不同轴压条件下煤粒瓦斯吸附规律和机理研究

高佳星，李祥春，邱常青，王梦娅

（1.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100089；2.潞安化工集团余吾煤业有限责任公司，山西长治 046000）

瓦斯抽采是保障高瓦斯矿井和突出矿井安全生产的有效手段，同时也为需求量日益增加的天然气资源提供重要保障[1-2]。相关研究针对以吸附态存在于煤层中的甲烷气体的吸附特性，对评价煤层最大储气能力、预测煤层气含量、确定临界解吸压力等有重大作用[3]。煤对甲烷的吸附能力会受到诸多因素的影响，如煤的变质程度间[4-6]、煤岩显微组分[7-9]、孔隙结构[10-13]、水分[14-16]、温度和压力[17-19]以及粒径[20-22]。然而轴压对煤吸附特性的研究相对较少，目前关于应力对于煤的吸附解吸特性的研究大多集中于块煤，更多侧重于研究煤的解吸扩散特性，何满潮等[23]研究了块煤在单轴应力-温度作用下吸附瓦斯运移过程，但并没有研究单轴应力变化时煤的瓦斯的吸附量的变化，主要侧重研究温度对瓦斯解吸的贡献，以及在单轴应力下块煤出现大量贯通裂隙对煤中瓦斯运移的影响；陈结等[24]虽然开展了三轴应力下软硬煤的吸附特性研究，但着重研究应力和吸附共同作用下煤的变形机制；唐巨鹏等[25]进行的三维应力作用下煤层气吸附解吸特性实验只着重分析了应力加载和卸载时煤的解吸量的变化和解吸时间的变化；魏建平等[26]利用煤岩三轴渗流-吸附-解吸试验装置开展实验，得到了应力会诱导瓦斯解吸的结论。以上实验研究均针对块煤，且注重研究瓦斯的解吸特性。已有鱼田堡煤矿、中梁山煤矿和南桐煤矿等很多突出事故现场煤的粒径分布证实了大量粉化煤的存在——表明粉化煤体具有快速的瓦斯解吸能力[27]。按照煤被破碎的程度划分的类型，在构造应力作用下，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类型的煤具有煤与瓦斯突出的危险性，其中的就包含颗粒和粉状煤，因此研究轴压作用下煤粒瓦斯吸附特性是十分有必要的。

1 煤样制备及实验系统

1.1 煤样的采集与制备

实验中选取的3 种的煤样均属于烟煤，将选取好的实验煤样，通过粉碎机进行粉碎，利用振动筛筛选出180～250 μm 煤样，将制备好的煤样在真空干燥箱干燥24 h，干燥温度70 ℃，之后密封保存已备实验所需。

根据GB/T212—2008 国家标准，采用GF-A2000工业分析仪测定制备好的干煤样中水分（Mad）、灰分（Aad）、挥发分（Vdaf）和固定碳（FCad）的含量，测试煤样的基本信息见表1。

表1 测试煤样的基本信息Table 1 Necessary information of the tested coal samples

1.2 实验系统

实验系统的示意图如图1。

图1 实验系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of experimental system

实验系统由供气及气体控制系统、吸附解吸系统、压力采集系统、真空脱气系统、温度测量系统、轴压加载系统组成。

供气及气体控制系统主要由氦气气瓶、甲烷气瓶、减压阀、供气管路、阀门组成；吸附解吸系统主要包括恒温箱、参考罐、样品罐、管道、阀门组成；压力采集系统采用ST3000 压力传感器，数据采集和转换模块则使用ADAM-4520；真空脱气系统主要由2XZ-4 型旋片式真空泵、真空表、链接管路和阀门组成；温度测量系统包括铂电阻温度传感器、温度采集模块（包括NI9217 采集卡、NI cDAQ-9184 以太网机箱）、安装有NI DAQmx 驱动软件的笔记本电脑。

2 实验步骤及方案

2.1 实验步骤

实验开始之前需要进行压力系统调试和系统气密性检查，之后进行参考罐、样品罐体积测定和样品罐自由体积测定，完成上述步骤之后开始进行吸附实验。样品罐的末端定制了液压装置，通过罐体侧面接口与手摇泵、压力表和压力管路连接形成轴压加载系统，通过手摇泵，以压力表为指示，可以对样品罐内的煤样加载指定大小的轴压。

2.2 实验方案

实验中选取的3 种不同变质程度的烟煤，每种煤样的粒径均为180～250 μm，在不同温度（30、50℃）不同瓦斯压力（0.2、0.6、1.0、1.4、1.8、2.2 MPa）和不同轴压下（0、3、6、9、12 MPa）条件下进行3 种不同变质程度煤的瓦斯吸附实验，瓦斯压力是吸附平衡时样品罐内的压力，具体方案见表2，为了便于分析在表中列出的瓦斯压力为近似值，在计算时使用实际测量值。

表2 实验方案Table 2 Experimental schemes

3 实验结果及分析

3 种煤样瓦斯吸附量随轴压的变化曲线如图2。

图2 3 种煤样瓦斯吸附量随轴压的变化曲线Fig.2 Variation curves of gas adsorption capacity of three coal samples with axial pressure

从图2 中可以发现，煤样瓦斯吸附量随轴压的变化不是线性和单调的，仔细观察可以发现煤样瓦斯吸附量随轴压的变化有2 种情形：一种是煤样瓦斯吸附量随轴压的增大而减小，如DLT 煤样实验温度为30 ℃，瓦斯压力为0.2 MPa 时，其吸附量随轴压的增加而减小，类似的情况还有JG 煤样温度为30 ℃，瓦斯压力为0.2 MPa，YW 煤样温度为30 ℃，瓦斯压力为0.6 MPa，以及YW 煤样温度为50 ℃，瓦斯压力为0.2 MPa；另一种情形是煤样瓦斯吸附量随轴压的增大先减小后增大，如除了上述第1 种情形，其他吸附量随轴压的变化曲线都属于第2 种情形。

在轴压和瓦斯压力共同作用下，煤的瓦斯吸附量存在2 个分界点。存在1 个轴压分界值，当轴压大于该值时，不论温度和瓦斯压力如何变化，煤的瓦斯吸附量都随轴压的增加而增加；而当轴压小于该值时，则要考察另1 个分界值——瓦斯压力的分界值。当瓦斯压力小于分界值时，在不同温度下瓦斯吸附量都随轴压的增大而减小，当瓦斯压力大于该分界值时，瓦斯吸附量随轴压的增大先减小后增大。马杨奇[28]也有类似的结论，但使用的煤样是通过取心机取出的块状煤样，而且吸附时间只有8 h；而已有文献认为柱状煤的吸附平衡时间为15 d 才更加合理[29]，因此其中的吸附实验数据应该偏小。

虽然对以上数据所体现出的实验现象行了分析，然而出现这种现象的内在机理尚不明确。随着轴压的增加，煤粒和块煤的变形阶段有很大的不同，煤粒是已被粉碎的煤颗粒，在轴压下应该表现为持续压实和一定的流变特性。因此煤样的孔隙率应随轴压的增大而减小，则煤的微孔含量也会随轴压的增大而减小，煤样的瓦斯吸附量应随轴压的增大而减小，图2 中第1 种情形恰好就符合这样的变化，但第2 种情形所表现出的结果则与上述常规想法不符。实验数据显示，煤样在轴压和瓦斯压力的共同作用下，煤的吸附能力并不会像一般推断的那样总是随轴压的增大而减小，因此结合前人研究成果从机理层面对实验现象进行分析是非常必要的。

某一瓦斯压力下瓦斯吸附量随轴压的变化趋势图如图3。

分析图2 中的吸附量变化曲线，可以发现在某一瓦斯压力下煤粒瓦斯吸附量随轴压的增大应存在图3 中的变化趋势，吸附量随轴压增大存在3 个变化阶段：①第1 阶段为孔隙压缩阶段：此时轴压不大，瓦斯压力和轴压的共同作用未能破坏原始微孔结构，随着孔隙结构在轴压的作用下被压缩，吸附量随孔隙率的下降而降低；②第2 阶段为孔隙转变阶段：煤样的原始孔隙结构在轴压和瓦斯压力的共同作用下开始发生改变，大孔开始向中孔转变，中孔开始向微孔转变，封闭孔转变为开孔，煤样孔隙结构发生较大变化，微孔数量增加，更多的甲烷分子在微孔中被煤“捕获”进入吸附相内，从而表现为吸附量随轴压的增大而增大的变化趋势；③第3 阶段为孔隙压实阶段：轴压的持续增加到某一临界点后煤中瓦斯可能处于超临界状态，已有研究表明[30-31]，超临界状态下过剩吸附量会随瓦斯压力的增大而减小，绝对吸附量则随瓦斯压力的增大而趋于平缓，随着轴压的增大，煤的大孔和中孔结构逐渐消失，微孔结构难以支撑如此大的轴压而被逐渐压缩，微孔含量越来越少，在吸附空间的压缩和超临界状态下瓦斯吸附量的不再改变的共同作用下，煤的整体瓦斯吸附量逐渐降低。

图3 某一瓦斯压力下瓦斯吸附量随轴压的变化趋势图Fig.3 Variation trend of gas adsorption capacity with axial pressure under a certain gas pressure

结合以上分析得到的轴压下吸附变化的机理并参考本文中的实验数据，关于瓦斯压力和轴压分界点的论述在不同情况下其变化特征是有区别的。通过对3 种煤样在不同轴压条件下的瓦斯吸附量变化曲线进行分析，总结出的不同瓦斯压力下吸附量随轴压的变化趋势图如图4。

图4 不同瓦斯压力下吸附量随轴压的变化趋势Fig.4 The variation trend of adsorption capacity with axial pressure under different gas pressures

图4 中曲线a～曲线g 是不同瓦斯压力下的吸附量随轴压的变化趋势，随着瓦斯压力的增大，曲线的2 个极值点在向左上方移动。从实验结果可以看到，瓦斯压力较小时吸附量随轴压的变化趋势类似于曲线a，且在第1 阶段还没有经过第2 阶段，而考虑到瓦斯压力较小情况，可能永远无法达到第2阶段，即瓦斯压力较小时，煤的瓦斯吸附量可能会随轴压的增大而减小，但不会出现第2 阶段——吸附量随轴压的增大而增大。前文所论述的分界点其实不是固定的，而是随瓦斯压力的变化而变化的。这种变化可以理解为——在瓦斯压力较小时，瓦斯压力难以抵抗轴压对煤孔隙结构的改变，或者说当轴压对煤孔隙结构的压缩作用大于瓦斯压力对孔隙的支撑作用以及吸附膨胀作用时，煤孔隙结构会在两者的共同作用下发生转变，即瓦斯压力较小时，第1 阶段范围较大，且有可能无法进入第2 阶段。在瓦斯压力较大时，瓦斯压力对煤孔隙的支撑作用较强，但在轴压和瓦斯压力的共同作用会对煤产生蚀损作用和损伤作用[32]，这使得煤体的强度降低，煤的孔隙结构的改变和扩展更为容易，此时会比瓦斯压力较小时更快的度过第1 阶段进入第2 阶段。对于不同煤样，吸附量随轴压变化曲线的极值点也不同，对于不同的瓦斯压力该曲线的极值点又会发生变化，这样就形成了比较复杂的情形。例如YW 煤样温度30 ℃，瓦斯压力0.6 MPa 和温度50 ℃，瓦斯压力0.2 MPa 都可以明显看出是处在第1 阶段，而YW 煤样其他曲线都处在第1、2 阶段之间，有明显的拐点。温度50 ℃，瓦斯压力为1.0 MPa 时，曲线的拐点在6 MPa 附近（轴压），而其他几种瓦斯压力大于1.0 MPa 的曲线拐点在向左移动。YW 煤样吸附量随轴压的变化曲线在各瓦斯压力下的实际拐点还不能确认，这是由于轴压的跨度较大造成的，但3 种煤样实验数据绘制的曲线均比较符合图3 和图4 所体现的规律。虽然在实验的基础上分析了轴压和瓦斯压力共同作用下煤瓦斯吸附机理，分析结果能解释实验数据，具有一定的合理性，但由于相关研究较少，相同研究未见报道，因此研究结论还有待进一步研究证实。

4 结 语

1）由于轴压和瓦斯压力共同作用引起煤孔隙结构的变化非常复杂，因此在温度相同时，不同瓦斯压力下煤瓦斯吸附量不随轴压的增大单调变化，瓦斯压力较高时，吸附量随轴压的增大先减小后增大；瓦斯压力较低时，吸附量随轴压的增大而减小。

2）瓦斯压力和轴压对煤吸附特性的影响主要是由于改变了煤的孔隙结构，随着轴压的增大煤的孔隙结构变化存在3 个阶段———孔隙压缩、孔隙转变、孔隙压实，对应3 种瓦斯吸附量变化阶段。在某一瓦斯压力下第1 阶段吸附量随轴压的增大而减小，第2 阶段吸附量随轴压的增大而增大，第3 阶段吸附量随轴压的增大再次减小。

3）绘制了某一瓦斯压力下瓦斯吸附量随轴压的变化趋势图，认为随着瓦斯压力的增大该曲线会向左上方移动，解释了吸附实验数据中瓦斯吸附量随轴压的变化机理。