煤体表面分形对瓦斯吸附影响_王军.pdf

煤体表面分形对瓦斯吸附影响 王军 煤科集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016 ［ 摘 要］以 8 种不同变质程度煤样为研究对象，采用高压容量法和低压氮气吸附等实验手段， 对煤样表面分形特征及吸附性能进行了分析，并利用 FHH 方程计算得到了煤样表面分形维数。研究 结果表明 不同煤样瓦斯吸附能力差异显著，煤体表面分形对气体吸附具有重要影响;随着煤化程度 的增加，分形维数呈现先减小后增大的 U 型曲线。 ［ 关键词］煤表面; 分形特征; 瓦斯吸附; 氮气吸附 ［ 中图分类号］ TD712［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201703- 0009- 04 Influence of Gas Absorption by Coal Body Surface Fractal WANG Jun CCTEG Shenyang Research Institute，Shenyang 110016，China Abstract It taking eight kinds different metamorphic degree coal sample as studying objects，some laboratory s as high pres- sure volumetric and low pressure nitrogen absorption were applied，coal surface fractal characters and absorption property of coal sample were analyzed，then fractal dimension of coal sample were obtained by FHH function. The results showed that gas absorp- tion ability of different coal sample were different obviously，gas absorption was influenced by coal surface fractal obviously，with coal rank increased，fractal dimension presented climb up and then decline as U- shaped relationship. Key words coal surface; fractal character; gas absorption; nitrogen absorption ［ 收稿日期］ 2016－12－07［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 03. 003 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金面上项目 51374216 ［作者简介］ 王军 1982－ ，男，山西和顺人，高级工程师，研究方向为矿井瓦斯涌出量预测、矿井瓦斯防治等。 ［引用格式］ 王军 . 煤体表面分形对瓦斯吸附影响 ［ J］ ． 煤矿开采，2017，22 3 9－11. 煤体结构复杂，其中存在着大量的孔隙、裂 隙，大到断层、层理等宏观裂隙，小到分子或原子 的微观缺陷，形成纵横交错的网络结构，从而能够 吸附瓦斯气体 ［1 ］。随着我国煤矿进入深部开采， 地应力、瓦斯压力和瓦斯含量不断增高，煤岩动力 灾害频次、强度和破坏程度均呈上升趋势 ［2－3 ］。煤 中瓦斯同时以吸附态和游离态存在，煤体瓦斯吸附 过程主要为物理吸附，影响其瓦斯吸附能力的因素 有很 多 温 度、水 分、变 质 程 度、孔 隙 结 构 等 ［4 ］，目前关于煤体表面分形对瓦斯吸附影响的 研究还不够充分，因此，研究煤的表面分形特征对 于完善瓦斯吸附机理具有重要指导意义。 目前，国内学者在孔隙结构表征和瓦斯吸附方 面开展了大量的研究工作。文献 ［ 5］ 研究发现， 有机碳含量是影响山西组页岩吸附能力的主要因 素; 文献 ［ 6］ 认为煤阶越高，煤体表面越粗糙， 孔隙结构更复杂，且大孔较小孔拥有更大的分形维 数; 文献 ［ 7］分析了构造煤孔隙结构分形特征与 瓦斯吸附之间的关系，发现糜棱煤微孔隙形态最为 复杂，比表面积最大，吸附能力最强;文献 ［ 8］ 从理论和实验角度分析了页岩储层的孔隙结构特 征，发现分形维数可以很好地描述孔隙结构的复杂 性，分形维数越大，气体吸附能力也就越强，且相 较于中孔和大孔，页岩表面分形维数受微孔的影响 更大; 文献 ［ 9］ 以中高阶煤储层为研究对象，基 于 SEM 图像分析了煤体的孔隙分布分形特征。 本文针对 8 个不同变质程度煤样，采用低压氮 气吸附实验研究了各煤样的表面分形特性，并结合 工业分析和瓦斯吸附实验结果，分析了煤表面分形 维数对瓦斯吸附的影响。研究结果可为煤矿瓦斯治 理、煤岩动力灾害防治等提供指导意义。 1实验部分 1. 1样品制备 实验采集不同矿区、各种煤阶的原煤煤样，煤 样以块状为主，采样方法遵循国标 GB/T482 － 2008，所有新鲜煤样采集好后立即装入采样袋内进 行密封并送至实验室。取样完成后，将煤样粉碎、 研磨和筛分，经真空干燥后储存备用。选取粒径为 0. 074～0. 200mm 各煤样约 10g 进行工业分析，结 果如表 1 所示。 1. 2实验方案 9 第 22 卷 第 3 期 总第 136 期 2017 年 6 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 3 Series No. 136 June2017 ChaoXing 表 1煤样工业分析实验结果 / 煤样编号矿井名称 MadAadVdafFCad JLS九里山0. 9313. 448. 4577. 18 DSC大淑村1. 5412. 0712. 9273. 47 XJ新景矿1. 696. 7813. 8877. 65 PM8平煤八矿1. 419. 8316. 3672. 30 SY水峪矿1. 089. 5720. 1169. 24 WZ吴庄矿1. 736. 6323. 4668. 18 ML马兰矿0. 577. 3125. 6766. 45 PM2平煤二矿1. 3215. 3730. 2953. 02 采用低压氮气吸附法对所选煤样进行氮气吸附 实验，所用物理吸附仪型号为美国康塔公司生产的 Autosorb－6B/3B。首先将煤样放入脱气站加热出去 杂质，该过程大约需 3h，然后将除杂后的煤样放 入分析站进行氮气吸附实验，吸附实验在 77K 的 低温下进行，相对压力在 0. 050 ～ 0. 995 之间，实 验遵照 ASTM 标准进行。 为分析不同煤样瓦斯吸附能力的差异，对所选 煤样进行瓦斯等温吸附实验，实验采用高压容积吸 附法，按照 MT/T752－1997 标准进行。实验系统包 括吸附单元、温度控制单元、真空单元、充气单元 以及数据采集与处理单元。每次实验需要约 100g ， 粒径为 60 ～ 80 目 0. 20 ～ 0. 25mm之间的煤样。 整个实验过程可简单概括为 首先将煤样放入真空 恒温干燥箱，在 373K 高温下烘干 5h，冷却至室温 后，将煤样放入样品罐中进行抽真空，整个过程温 度设定为 303K，大约需 8h。真空抽取完成后，按 照设定的压力向样品罐中充入甲烷气体 甲烷纯 度为 99. 99 ，根据 Langmuir 方程 如式 1 所示 ，对实验数据进行拟合，求得 VL和 PL。 V VLP P PL 1 式中，VL为 Langmuir 体积，代表煤样最大单分子 层吸附能力;PL为 Langmuir 压力，代表吸附量达 到 Langmuir 体积一半时对应的压力，反应煤样气 体吸附难易程度。 2实验结果与讨论 2. 1煤样表面分形特征 分形已经成为分析固体表面、孔结构特征的一 种强有力的工具，分形理论创立于 20 世纪 70 年 代，目前已发展出了多种不同的分形维数，如拓扑 维、Hausdorff 维、自相似维、关联维和信息维 等 ［10 ］。本文根据低压氮气吸附实验结果，采用 FHH 方法来计算煤体表面分形特征 ln V Vm A［ ln ln P0 P ］ C 2 式中，V 为在平衡压力 P 下的气体吸附量; Vm为单 分子层覆盖量;A 为拟合直线斜率，与分形相关; P0为气体饱和蒸汽压; C 为拟合得到的常数。 分形维数的计算通常有 2 种方法，即式 3 和 4 ，但对于煤和页岩而言，式 3的计算结 果更符合实际情况 ［6， 8 ］，因此本文采用式 3 来 计算分形维数。 D A 3 3 D 3A 3 4 本文以九里山煤样为例来说明煤样表面分形计 算过程 图 1 ，拟合度较高 R2＞0. 97 ，说明利 用 FHH 方程计算煤体表面分形是可信的。各煤样 的分形维数计算结果见图 2，可以看出，分维数的 变化范围为 2. 32 ～ 2. 82，根据样品分维值大小可 知，不同煤样因其变质程度不同，煤孔隙表面的粗 糙程度有所差异，进而导致分形维数不同。通过分 析变质程度 Vdaf和分形维数 D 的关系可以 看出，所选煤样变质程度对煤表面分形有显著影 响，D 随变质程度增加而呈现先逐渐减小后显著增 加的 U 型曲线 图 2 。所选煤样随着变质程度的 升高，煤大分子的缩聚作用加强，煤体表面的孔隙 裂隙减少，煤表面变得相对光滑; 随着煤化作用的 进一步加剧，由缩聚作用产生的内部应力也会急剧 增加，当应力超过煤体强度时，煤体内部开始出现 大量的微裂纹，从而使得孔隙结构变得日趋复杂。 图 1九里山煤样表面分形维数计算过程 图 2各煤样表面分形维数 2. 2瓦斯吸附特性 各煤样的瓦斯吸附实验结果如图3 所示， Lang- 01 总第 136 期煤矿开采2017 年第 3 期 ChaoXing muir 拟合参数见表 2。从图 3 和表 2 可以看出，实 验数据与 Langmuir 方程的拟合效果很好 R2＞ 0. 98 ，这说明 Langmuir 方程描述煤体瓦斯吸附是 合理、可信的。不同煤样的瓦斯吸附能力及吸附难 易程度具有显著差异性，8 种煤样的 VL值在41.85～ 23. 66mL/g 之间，PL值在 0. 61～1. 72MPa 之间。所 选煤样瓦斯吸附等温线在低压段 ＜2MPa增长 迅速，而在高压段 ＞2MPa增长缓慢。 图 3各煤样的瓦斯吸附等温线 表 2甲烷吸附实验拟合结果 煤样编号相关系数 R2VL/ mLg －1 PL/MPa JLS0. 980841. 850. 61 DSC0. 994936. 630. 69 XJ0. 996835. 760. 90 PM80. 999927. 610. 93 SY0. 996626. 881. 40 WZ0. 999023. 661. 72 ML0. 998624. 521. 64 PM20. 995727. 031. 51 2. 3分形维数对瓦斯吸附的影响 煤的表面分形对瓦斯吸附具有显著影响，根据 煤的吸附参数与分形维数关系 图 4 和 5可知， 随分形维数 D 增大，VL呈线性增加，而 PL逐渐减 小，这说明煤的分形维数越大，吸附能力越强。 图 4分形维数对 VL的影响 由于 PL代表了当吸附体积达到了最大吸附量 1/2 时的吸附压力，煤体在低压段的吸附能力会直 接影响 PL的大小，分形维数越大越利于低压段的 瓦斯吸附，即快速吸附瓦斯。分形维数是孔隙结构 不规则程度与复杂程度的综合反映，煤体分形维数 越大，其结构越复杂，表面越粗糙，提供的吸附位 点也就越多。 图 5分形维数对 PL的影响 3结论 1采用容积法测试了 8 种不同煤样的瓦斯 吸附能力，并利用 Langmuir 方程进行了拟合，各 煤样的瓦斯吸附能力差异显著。 2煤体表面具有明显的分形特征，运用 FHH 方程计算得到了各煤样表面分形维数;随变 质程度的增加，分形维数呈现先逐渐减小后显著增 大的 U 型曲线。 3分形维数是孔隙结构不规则程度与复杂 程度的综合反映，分形维数越大越利于低压段的瓦 斯吸附，即快速吸附瓦斯; 本文仅选取了 8 个样品 进行了实验，今后将选取更多煤阶的煤样进行相关 试验，使研究结果更具代表性。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 王恩元，何学秋 . 煤岩等多孔介质的分形结构 ［J］． 焦作工 学院学报，1996，15 4 20－24. ［ 2］ 黄致鹏，魏国营 . 全煤巷道顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度 研究 ［J］． 煤矿开采，2016，21 1 101－104. ［ 3］ 蒋雨辰，何涛，郭海军 . 煤层吸附解吸规律及局部突出预 测敏感指标研究 ［J］． 煤矿开采，2015，20 1 95－98. ［ 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 5 781－787. ［ 5］ 梁萍萍，王红岩，郭伟，等 . 鄂尔多斯盆地山西组泥页岩 储层特征及对吸附性能的影响 ［J］． 煤炭技术，2016，35 1 123－125. ［ 6］ Wang F，Cheng Y P，Lu S Q，et al. Influence of coalification on the pore characteristics of middle high rank coal ［J］． Energy Fu- els，2014 28 5729－5736. ［ 7］ 邹艳，秦修培 . 构造煤孔隙结构的分形特征及其与吸附性 的关系 ［J］． 煤炭技术，2016，35 6 93－95. ［ 8］ Yang F，Ning Z F，Liu H Q. Fractal characteristics of shales from a shale gas reservoir in the Sichuan Basin，China ［J］． Fuel， 2014 115 378－384. ［ 9］ 杨博 . 中高阶煤储层分形特征对瓦斯吸附的影响研究 ［J］． 煤炭工程，2016，48 4 96－99. ［ 10］ 谢和平 . 分形－岩石力学导论 ［M］． 北京科学出版社， 1997.［责任编辑 王兴库］ 11 王军 煤体表面分形对瓦斯吸附影响2017 年第 3 期 ChaoXing