦斯含量的差值相对较小以外，其他煤样的差值均较大。随着瓦斯压力的增加，试验煤样软、硬分层瓦斯含量的差值逐渐增大，其曲线的变化特征与Langmuir方程类似，并且软、硬分层瓦斯含量数值的差异主要是由吸附量差值构成。将数据进行深入分析，计算得到试验煤样软、硬分层吸附瓦斯含量差值与瓦斯含量差值之比，见图3。

图3 软、硬分层吸附瓦斯含量差值与瓦斯含量差值之比

由图3可看出，试验煤样软、硬分层吸附瓦斯含量差值与瓦斯含量差值的比值均较高，除打通一矿K2煤层以外，其他煤样的比值均超过了100%。这表明：煤层内软、硬分层瓦斯含量的差异主要是由分层煤样吸附瓦斯性能的差异引起的。值得注意的是，獐儿沟煤矿2#煤层软、硬分层吸附瓦斯含量差值与瓦斯含量差值的比值最高，且随着瓦斯压力的增加，该数值逐渐减小；贵源煤矿9#煤层、平顶山十矿10#煤层软、硬分层吸附瓦斯含量差值与瓦斯含量差值的比值在102%～108%内波动。

在煤层内形成软煤后，随着地质年代的推移，煤体内的瓦斯气体将在层内压力差的驱动下，由高压区域流动至低压区域。若将煤层按照倾向的方向进行切片，则在相同标高的地点，其煤层瓦斯压力的数值应相同或趋于一致[1](闭合构造除外)。而构造作用使得煤体内软、硬分层吸附性能呈现较为明显的差异，故在相同的瓦斯压力条件下，其分层的瓦斯含量数值极有可能呈现较大的差异。试验煤样中，当瓦斯压力为0.74 MPa时，贵源煤矿9#煤层、平顶山十矿10#煤层软、硬分层瓦斯含量的差值分别为3.67、1.04 m3/t。

另一方面，已有的研究成果表明[6,19-20]，煤的吸附作用对瓦斯的渗透特性有着极为明显的阻滞作用。本文试验结果表明，软、硬分层的瓦斯吸附性能存在较为明显的差异，因而煤体内瓦斯“吸附—脱附”的动态平衡因扰动而破坏后，软、硬分层内的瓦斯运移特征亦不相同。煤层软、硬分层吸附瓦斯性能的差异不仅对煤层原始瓦斯赋存特征有着显著的影响，同时还将影响煤巷掘进、瓦斯抽采过程中煤体内瓦斯流场的分布。因此，在煤矿井下的瓦斯灾害治理过程中，应根据煤层软、硬分层的组合特点，制订切实有效的技术方案。

4 结论

1)试验煤样软、硬分层的吸附瓦斯性能差异明显，且软分层极限吸附瓦斯量均大于硬分层的极限吸附瓦斯量；

2)随着瓦斯压力的增加，试验煤样软、硬分层瓦斯含量的差值逐渐增大，其曲线的变化特征与Langmuir方程类似，并且软、硬分层瓦斯含量数值的差异主要是由吸附量差值构成；

3)煤层软、硬分层吸附瓦斯性能的差异不仅对煤层原始瓦斯赋存特征有着显著的影响，同时还将影响煤巷掘进、瓦斯抽采过程中煤体内瓦斯流场的分布，应根据煤层软、硬分层的组合特点，制订针对性的瓦斯治理技术方案。