煤体孔隙结构对瓦斯吸附和放散性能的影响实验研究

宋 涛，李博涛，魏宗勇，刘 黎，王 裴

（1.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 神木 719000；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054）

煤是一种复杂的多孔介质，其内部孔隙大小不一，且分布不均匀，孔隙结构的分布直接影响煤层瓦斯的储量和产出能力[1-3]。煤体孔隙结构是研究煤体孔隙尺寸、煤基质之间相互作用以及瓦斯储存运移的基础。以往研究表明，多孔介质的吸附特性和放散特性与其孔隙结构密切相关，但由于孔隙结构的复杂性和非均质性，传统的几何方法描述孔隙结构较为困难，目前采用统计法对孔隙结构进行研究[4-5]。统计法主要有压汞法、扫描电镜、低温液氮吸附、显微CT 法和核磁共振等，实验结果可定性分析煤体瓦斯吸附和放散特性，所对应的分形几何方法也得到了广泛的应用[6-10]。煤的瓦斯放散性能可用瓦斯放散初速度来表征，是瓦斯渗透和流动规律及预测煤与瓦斯突出的指标之一[11-14]。众多学者对煤的孔隙结构对瓦斯放散特性的影响进行了大量的研究。聂百胜等[15]得到颗粒煤粒径对瓦斯放散性能的影响；秦跃平等[16]研究了煤体瓦斯放散特性，并建立了相应的瓦斯放散模型；陈刘瑜等[17]研究了煤的孔隙结构分形特征及其对瓦斯放散初速度的影响；林海飞等[18]进行了低温氮吸附及瓦斯放散初速度实验，分析了孔隙结构对瓦斯放散特性的影响，研究表明瓦斯放散初速度与中孔的孔容占比正相关，与微孔和过渡孔的孔容占比负相关，并随着分形维数的增大而线性减小。以上研究表明，煤体孔隙结构分形特征对瓦斯吸附、放散特性的影响取得了一定成果，压汞法是定量表征煤体孔隙特征的有效方法。基于此，选取柠条塔煤矿8 组煤样，采用压汞法测定了煤样孔隙特征参数，并结合分形理论研究了煤孔隙结构对瓦斯吸附和放散性能的显著性，研究成果可对矿井实际生产中的突出危险性预测指标提供依据。

1 煤样制备及实验方法

1）煤样制备。实验煤样来自神木柠条塔矿区1-2煤层、2-2煤层和3-1煤层，分别对煤样进行编号取样，煤样取样完成后，密封带回实验室进行实验。利用5E-MAG6600 全自动工业分析仪，基于GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》对实验煤样进行工业分析测定，煤样工业分析见表1。

表1 煤样工业分析Table 1 Proximate analysis of coal samples

2）孔隙结构特征测定。采用AutoPore9500 全自动压汞仪对实验煤样的孔隙结构特征进行测定。实验压力0.1～413 MPa，孔径测试范围为3 nm～370 μm。基于水银压入法进行实验，由Washburn 方程可知，孔隙半径越大，毛细管阻力也越小，注入水银所需压力也越小，故随注水银压力增大，水银依次进入大孔、小孔[19]。因此可根据注入水银的毛细管压力可得到相应的孔隙喉道半径。

3）瓦斯吸附常数测定。煤的瓦斯吸附常数实验依照标准MT/T 752—1997《煤的甲烷吸附量测定方法（高压容量法）》进行测定。首先把实验煤样破碎，使用0.25 mm 和0.17 mm 标准筛进行筛选，取0.17～0.25 mm 间的颗粒煤进行实验，煤样质量不少于100 g，每个煤样至少制备个样品。将制备好的煤样放入干燥箱，恒定温度100 ℃干燥1 h 后取出，冷却至室温。将冷却后的干燥煤样装满吸附罐，之后将煤样罐放入30 ℃的恒温水浴箱中，进行吸附实验。基于Langmuir 吸附动力学方程计算附常数a、b 值。

4）瓦斯放散初速度测定。煤的瓦斯放散初速度反映煤放散瓦斯的能力，指含瓦斯煤体暴露时瓦斯从吸附状态转变为游离瓦斯的快慢。依据AQ 1080—2009《煤的瓦斯放散初速度（△p）测定方法》，利用WT-1 型瓦斯放散初速度测定仪进行测定。具体流程：制备0.2～0.25 mm 煤样2 份，每份3.5 g；将2 份煤样分别装入煤样罐内，打开真空泵脱气，1.5 h 后将真空泵关闭；打开甲烷气样袋对煤样罐进行常压吸附甲烷1.5 h；进行煤的瓦斯放散初速度的测定，记录60 s 内瓦斯压力变化情况；利用压差方计算得到瓦斯放散初速度，若同一煤样2 组实验结果偏差大于1 mmHg（1 mmHg=133.322 4 Pa），则重新测定。

2 实验结果

2.1 孔隙结构实验结果

各煤样进退汞曲线图如图1。当进汞压力非常小时，汞很容易进入到煤的较大孔隙和裂隙中，进汞压力较低时（0～5 MPa），累计进汞量急剧上升，此压力对应的孔径为24 800 nm 以上；随着进汞压力的增加（5～20 MPa），进汞量增加幅度减小，此时对应煤样孔径为60～24 800 nm，表明煤里面的汞从较大孔隙和裂隙逐渐进入直接较小的孔隙。进汞压力持续增加，到达20 MPa 后，进汞曲线急剧上升，此时对应煤样孔径小于60 nm（主要以半开放孔为主），表明煤样中小于60 nm 的孔隙数量较多，占比较大。

图1 各煤样进退汞曲线Fig.1 Mercury injection and mercury withdrawal curves of coal samples

实验各个煤样的退汞曲线与进汞曲线有所不同，进汞、退汞曲线并不重合，压力小于10 MPa 时，进汞时压入孔隙的汞量小于相同压力下退汞时留存于孔隙的汞量，出现明显的滞后现象，此时孔隙以开放孔隙为主，孔径较大，连通性较好。随着压力的增加，进汞和退汞曲线有所重合，此时孔隙直径较小，连通性较差。

2.2 瓦斯吸附常数实验

依据高压容量法，恒温下实验室测得煤样瓦斯吸附数据，将瓦斯吸附数据经过处理后，得到8 组煤样吸附常数a、b 值，各组煤样吸附常数见表2。

表2 各煤样吸附常数Table 2 Adsorption constants of 8 coal samples

各组煤样等温吸附数据与Langmuir 方程的拟合度较高（R2均大于0.95），3-1煤层吸附常数a 值均大于1-2、2-2煤层，表明3-1煤层吸附能力较高，其中7#煤样的a 值最大，为53.25 m3/t。

2.3 瓦斯放散初速度实验

各煤样瓦斯放散初速度见表3。

表3 各煤样瓦斯放散初速度Table 3 Initial velocity of gas diffusion of 8 coal samples

柠条塔矿的煤样瓦斯放散初速度为4.70～6.65 mmHg，7#煤样瓦斯放散初速度最大，2#煤样瓦斯放散初速度最小，相差1.41 倍。

3 实验结果分析

3.1 煤样孔隙结构分布特征

为了准确描述孔隙结构变化，采用B B 霍多特的孔径分类方法，将煤中孔隙分为微孔（＜10 nm）、过渡孔（10～100 nm）、中孔（＞100～1 000 nm）和大孔（＞1 000 nm）[20]。各煤样孔隙直径与孔容增量的关系如图2。

图2 各煤样孔隙直径与孔容增量的关系Fig.2 Relationship between pore diameter and incremental intrusion of coal samples

由图2 可知，不同煤样的孔隙直径与孔容增量在不同孔径内变化趋势有所差别。在微孔阶段内孔隙体积变化明显，此处阶段内孔容增量出现峰值；在过渡孔范围内，孔隙体积均呈锯齿状变化；在中孔范围内，孔容增量出现次峰值；在大孔范围内，孔容增量变化趋势平缓。实验各煤样全孔径段孔隙体积占比以微孔为主，其次为过渡孔、中孔及大孔，表明微孔对煤样孔隙体积起主导作用。

3.2 压汞法分形计算

分形维数是描述孔隙发育程度的1 个重要指标，可用来表征煤孔隙结构的复杂性或粗糙度。计算煤压汞的分形维数时，将煤体假设为规则的立方体，最后推导出Menger 海绵模型，其计算公式为[21-22]：

式中：V 为煤样进汞量；p 为煤样进汞压力；A2为幂指数，与分形维数D 线性相关，D=4＋A2。

根据压汞实验数据，计算得到煤样lg（dV/dp）与lgp 关系，各煤样lg（dV/dp）与lgp 的关系如图3。

图3 各煤样lg（dV/dp）与lgp 的关系Fig.3 Relation between lg（dV/dp）and lgp of coal samples

甲烷气体分子的平均自由程在常温下为53 nm，与压汞实验分形维数孔隙半径突变点基本一致。基于甲烷气体分子平均自由程与瓦斯扩散、渗流特征的关系，根据各煤样进退汞曲线和孔隙对瓦斯吸附和运移能力的不同，可将lg（dV/dp）与lgp 关系曲线划分为2 个阶段，将大孔隙（孔径大于140 nm）称为渗流孔，其分形维数为D1；小孔隙（孔径小于140 nm）称为吸附孔，其分形维数为D2[11]。相对应的分形拟合曲线斜率及计算得到的煤样分形维数，煤样的全孔径段分形维数见表4。

从表4 可以看出，实验煤样曲线呈现处不同的斜率，渗流孔段拟合曲线斜率明显大于吸附孔拟合曲线斜率。渗流孔分形维数D1为2.984～3.235，平均3.115，吸附孔分形维数D2为2.745～3.568，平均为3.236，线型拟合的相关性系数值R2为0.609～0.834，均在0.7 以上。根据分形几何理论，多孔介质分形维数一般介于2～3 之间，而实验煤样多数分形维数大于3。主要由于煤体是一个多孔的疏松层，煤体的可压缩性使得其自身发生变形，导致分形维数大于3。发生变形所对应的煤体孔隙较小，且分形维数较大，表明煤体孔隙直径越小，其孔隙结构特征越复杂，且孔隙的分布越不均匀[23]。

表4 煤样的全孔径段分形维数Table 4 Fractal dimension of full aperture section of coal samples

3.3 孔隙分形特征对瓦斯解吸常数的影响

不同孔径段对应于不同的分形维数，表明不同孔径段孔隙的发杂程度不同，瓦斯在不同孔径中的运移形式不同，孔隙结构的复杂程度对煤体内瓦斯运移有一定的影响作用。煤样的吸附能力与孔隙结构特征关系密切，其主要受到微孔比表面积和容积的影响。影响煤体吸附性能的主要是吸附孔，因此通过分形维数D2与吸附常数a 的关系来反应孔隙分形特征对瓦斯解吸常数的影响，分形维数D2与吸附常数a 的关系如图4。

图4 分形维数D2 与吸附常数a 的关系Fig.4 Relationship between fractal dimension D2 and adsorption constants a of coal samples

分析图4 可知，分形维数D2与吸附常数a 呈线性正相关。随着分形维数D2增大，吸附常数a 逐渐增大，表明煤体孔隙结构越复杂，比表面积越大，煤体瓦斯极限吸附能力越强。此外，李子文等[24]研究发现，分形维数D1与吸附常数a 呈负相关，通过对比数据发现，分形维数D1和D2对吸附常数a 的影响有所差别，孔隙结构对煤体吸附特性的影响，主要以D2为主。

3.4 孔隙分形特征对瓦斯放散初速度的影响

瓦斯放散初速度是在一定压力条件下，压力释放以后，前60 s 时的瓦斯解析速度，反映了煤体瓦斯放散能力和渗透特性。分形维数D1与瓦斯放散初速度的关系如图5。

图5 分形维数D1 与瓦斯放散初速度的关系Fig.5 Relationship between fractal dimension D1 and gas emission initial velocity of coal samples

分形维数是孔隙结构复杂和不规则程度的综合表征，煤体分形维数越大，其孔隙结构越复杂。通过图5 可以发现，瓦斯放散初速度随着分形维数D1的增加逐渐减小，其瓦斯放散性能就越弱，主要由于煤体分形维数越大，渗流孔孔隙结构越复杂，其表面越粗糙，孔隙比表面积越大，提供给瓦斯的吸附位越多，使煤体对瓦斯的束缚能力越强，瓦斯解吸能力降低，瓦斯放散性能减弱。

4 结 语

1）采用压汞法对柠条塔煤矿8 组煤样的孔隙结构进测定，实验结果表明煤样孔隙体积占比以微孔为主，其次为过渡孔、中孔及大孔，表明微孔对煤样孔隙体积起主导作用。其微孔和小孔主要以封闭和半开放孔为主，中孔和大孔主要以开放性孔隙为主。

2）实验煤样曲线呈现处不同的斜率，孔隙直径大于联孔段拟合曲线斜率明显大于拟合曲线斜率。渗流孔分形维数D1平均为3.115，吸附孔分形维数D2平均为3.236。

3）基于高压容量法对8 组煤样的瓦斯吸附常数进行了测试，发现各组煤样等温吸附数据与Langmuir方程的拟合度较高，分形维数D2与吸附常数a 呈线性正相关，随着分形维数D2增大吸附常数a 逐渐增大，表明煤体孔隙结构越复杂，比表面积越大，煤体瓦斯极限吸附能力越强。

4）对8 组煤样的瓦斯放散初速度进行了测试，柠条塔矿的煤样瓦斯放散初速度4.70～6.65 mm Hg，瓦斯放散初速度随分形维数D1的增加逐渐减小，其瓦斯放散性能就越弱。