王小聪,黄再娟
(1.炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室,河南 平顶山 467000;2.平煤股份煤炭开采利用研究院,河南 平顶山 467000)
煤炭是我国能源供应体系中的“稳定器”和“压舱石”[1],在国民经济发展中起到十分重要的作用。我国煤矿地质条件复杂,瓦斯灾害一直是煤矿的主要灾害,是深部矿井的第一大灾害[2-3],严重威胁煤矿的安全生产[4]。平顶山矿区经过70 多年的发展,已逐步进入深部开采阶段,大部分矿井开采深度超过700 m 以下,有的甚至超千米[5]。随着开采深度的增加,高温、高地应力、高瓦斯压力等相互交织作用,所面临的瓦斯治理问题变得十分严峻[6],给安全生产带来极大隐患。研究深部煤层瓦斯吸附规律,对矿井区域瓦斯治理和抽采达标具有重要的指导意义。
煤是天然吸附剂,是一种内部含有大量孔隙的物质,具有很大的表面积[7]。瓦斯吸附常数是衡量煤吸附瓦斯能力大小的指标,是煤层瓦斯基础参数中重要的组成部分。前人对煤的瓦斯吸附性能方面做了大量的研究,有学者认为,随吸附平衡温度升高,同一煤样的瓦斯吸附量减少[8];还有学者认为,煤的煤化程度越高和存储瓦斯的能力密切相关,煤的变质程度越高,煤层瓦斯含量越大[9]。总之,影响煤的吸附性能因素较多,主要有煤的变质程度、煤岩粒径、水分、灰分、孔隙率、温度、压力以及地质构造等。
在平顶山矿区深部煤层不同地点采集10 个实验煤样,实测煤的工业分析、真密度、孔隙率等参数,模拟井下温度为30℃时,在不同瓦斯压力情况下,煤样的瓦斯吸附能力,并对数据进行分析对比,分析吸附曲线,研究深部煤层瓦斯赋存规律。
在平煤股份一矿、四矿、五矿、八矿、十矿、十二矿、十三矿等7 对矿井,采集10 个试验煤样,煤样埋深分布范围为700 ~1 100 m。对采集到的煤样进行筛分,进行煤的工业分析、真密度、孔隙率等参数测定,将瓦斯吸附试验的煤样放入干燥箱中。实测实验煤样水分(Mad)、灰分(Ad)、挥发分(Vdaf)、真密度结果见表1。
表1 实验煤样煤质参数情况Table 1 Coal quality parameters of experimental coal samples
实验仪器选用中煤科工集团沈阳研究院研制的WY-98A 型瓦斯吸附常数测定仪,吸附实验过程:将已筛分的煤样烘干4 h,选取25 g 装入吸附罐中,先在水浴60℃下脱气4 h,脱气结束后,水浴温度降到30℃时,再进行甲烷吸附,吸附压力由低到高设置7 个点,第1 ~2 点每点需吸附7 h,其余各点吸附4 h,整个试验运行时间约38 h。吸附压力点位设定见表2。
表2 吸附压力情况Table 2 Adsorption pressure
将采集到的10 个实验煤样,分别进行吸附实验,各吸附压力点位吸附瓦斯量见表3。
表3 各压力点位瓦斯吸附量Table 3 Gas adsorption capacity at each pressure point
由表3 可知,煤样在瓦斯等温高压吸附过程中,吸附实验的前期(第一点和第二点),吸附量快速增大,是吸附瓦斯量的主要组成部分,随着吸附压力的增大,瓦斯吸附量显著降低,在吸附压力第六点上时,衰减明显,缓慢达到饱和吸附量。
煤样完成吸附实验后得到瓦斯吸附曲线和吸附常数(a、b 值)。瓦斯吸附常数结果见表4,吸附曲线如图1、图2 所示。
图1 实验煤样吸附曲线1Fig.1 Adsorption curve 1 of experimental coal sample
图2 实验煤样吸附曲线2Fig.2 Adsorption curve 2 of experimental coal sample
表4 煤的甲烷吸附试验结果Table 4 Methane adsorption test results of coal
许多研究表明,煤层埋深到达一致深度后,瓦斯吸附量与其不再是简单的正相关关系,而是多重因素相互影响的结果[10]。煤样吸附实验结果,吸附常数a 的范围为18.911 ~29.842 m3/t,吸附常数b的范围为0.396 ~0.851 MPa-1,瓦斯吸附量和埋深没有明显正相关关系,这和前人研究成果一致。
由图1 ~图2 可以看出,实验煤样吸附曲线符合langmuir 吸附方程,同时不同采样地点煤样的吸附常数(a、b 值) 差距较大,且无规律可循。采集煤样中,1 号煤样瓦斯吸附量最大,为22.95 m3/t,3 号煤样瓦斯吸附量最小,为13.62 m3/t。吸附曲线表现为,同一温度条件下,伴随吸附瓦斯压力增大,吸附瓦斯量逐渐增大,瓦斯压力增大到一定程度时,吸附量显著降低,最终趋于吸附饱和,达到极限瓦斯吸附量。
平顶山矿区深部煤层瓦斯吸附量,吸附曲线呈现出开始吸附量急剧增大,随着压力增大,吸附量逐渐放缓,在吸附压力达到5 MPa 时,趋于饱和吸附量,达到吸附动平衡。实验煤样瓦斯吸附量与煤样的埋藏深度并无直接关系,而与煤样的煤质参数关系密切,特别是煤的挥发分(Vdaf),呈现出挥发分越高,吸附甲烷量越低的反比例关系。吸附阶段前期,在吸附压力点位的第一点(1.0 MPa) 和第二点(1.8 MPa),吸附瓦斯量较大,在饱和吸附量中占比超过70%,是煤层吸附瓦斯含量的主要部分,在实际生产中也是造成瓦斯灾害的重要原因,在很大程度上,决定煤与瓦斯突出灾害的强度。
(1) 实验结果表明,深部煤层瓦斯吸附曲线符合langmuir 吸附曲线方程。
(2) 在瓦斯吸附过程中,随着吸附压力增大,瓦斯吸附量急剧增加,然后吸附量明显降低,在吸附压力达到5 MPa 左右时,趋于饱和吸附量,逐渐达到吸附动平衡。平顶山矿区深部煤层,吸附压力达到1.8 MPa 时,吸附瓦斯量在饱和吸附量中占比超过70%,是煤层瓦斯含量主要组成部分,对矿井瓦斯灾害治理具有指导意义。
(3) 煤样挥发分是影响煤的瓦斯吸附性能的重要因素,存在煤的挥发分越大,甲烷吸附性能越小的反比关系。