东曲矿软硬煤瓦斯吸附特性对比研究_邢萌.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 东曲矿软硬煤瓦斯吸附特性对比研究 邢萌 1， 2，傅永帅3， 4， 5 （1．山西潞安矿业 （集团） 有限公司， 山西 长治 046200； 2．山西潞安环保能源开发股份有限公司 常村矿， 山西 长治 046100； 3．吉林大学 地球科学学院， 吉林 长春 130000； 4．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 沈阳 110000； 5．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为研究不同软硬煤瓦斯吸附特性， 以山西古交矿区东曲矿为研究对象， 针对 2 组不同变 质程度的软硬煤， 通过高压容量法测试了其瓦斯吸附性能； 同时对不同软硬煤开展了低温液氮 吸附实验， 分析了其孔隙结构特征， 从煤体微结构层面揭示了不同软硬煤的瓦斯吸附控制机理。 研究结果表明不同软硬煤之间存在较大的吸附差异性，瓦斯吸附参数 VL最大值是最小值的 1．5 倍； 在不同软硬煤中， 微孔所占比例均大于 50， 煤中的孔比表面积主要由小于 10 nm 的微 孔所贡献； 构造变形作用使得煤层中的原生孔隙裂隙系统被破坏， 孔隙直径减小， 微孔比例增 加， 孔隙比表面积也在不断增大， 因而， 软煤较硬煤拥有更强的吸附性能。 关键词 东曲矿； 软硬煤； 瓦斯吸附； 孔隙结构； 控制机理 中图分类号 TD713文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0014-04 Comparison Research on Methane Adsorption Property of Soft and Hard Coals in Dongqu Coal Mine XING Meng1,2, FU Yongshuai3,4,5 （1．Shanxi Lu’ an Mining（Group）Co., Ltd., Changzhi 046200, China;2．Changcun Coal Mine, Shanxi Lu’ an Environment and Energy Development Co., Ltd., Changzhi 046100, China;3．College of Geosciences, Jilin University, Changchun 130000, China; 4．China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Shenyang 110000, China; 5．State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract To investigate the methane adsorption characteristics of different soft and hard coals, Dongqu Coal Mine in Gujiao Mining Area, Shanxi Province, was selected as the research object． Aimed at two groups of soft and hard coal samples with different coalification degrees, the high pressure capacity was adopted to measure the methane adsorption properties of these samples． Low temperature liquid nitrogen adsorption experiments were carried out for these soft and hard coal samples and their pore structural characteristics were also analyzed． On the micro structure level, the control mechanism of methane adsorption was revealed for these soft and hard coal samples． The research result shows that gas adsorption capacity differs greatly among soft and hard coals． The greatest value of Langmuir volume VLis 1．5 times of the lowest value． Among all the samples, the proportion of micropores is more than 50, and the pore specific surface area in coal is mainly contributed by micropores＜ 10 nm． The original pore/fracture systems in coal seam are destroyed by tectonic deation, leading to the reduction of pore diameter． As a consequence, the proportion occupied by micropores increases, and the pore specific surface area is also increased． Thus, the adsorption capacity of soft coal is significantly higher than that of the corresponding hard coal． Key words Dongqu Coal Mine; soft and hard coal; methane adsorption; pore structure; control mechanism 我国大多数煤层均受到了地质构造活动的影 响[1-2]， 在不同应力-应变地质环境和构造应力作用 下， 煤的物理结构、 化学性质、 瓦斯吸附特性等都发 生了明显变化，因而形成了具有不同微观结构特征 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．004 邢萌， 傅永帅．东曲矿软硬煤瓦斯吸附特性对比研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 14-17． XING Meng, FU Yongshuai． Comparison Research on Methane Adsorption Property of Soft and Hard Coals in Dongqu Coal Mine ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 14-17． 移动扫码阅读 14 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 的构造软煤[3-6]。由于煤与瓦斯突出的发生往往与软 煤密切相关， 为此国内外学者开展了大量研究[7-10]。 宋晓夏等[11]采用低温液氮吸附法对中梁山南矿构造 软煤吸附孔特征进行了研究，发现软煤拥有更高的 分形维数和更复杂的孔隙结构，从而显示出更强的 瓦斯吸附能力。屈争辉等[12]针对不同变质程度不同 变形程度的气煤、焦煤和无烟煤构造软煤的孔隙特 征及微孔成因进行了研究，推断得出由芳香环堆叠 形成的柱状孔及芳香层间孔是软煤的微孔成因。么 玉鹏等[13]运用压汞法研究了构造软煤的孔隙结构发 育特征， 结果表明随煤体构造作用增加， 中孔和大孔 的孔容显著增加，而微孔的变化较小，孔结构变得 复杂。张玉贵等[14]分析了构造煤结构特性与瓦斯突 出之间的关联性，得出煤中的有机质在构造应力的 作用下具有超前演化的特征，并提出将煤中的氯仿 萃取率作为煤与瓦斯突出的预测指标。柳先锋等[15] 分析了微结构对软硬煤瓦斯吸附控制机理，发现焦 煤软煤孔比表面积大于相应的硬煤，表现出了更强 的吸附性能。在前人研究的基础上， 以山西东曲矿为 研究背景， 选取 2 种不同变质程度的软硬煤， 从微观 结构层面分析不同软硬煤瓦斯吸附差异性。研究结 果对于煤矿瓦斯灾害事故预防具有重要意义[16-20]。 1工程背景 东曲矿位于山西太原西山煤田古交矿区，矿区 受新华夏系泰国山式断裂的控制作用，地层走向北 西， 倾向南西， 倾角为 3～8， 地层中的上石炭统太 原组 （C3t） 和下二叠统山西组 （P1st） 为主要含煤地层。 其中， 太原组地层的平均厚度为 105 m， 含煤系数为 8．7， 由砂质泥岩、 深灰色泥岩和各粒级砂岩、 3 层 海相石灰岩以及 6 个煤层组成。其中主要可采煤层 为 2、 8 号煤层， 2 个煤层间距为 85 m 左右。 2实验部分 实验煤样采自2 号和 8 号煤层，并分别命名为 DQ2 和 DQ8， 对于同一煤层， 同时采集硬煤 （简称 Y） 和对应的软分层煤样 （简称 R） 。将工作面新鲜块 状煤样密保存后送往实验室进行研磨和筛分，煤的 工业分析根据国标 GB/T 2122008 进行， 煤的坚固 性系数 f 测定按照国标 GB/T 82081987 进行， 测 得的煤样工业分析参数见表 1。 根据煤种划分标准， DQ2、 DQ8 煤样分别为焦煤和贫煤。 从表 1 还可以看 出， 即使在同一煤层， 软分层的构造变形程度较大， 硬煤的坚固性系数均大于 1，而对应的软煤 f 值均 小于 0．5。 为测试不同软硬煤的瓦斯吸附能力， 采用 ISO- 300 型等温吸附仪 （美国 TerraTek 公司生产） 通过高 压容量法进行煤的等温瓦斯吸附实验，整个实验过 程按照国标 GB/T 195602004 煤的高压等温吸附 试验方法进行。所使用的煤样粒度为 60～80 目 （180～250 μm） ， 实验温度控制在 25 ℃， 气体压力范 围设置为 0～5 MPa。采用低温液氮吸附法测试不同 软硬煤的微观孔隙结构，称取约 2 g 煤样经脱气站 真空脱气干燥后放入分析站中，孔径分析测试按照 标准 SY/T 61541995 进行。根据测得的氮气吸附 数据，通过仪器自带的计算软件即可获得各煤样的 孔比表面积、 孔容等参数。 3实验结果及分析 3．1软硬煤瓦斯吸附性能 各软硬煤瓦斯等温吸附曲线如图 1。从图 1 可 以看出，各软硬煤瓦斯吸附过程均体现出了先快后 慢的非线性变化规律。此外， 软硬煤 DQ8 的瓦斯吸 附量明显大于软硬煤 DQ2， 且软煤的吸附量大于对 应的硬煤。 在储层温度及压力条件下，煤体瓦斯吸附过程 表 1煤样工业分析参数 Table 1Industrial analysis parameters of coal sample 煤样编号坚固性系数 f水分/灰分/ 挥发分/ 固定碳/ DQ2-R DQ2-Y DQ8-R DQ8-Y 0．37 1．12 0．41 1．06 1．04 1．18 0．97 1．05 21．67 20．83 19．72 22．45 20．13 22．24 14．95 15．08 57．16 55．75 64．36 61．42 图 1各软硬煤瓦斯等温吸附结果 Fig．1Isotherm adsorption results of soft and hard coal gas 15 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 符合 Langmuir 单分子层理论， 即 V＝ VLp ppL （1） 式中 V 为气体吸附量， cm3/g； VL为 Langmuir 气 体 吸 附 量 ， cm3/g； p 为 气 体 吸 附 压 力 ， MPa； pL为 Langmuir 压力， MPa。 采用式 （1） 对图 1 中的瓦斯吸附数据进行拟合， 得到的各软硬煤瓦斯吸附参数见表 2。由表 2 可看 出， 相关拟合系数 R2均大于 0．99， 表现出了较好的 拟合效果。不同软硬煤之间存在较大的吸附差异 性， VL和 pL分别在 23．77～35．96 cm3/g 和 1．09～1．40 MPa 范围内变化， VL最大值是最小值的 1．5 倍。 3．2软硬煤孔结构特征 煤中含有大量不同尺度的孔隙，根据 Hodot 孔 隙划分方法， 可将煤中孔隙划分为 4 种 微孔 （＜10 nm） 、 过渡孔 （10～100 nm） 、 中孔 （100～1 000 nm）和 大孔 （＞1 000 nm） 。 由于氮气吸附法能够探测的有效 孔隙范围为 0．8～300 nm， 主要讨论煤中微孔、 过渡 孔及中孔的分布情况。 各软硬煤孔隙分布如图 2。 从 图 2 可看出，软硬煤 DQ2 微孔比表面积分别为 2．336 m2/g 和 1．763 m2/g，对于总比表面积来说， 微 孔所占比例均高于 50； DQ8 软硬煤微孔比表面积 所占比例也均大于 60。这说明煤中的孔比表面积 主要由小于 10 nm 的微孔所贡献， 且随煤变质程度 的升高，微孔的贡献也在增加。对比这 2 组软硬煤 可知，软煤的微孔比表面积均明显高于对应的硬 煤；而软煤的中孔比表面积则小于相应的硬煤， 这 说明构造变形作用能够减小煤孔径，使得煤体微孔 数量增加。总体来看，软煤总比表面积均大于对应 的硬煤，这和瓦斯等温吸附试验中所反映的各软硬 煤吸附能力的大小关系是一致的。 3．3孔结构差异性对软硬煤瓦斯吸附的影响机理 煤体总比表面积与瓦斯吸附量之间的关系如图 3。结果显示， 二者呈现较好的线性递增关系。 对图 3 中的瓦斯吸附数据进行线性回归分析， 得到 VL＝5．866 2St4．096 5（2 ） 式中 St为孔总比表面积， m2/g。 相关系数 R2＝0．963 3， 线性拟合效果较好。 表 2各软硬煤瓦斯吸附参数 Table 2Gas adsorption parameters of soft and hard coal 煤样编号 瓦斯吸附参数 相关系数 R2 VL/ （cm3 g-1）pL/MPa DQ2-R DQ2-Y DQ8-R DQ8-Y 26．95 23．77 35．96 32．09 1．09 1．15 1．40 1．36 0．996 7 0．991 2 0．994 9 0．992 0 图 2各软硬煤孔隙分布 Fig．2Pore distribution of soft and hard coal 图 3总比表面积与瓦斯吸附量之间的关系 Fig．3The relationship between total specific surface area and gas adsorption 16 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 煤体瓦斯吸附性能与微观孔隙结构密切相关。 对于软煤，由于受到构造变形作用，煤层中的原生 孔隙裂隙系统被破坏，孔隙直径减小，孔结构变得 日趋复杂， 导致煤中的大孔、 中孔数量减少， 微孔比 例不断增加， 孔隙比表面积也在不断增大 （图 2 ） ， 由 此产生更多的吸附位点，为煤体瓦斯吸附提供广阔 空间。文中 2 组软煤的微孔所占比例均大于对应的 硬煤，软煤的总比表面积也明显高于相应的硬煤， 因而，当瓦斯分子靠近时，软煤拥有足够的空间将 瓦斯分子吸附在煤体表面，从而较硬煤表现出更强 的气体吸附性能。 4结论 1） 软硬煤瓦斯等温吸附符合 Langmuir 方程， 不 同软硬煤之间存在较大的吸附差异性， VL和 pL分别 在 23．77～35．96 cm3/g 和 1．09～1．40 MPa 范围内变 化， VL最大值是最小值的 1．5 倍。 2 ） 对于总比表面积来说， DQ2 软硬煤微孔所占 比例均高于 50； DQ8 软硬煤微孔比表面积所占比 例也均大于 60， 说明煤中的孔比表面积主要由小 于 10 nm 的微孔所贡献，且随煤变质程度的升高， 微孔的贡献也在增加。 3） 煤体总比表面积与瓦斯吸附量呈线性正相关， 软煤总比表面积均大于对应的硬煤，这和瓦斯等温 吸附试验中所反映的各软硬煤吸附能力的大小关系 是一致的。 4） 对于软煤， 构造变形作用使得煤层中的原生 孔隙裂隙系统被破坏，孔隙直径减小，微孔比例增 加，孔隙比表面积也在不断增大，较硬煤拥有更强 的吸附性能。 参考文献 ［1］ 于丽雅．常村矿构造煤储层特性及其影响因素 ［J］ ．煤 矿安全， 2018， 49 （1） 176－178． ［2］ 琚宜文， 姜波， 王桂梁， 等．构造煤结构及储层物性 ［M］ ．徐州 中国矿业大学出版社， 2005 82－117． ［3］ 刘延保．极松软煤体高压吸附过程中变形特性试验研 究 ［J］ ．矿业安全与环保， 2016， 43 （5） 1－4． ［4］ 聂百胜， 柳先锋， 郭建华， 等．水分对煤体瓦斯解吸扩 散的影响 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2015， 44 （5） 781． ［5］ 姜波， 琚宜文．构造煤结构及其储层物性特征 ［J］ ．天然 气工业， 2004， 24 （5） 27－29． ［6］ 程波， 马代辉， 高月．煤的灰分、 挥发分与孔隙率的关 联及其对瓦斯放散初速度的影响 ［J］ ．矿业安全与环 保， 2017， 44 （1） 12－17． ［7］ Sharon M S, Maria D M, Mark A E, et al． Pore charac－ teristics of Wilcox Group Coal，U． S． Gulf Coast Re－ gionImplications for the occurrence of coalbed gas ［J］ ． International Journal of Coal Geology, 2015,139 80－94． ［8］ 于军．不同软硬煤的结构差异性研究 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （12） 5－8． ［9］ Frodsham K, Gayer R A． The impact of tectonic defor－ mation upon coal seams in the South Wales coalfield, UK ［J］ ． International Journal of Coal Geology, 1999, 38 （3） 297－332． ［10］ 张九零， 范酒源．含水量对瓦斯放散初速度影响规律 的实验研究 ［J］ ．煤矿开采， 2017， 22 （2） 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