余吾矿构造煤吸附动力学特性_张哲.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 余吾矿构造煤吸附动力学特性 张哲 1,2， 秦兴林1,2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 沈阳 110016； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 122113） 摘要 针对构造煤瓦斯吸附动力学特性， 以山西潞安余吾煤矿为工程背景， 选取了 4 种不同破 坏类型的构造煤样， 进行了压汞测试和瓦斯等温吸附实验， 获得了煤体孔隙分布特征和瓦斯吸 附动力学曲线， 并分析了吸附压力、 吸附量及吸附速率随时间的变化规律。研究结果表明 吸附 压力随吸附时长的增加而不断降低， 在吸附开始的前 20 min 内压力急剧降低， 降幅高达 60以 上； 随吸附时长的增加， 各煤样瓦斯吸附量经历了先急剧增大再缓慢增加最后达到平衡的非线 性变化过程； 吸附速率曲线表明， 随煤体破坏程度的增加， 瓦斯吸附速率逐渐增大， 吸附性增强。 不同破坏类型构造煤孔隙分布差异显著， 进而影响瓦斯吸附动力学特性， 在煤矿瓦斯治理和煤 层气开发中应予以考虑。 关键词 构造煤； 破坏程度； 瓦斯吸附； 吸附动力学； 孔隙分布 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0028-04 Adsorption Dynamics Characteristic of Tectonic Coal in Yuwu Coal Mine ZHANG Zhe1,2, QIN Xinglin1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Shenyang 110016, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 122113, China） Abstract Aiming at the methane adsorption dynamics characteristics of tectonic coals, Yuwu Coal Mine of Lu’ an Group in Shanxi Province was chosen as the engineering background. Four tectonic coal samples with different degrees of destruction were selected for high -pressure mercury intrusion porosimetry and methane isothermal adsorption experiments, and the pore distribution characteristics in coal and methane adsorption dynamics curves were obtained. The changing laws of adsorption pressure, adsorption volume and adsorption speed with time were analyzed. The research result shows that the adsorption pressure is decreased with the increase of time. At the initial 20 min of the adsorption, pressure sharply declines with the decreasing amplitude, more than 60. As the increase of adsorption time, the methane adsorption volume experiences a nonlinear changing process dramatical increase -slow rise -reaching equilibrium. The adsorption speed curves indicate that both the methane adsorption speed and adsorption capacity are enhanced with the increase of the degree of destruction. The pore distribution characteristics of tectonic coals with different destruction types vary a lot, further affecting the methane adsorption dynamics, which should be considered in the engineering practice for coalmine gas control and methane exploitation. Key words tectonic coal; degree of destruction; gas adsorption; adsorption dynamics; pore distribution DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.006 张哲， 秦兴林.余吾矿构造煤吸附动力学特性 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8 ） 28-31， 36. ZHANG Zhe, QIN Xinglin. Adsorption Dynamics Characteristic of Tectonic Coal in Yuwu Coal Mine［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 28-31, 36. 移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金面上资助项目 （51374216） 我国煤层埋藏条件复杂， 受地质构造运动影响， 在不同地应力-应变复杂地质环境及构造应力作用 下，煤自身的物理化学结构、瓦斯运移特性等均发 生了显著变化，并由此形成了具有不同微结构特征 的构造软煤[1-4]。 研究表明[5-7]， 煤与瓦斯突出、 瓦斯异 常涌出等煤岩动力灾害的发生常常与构造煤紧密相 关，而这类构造煤在我国广泛分布，给我国煤矿瓦 斯治理带来严峻挑战。针对构造煤结构特征及瓦斯 储运特性， 前人开展了大量研究工作[8-21]。在此基础 28 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 表 1构造煤基本工业参数 Table 1Basic industrial parameters of tectonic coal 煤样编号 坚固性 系数 水分/灰分/挥发分/ 固定碳/ YW1 YW2 YW3 YW4 0.33 0.49 0.82 1.19 1.74 1.39 1.07 1.26 12.52 14.83 13.69 13.90 13.12 12.87 13.46 14.01 72.62 70.91 71.78 70.83 图 1吸附压力变化曲线 Fig.1Adsorption pressure changing curves 上，以山西余吾煤矿为研究背景，选取了不同破坏 类型煤样，研究构造煤瓦斯吸附动力学特性。研究 结果以期为煤岩动力灾害防治提供参考。 1工程地质概况 山西潞安余吾煤矿地处沁水煤田东部，地层为 南北走向， 倾向西稍有起伏， 背斜开阔， 向斜紧密； 矿区构造较多， 共含断层 33 条 （正断层 10 条、 逆断 层 23 条） ， 煤层倾角 3～15。下二叠统山西组 （P1st） 和上石炭统太原组 （C3t） 为本矿区的主要含煤地层， 其中 3 号煤层和 15 号煤层为主要可采煤层。3 号煤 层厚 5.0～7.25 m， 平均厚度 5.99 m， 夹矸 0～3 层， 一 般为 1 层， 夹矸平均厚 0.27 m， 煤层结构整体相对 简单。 15 号煤层厚度为 0～2.60 m， 平均厚 0.71 m， 含 泥岩和炭质泥岩夹矸 0～4 层， 煤层结构较为复杂。 2实验测试 根据煤体破坏的严重程度，构造煤可分为糜棱 煤、 碎粒煤、 碎裂煤和原生煤。实验煤样采自 3 号和 15 号煤层。由于地质构造作用比较强烈， 煤体变形 比较显著，煤表面非均质较强，不同破坏类型的构 造煤发育较为完整。 在余吾煤矿变形较为强烈的 15 号煤层采集 3 份构造煤， 分别为糜棱煤、 碎粒煤和碎 裂煤，同时采集 3 号煤层的原生煤用于实验对比研 究。将新鲜煤样运至实验室后，按照国标 GB/T 2122008 来进行煤的工业分析，煤坚固性系数的 测定则遵照 GB/T 82081987 进行，构造煤基本参 数见表 1。从表 1 可以看出，这 4 种煤样的煤阶相 同，均为变质程度较高的贫煤；煤样坚固性系数值 在 0.33～1.19 范围内变化， 且随破坏程度的增加， 逐 渐减小， 表明煤体受构造应力作用而不断软化。 将煤样粉碎成 60～80 目 （180～250 μm） ， 并放入 真空干燥箱中， 在 100 ℃下烘干备用。 瓦斯吸附动力 学实验采用美国 TerraTek 公司生产的 ISO-300 型等 温吸附仪，采用氦气作为死体积的标定气体，实验 温度控制在 25 ℃，瓦斯压力范围控制在 0～3 MPa， 吸附时长为 20 h。根据吸附平衡前压力、 平衡后压 力以及系统死体积数据来计算瓦斯吸附量。在此过 程中， 为研究构造煤的吸附动力学特征， 记录从吸附 开始到吸附平衡过程中的瓦斯压力变化数据，以此 获取构造煤吸附动力学曲线。 为探索构造煤瓦斯吸附的微观影响机制，针对 不同变形程度构造煤， 开展煤体微观孔隙特性试验， 采用的方法为高压压汞法，所使用的仪器为美国 Quantachrome 公司生产的 PoreMaster-33 型全自动 压汞仪。 首先将煤样粉碎， 制成体积为 1～2 cm3的块 状试样， 然后将其放入分析站并测定孔隙分布参数。 实验操作过程遵循国标 GB/T 21650.12008，所使 用的汞纯度为 99.99， 温度为室温 25 ℃。 3实验结果 3.1吸附压力变化 各构造煤吸附压力变化曲线如图 1。各煤样的 初始压力相同， 均为 3.0 MPa 左右， 吸附平衡压力分 别为 0.23、 0.55、 0.61、 0.72 MPa。 从图 1 可以看出， 随 吸附时长的增加， 各煤样的吸附压力均在不断降低； 且在吸附开始前 20 min 内压力急剧降低， 降幅高达 60以上，煤样在该阶段大量吸附瓦斯； 20 min 后， 压力缓慢降低直至平稳。其中， YW1 煤样的压力变 化最为剧烈， 压力降低幅度明显高出其他 3 个煤样； YW2 和 YW3 煤样的压力变化曲线最为接近，基本 重合， 说明这 2 个煤样的瓦斯吸附性能相当。 3.2吸附量变化 相同初始压力下吸附量变化如图 2。由图 2 可 知，随吸附时长的增加，各煤样瓦斯吸附量经历了 先急剧增大再缓慢增加最后达到平衡的非线性变化 过程。与图 1 的变化类似，吸附量急剧增加阶段也 29 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 5构造煤孔隙分布 Fig.5Pore distribution of tectonic coal 图 2相同初始压力下吸附量变化 Fig.2Change of adsorption volume under the same initial pressure 图 3构造煤拟饱和吸附量变化 Fig.3Change of saturated adsorption volume for tectonic coal 图 4构造煤吸附速率变化曲线 Fig. 4Changing curves of adsorption speed for tectonic coal 是集中在吸附开始的 20 min 内。1 200 min 后， 煤体 瓦斯吸附量基本不再随时间变化，此吸附量被称为 拟饱和吸附量。 为进一步分析各构造煤之间的吸附差异性， 绘 制了各煤样拟饱和吸附量变化图，构造煤拟饱和吸 附量变化如图 3。由图 3 可知， YW1 煤样的拟饱和 吸附量最大，高达 32.8 mL/g， YW4 煤样的最小， 二 者相差 26。由于煤样 YW1～YW4 分别对应的是糜 棱煤、 碎粒煤、 碎裂煤和原生煤， 其破坏程度是逐渐 降低的。图 3 表明， 随破坏程度的增加， 拟饱和吸附 量在不断增大，说明构造变形作用能够增强煤体瓦 斯吸附能力， 促进瓦斯吸附。 3.3吸附速率变化 由图 2 可知， 煤体瓦斯吸附量在开始 20 min 内 变化最为剧烈， 因而需要对前 20 min 的吸附速率进 行着重分析。各构造煤瓦斯吸附速率变化曲线如图 4。由图 4 可知， 随吸附时长的增加， 吸附速率呈指 数衰减， 当吸附时长超过 10 min 后， 吸附速率趋于 平稳。在任意时刻， 糜棱煤 （YW1） 的吸附速率均为 最大， 而原生煤 （YW4） 最小。综合图 1、 图 2 和图 4 来看，不同破坏程度煤样的瓦斯吸附动力学特性差 异显著。原生煤的吸附速率及吸附量均为最小； 随 破坏程度增加， 煤体瓦斯吸附速率逐渐增大， 吸附性 增强； 到糜棱煤阶段， 吸附速率迅速增大， 吸附量达 到最大值。 3.4孔隙特性 众所周知， 煤中的孔、 裂隙网络是瓦斯赋存的场 所， 为便于描述构造煤孔隙分布规律， 采用 Hodot 十 进制孔隙分类方法[22-23]， 即 微孔 （＜10 nm） 、 过渡孔 （10～＜100 nm） 、 中孔 （100～1 000 nm） 、 大孔 （＞1 000 nm） 。其中， 微孔和过渡孔又统称为吸附孔， 中孔和 大孔统称为渗流孔[24]。余吾矿 4 种类型构造煤孔隙 分布如图 5。 由图 5 可以看出，所有煤样吸附孔所占比例均 大于 54，这和一般认为的高阶煤以纳米孔为主 的观点是一致的。对于不同类型构造煤，其孔隙分 布特征具有明显差异。从原生煤到糜棱煤，煤中的 微孔比表面积从 5.83 m2/g 逐渐增加到 9.28 m2/g， 增幅达 59.2； 大孔比表面积则从 1.96 m2/g 减小到 0.98 m2/g， 降低了 50； 中孔比表面积也呈逐步降 低趋势。 30 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 6构造煤孔结构参数对瓦斯吸附的影响 Fig.6Influence of tectonic coal pore parameters on methane adsorption 在构造应力的作用下， 煤体结构发生破坏， 导致 煤体裂隙形貌、孔隙分布发生变化，进而影响煤体 瓦斯吸附特性。由于微孔和过渡孔的孔径相对较 小，对瓦斯分子的束缚能力较强，微孔隙发育的煤 体往往表现出较强的吸附性能。构造煤孔结构参数 对瓦斯吸附的影响如图 6。 由图 6 可以看出，吸附孔比表面积与拟饱和吸 附量呈现良好的线性正相关关系，说明微孔和过渡 孔数量的增加能够提供足够的吸附空间，强化煤体 瓦斯吸附。随渗流孔比表面积的增加，拟饱和吸附 量呈负指数衰减。这是由于中孔和大孔具有的孔隙 直径相对较大，对瓦斯分子的作用较弱，一般为瓦 斯解吸渗流提供通道。值得注意的是， 在图 3 中， 从 YW4 到 YW2 煤样， 也就是从原生煤到碎粒煤阶段， 拟饱和吸附量变化不大，只有小幅的增加；但从碎 粒煤到糜棱煤阶段，拟饱和吸附量迅速增大。这是 因为在糜棱煤阶段，强烈的构造应力使得煤体结构 发生急剧变化，煤体内部原生孔隙裂隙遭到破坏， 孔隙结构变得更为复杂，微孔、过渡孔数量急剧增 加， 更易于瓦斯吸附。 4结论 1） 在同一初始压力下， 随吸附时长增加， 各煤样 的吸附压力均不断降低； 且在吸附开始前 20 min 内 压力急剧降低， 降幅高达 60以上， 表明煤样在该 阶段大量吸附瓦斯； 20 min 后，压力缓慢降低直至 平稳。 2） 糜棱煤拟饱和吸附量最大， 高达 32.8 mL/g， 原生煤最小， 二者相差 26； 随破坏程度的增加， 拟 饱和吸附量在不断增大，说明构造变形作用能够增 强煤体瓦斯吸附能力， 促进瓦斯吸附。 3） 构造应力作用下， 煤体孔隙结构发生明显变 化。从原生煤到糜棱煤，煤中的微孔比表面积从 5.83 m2/g 逐渐增加到 9.28 m2/g， 增幅达 59.2； 大孔 比表面积则从 1.96 m2/g 减小到 0.98 m2/g，降低了 50。 4） 不同破坏程度煤样的瓦斯吸附动力学特性差 异显著。原生煤的吸附速率及吸附量均为最小； 随 破坏程度增加， 煤体瓦斯吸附速率逐渐增大， 吸附性 增强； 到糜棱煤阶段， 吸附速率迅速增大， 吸附量达 到最大值。 参考文献 ［1］ 宋昱， 姜波， 李凤丽， 等.低-中煤级构造煤纳米孔分形 模型适用性及分形特征 ［J］ .地球科学， 2018， 43 （5） 1611-1622. ［2］ 彭苏萍， 魏文希， 杜文凤， 等.基于 AVO 反演与叠前同 步反演预测构造煤分布 ［J］ .中国矿业大学学报， 2018 （5） 1-6. ［3］ 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. ［4］Sharon M S, Maria D M, Mark A E, et al. Pore characteristics of Wilcox Group Coal, U. S. Gulf Coast Region Implications for the occurrence of coalbed gas ［J］ . International Journal of Coal Geology, 2015, 139 80-94. ［5］ 邵强， 王恩营， 王红卫， 等.构造煤分布规律对煤与瓦 斯突出的控制 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （2） 250-254. ［6］ 秦修培， 邹艳， 汪吉林.构造变形对煤孔隙发育特征影 响的研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （4） 155-159. ［7］ 薛明喜， 陈开远.基于谱分解的构造煤地震识别方法 研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （3） 19-24. ［8］ 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. ［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］ 李明， 姜波， 刘杰刚， 等.黔西土城向斜构造煤发育模 式及构造控制 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （6） 1565. ［11］ 张浪.寺家庄煤与瓦斯突出机制分析 ［J］ .煤炭工程， 2018 （7） 84-86. ［12］ 张庆浩， 贾天让， 李松林， 等.含水率对构造煤煤粒瓦 斯扩散的影响研究 ［J］ .中国安全生产科学技术， 2018 （8） 117-122. ［13］ 徐德宇.构造变形对煤与瓦斯突出的控制作用研究 （下转第 36 页） 31 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 作者简介 张哲 （1983） ， 辽宁葫芦岛人， 助理研究 员， 硕士， 2019 年毕业于中国矿业大学 （北京） ， 主要从事瓦 斯治理方面的研究工作。 （收稿日期 2020-04-02； 责任编辑 王福厚） ［D］ .北京 中国矿业大学 （北京） ， 2018. ［14］ 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. ［15］ 柳先锋， 宋大钊， 何学秋， 等.微结构对软硬煤瓦斯吸 附特性的影响 ［J］ .中国矿业大学学报， 2018， 47 （1） 155-161. ［16］ 王向浩， 王延斌， 高莎莎， 等.构造煤与原生结构煤的 孔隙结构及吸附性差异 ［J］ .高校地质学报， 2012， 18 （3） 528-532. ［17］ 曲闯， 左宇军， 于迪， 等.王庄煤矿不同破坏类型煤体 结构差异性及其对瓦斯吸附性能的研究 ［J］ .煤矿开 采， 2017， 22 （6） 88-91. ［18］ 徐刚， 金洪伟， 李树刚， 等.不同坚固性系数 f 值煤渗 透率分布特征及其井下水力压裂适用性分析 ［J］ .西 安科技大学学报， 2019， 39 （3） 443-451. ［19］ 路冠文， 汪吉林， 张娅婷， 等.西南地区构造煤吸附解 吸特性研究 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （2） 9-13. ［20］ 容婷， 李会军， 侯泉林， 等.不同变形机制对无烟煤化 学结构的影响 ［J］ .中国科学 地球科学， 2015， 45 （1） 34-42. ［21］ 姜波， 秦勇， 琚宜文， 等.构造煤化学结构演化与瓦斯 特性耦合机理 ［J］ .地学前缘， 2009， 16 （2） 262-271. ［22］ 张辉， 马东民， 刘厚宁.大佛寺和胡家河 4煤润湿性 对比 ［J］ .西安科技大学学报， 2019， 39 （3） 435-442. ［23］ 贺亚维， 张荣军， 郭永宏.延川地区储层特征及综合 评价 ［J］ .西安科技大学学报， 2019， 39 （5） 811-818. ［24］ 于波. 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储层微观孔 隙特征 ［J］ .西安科技大学学报， 2018， 38 （1） 150. （上接第 31 页） 作者简介 钱志良 （1987） ， 安徽宣城人， 助理研究员， 硕士， 2013 年毕业于中国矿业大学，研究方向为矿井灾害 治理。 （收稿日期 2020-02-07； 责任编辑 王福厚） 参考文献 ［1］ 黄蠢业， 蒋承林.本煤层瓦斯抽采钻孔带库封孔技术 研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2011， 39 （10） 45-48. ［2］ 黄瑞峰， 张志刚， 程波.井下抽采钻孔瓦斯浓度控制机 理及方法研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （5） 128. ［3］ 范育青， 朱栋， 汪华君， 等.瓦斯抽采钻孔双胶囊配合 带压粘液封孔新技术 ［J］ .地下空间与工程学报， 2013 （5） 1127-1131. ［4］ 胡良兆.张集煤矿煤层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研 究 ［D］ .淮南 安徽理工大学， 2017. ［5］ 石海涛.瓦斯抽采钻孔稠化膨胀浆体封堵技术研究及 应用 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2017. ［6］ 郑优萍， 郁丽萍， 雷雨坤， 等.功能型复合高吸水树脂 的制备及其性能研究 ［J］ .化工新型材料， 2019， 47 （9） 232-236. ［7］ 任俊儒， 程华， 杨朝山， 等.一种基于吸水树脂的多孔 混凝土蠕变性能试验研究 ［J］ .当代化工， 2019， 48 （9） 1964-1967. ［8］ 张志强.高吸水树脂对水泥混凝土性能的影响及机理 研究 ［D］ .长春 吉林大学， 2019. ［9］ 单俊鸿， 王校伟， 王稷良， 等.高吸水性树脂应用于混 凝土的研究现状 ［J］ .新型建筑材料， 2015， 42 （7） 18. ［10］ 刘芳， 孟凡雷.超强吸水聚合物对混凝土性能的影响 ［J］ .混凝土， 2013 （10） 98-100. ［11］ 叶华， 赵建青， 张宇.吸水树脂水泥基材料自养护外 加剂的研究 ［J］ .华南理工大学学报 （自然科学版） ， 2003 （11） 41-44. ［12］ 林润雄， 姜斌， 黄毓礼.高吸水性树脂吸水机理的探 讨 ［J］ .北京化工大学学报 （自然科学版） ， 1998 （3） 22-27. 36 ChaoXing