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贫煤孔隙特征及其对瓦斯解吸的影响 王军 煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016 ［ 摘 要］为了研究贫煤孔结构特征对瓦斯解吸规律的影响，采用低温液氮吸附法针对 5 个贫 煤煤样的纳米级 ＜100nm孔隙结构进行了分析。同时根据瓦斯解吸实验，将实验结果与煤的孔隙 结构特征相结合，分析纳米级孔隙结构对煤体瓦斯解吸的影响。结果表明 贫煤的小孔 10～100nm 和微孔 ＜10nm发育，微孔主要占据了孔隙的比表面积，决定瓦斯解吸特性，在相同平衡压力条件 下，瓦斯解吸量随比表面积的增加而增加，呈现出较好的线性关系; 孔比表面积是影响解吸量的主要 因素，而孔容与瓦斯解吸量的关系不明显。研究结果对煤矿瓦斯涌出量预测具有重要意义。 ［ 关键词］贫煤; 孔隙特征; 瓦斯解吸; 低温液氮吸附; 比表面积; 孔容 ［ 中图分类号］ TD712［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201605- 0092- 03 Porosity Characters of Lean Coal and It’ s Influence for Methane Desorption WANG Jun CCTEG Shenyang Research Institute，Shenyang 110016，China Abstract In order to study the influence that porosity character of lean coal to methane desorption law，then nanoscale ＜100 nm porosity structure of five lean coal sample were analyzed by low temperature liquid nitrogen adsorption. According methane desorption experiment at the same time，the influence that nanoscale porosity structure to coal methane desorption was analyzed based experimen- tal results and coal porosity characters. The results showed that the samll pore 10～100nm and micro pore ＜10nm developed in lean coal，micro pores principal occupied specific surface area of porosity，and methane desorption was decided by it. Under the same balance pressure situation，methane desorption amount increases with specific surface area increases，present a preferable linear rela- tion. Porosity specific surface area is the main factor that influenced desorption，but the relation between pore volume and methane de- sorption was unconspicuous. The results could referenced for coal mine methane emission quantity. Key words lean coal; porosity character;methane desorption;low temperature liquid nitrogen adsorption;specific surface area; pore volume ［ 收稿日期］ 2016－03－28［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2016. 05. 026 ［ 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，在读硕士，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 . 贫煤孔隙特征及其对瓦斯解吸的影响 ［J］． 煤矿开采，2016，21 5 92－94. 煤是一种多孔有机介质，具有高度发达的孔隙 结构 ［1－2 ］。煤的孔隙结构特征 如孔隙率、孔径大 小、比表面积等直接影响煤体瓦斯在煤层中的 流动性及渗透性，从而影响着煤层气的吸附与运 移。张小东等人的研究也表明，煤体瓦斯吸附性能 与煤的成分和孔结构紧密相关，且采用溶剂萃取法 可以很好地改变煤的孔隙结构和吸附性能 ［3－5 ］。文 献 ［ 6］ 通过孔隙率和瓦斯压力的测定，计算出了 煤层中的游离瓦斯含量。文献 ［ 7］ 以干煤样为研 究对象，在 20MPa 高压下进行甲烷、二氧化碳、 氮气吸附实验，结果表明，煤体内部有大量的孔隙 与煤体表面不连通，这类闭孔阻碍瓦斯的吸附和解 吸。文献 ［ 8］ 研究了不同变质程度煤的孔径分布 及其对吸附常数的影响。煤的孔隙特性与煤的变质 程度、地应力、破坏类型等因素有关。目前研究煤 的孔隙结构特征的常用方法是低温液氮吸附法 ［9 ］、 压汞法 ［10 ］、CT 扫描及 SEM。本文采用低温液氮吸 附法实验测定煤的孔隙结构特征，同时根据瓦斯解 吸实验，将实验结果与煤的纳米级孔隙结构相结 合，对煤体瓦斯解吸规律进行分析和研究。研究结 果对煤与瓦斯突出防治和煤层气资源的开发均具有 十分重要的意义 ［11－14 ］。 1实验煤样 本次实验用煤样共 5 种，分别取自润宏矿 3 号 煤层、常村矿 3 号煤层、东曲矿 9 号煤层、官地矿 3 号煤层及沁水煤田凤凰山矿 9 号煤层。将这些煤 样均制备成 60～80 目实验用煤，其煤质分析结果 见表 1。 29 第 21 卷 第 5 期 总第 132 期 2016 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 5 Series No. 132 October2016 ChaoXing 表 1实验煤样煤质分析结果 煤样编号矿井名称水分含量 干基挥发分 干基灰分 固定碳 1润宏2. 0212. 5116. 9773. 62 2常村0. 7314. 676. 1878. 58 3东曲0. 4616. 457. 9075. 31 4官地0. 8213. 3111. 0575. 48 5凤凰山0. 9214. 557. 2777. 61 2实验 2. 1低温氮气吸附实验 实验采用美国 Quantachrome 公司生产的 AU- TOSORB－6B/3B 型全自动化学/物理吸附仪，对所 选煤样进行液氮吸附实验。煤样粒径为 0. 20 ～ 0. 25mm，实验按照 SY/T6154－1995 标准进行。液 氮吸附实验在 77 K 温度下进行，相对压力为 0. 050～0. 995。 2. 2瓦斯解吸实验 实验系统主要由真空单元、充气单元、温度控 制单元、数据采集与处理单元、吸附解吸单元以及 气体收集单元共 6 个单元组成，实验系统结构图见 文献 ［ 15］ 。首先将煤样 约 100g放置真空干燥 箱中，在 378K 高温下烘干 2h，冷却至室温后放入 煤样罐中进行解吸实验。实验温度设定为 298K， 将实验系统连续抽真空 8h，再充入甲烷气体，不 同煤样的瓦斯吸附时间控制在 12h 左右，达到吸附 平衡压力后，开始瓦斯解吸，解吸时间不低于 10h，直至瓦斯累计解吸量基本不再随时间而变化 1h 内的解吸量小于 0. 01mL/g ，认为该组解吸实 验结束。 3实验结果与讨论 3. 1低温氮气吸附结果 煤样的液氮吸附实验结果如表 2 所示。 表 2煤样孔结构参数 煤样 编号 N2吸附量/ 10 －6 m3 g －1 比表面积/ m2g －1 微孔 小孔 纳米级孔 孔容/10 －7 m3g －1 微孔 小孔 纳米级孔 11. 341. 66 0. 151. 810. 79 19. 9220. 71 21. 080. 52 0. 060. 580. 62 17. 0517. 67 33. 961. 93 0. 332. 265. 31 56. 0261. 33 41. 150. 68 0. 110. 790. 61 16. 2816. 89 51. 580. 50 0. 120. 620. 38 24. 1724. 55 从表中可以看出，各贫煤煤样的纳米级孔容、 孔隙比表面积均变化较大。其中纳米级孔容的变化 范围为 16. 8910 －7 ～61. 3310 －7 m3/g，孔隙比表面 积范围为 0. 58～2. 26m2/g，3 号煤样的纳米级孔容 及孔隙比表面积均最大。各煤样的比表面积和孔容 占比情况见表 3，由表 3 可知，微孔孔容占比均小 于 9，而微孔比表面积占比基本大于 80，这说 明在贫煤的各类孔隙中，微孔主要占据了纳米级比 表面积，而小孔则主要占据孔容。众所周知，瓦斯 吸附解吸主要发生在孔隙表面上，因此微孔可能对 煤体瓦斯吸附解吸特性有重要影响。 表 3比表面积和孔容占比情况 煤样 编号 比表面积比/ 微孔小孔 孔容比/ 微孔小孔 191. 948. 063. 8396. 17 289. 6410. 363. 5296. 48 385. 3214. 688. 7091. 30 486. 6613. 343. 6296. 38 579. 8920. 111. 5498. 46 3. 2瓦斯解吸实验结果 不同吸附压力下的瓦斯解吸实验结果见图 1。 由图 1 可以看出，不同煤样的瓦斯解吸特性差异显 著。在各平衡压力下，煤样瓦斯解吸量大小依次 为 3 号＞1 号＞4 号＞5 号＞2 号。这种差异可能与 各煤样的孔隙结构有关。此外，从图 1 还可以看 出，压力对煤体瓦斯解吸特性也具有显著影响。相 同条件下，平衡压力越大，解吸量越大。 图 1各煤样不同吸附压力下的解吸曲线 3. 3孔隙结构对瓦斯解吸的影响 图 2 为煤样纳米级孔结构参数与瓦斯解吸的关 系。由图 2 可知，在各平衡压力下，煤体瓦斯解吸 量随纳米级比表面积的增加而呈线性增加，相关系 39 王军 贫煤孔隙特征及其对瓦斯解吸的影响2016 年第 5 期 ChaoXing 数 R2均在 0. 90 以上，呈现较好的线性关系; 当平 衡压力分别为 0. 5MPa，1. 0MPa 和 1. 5MPa 时，对 应的拟合直线的斜率分别为 4. 0371，3. 1511 和 2. 3711 图 2 a ，这说明当平衡压力升高时， 解吸量随比表面积线性递增的趋势减缓。而孔容与 解吸量之间的关系不明显，如图 2 b所示。这 说明，在纳米级孔隙比表面积和孔容这两个因素 中，孔隙比表面积是影响解吸量的主要因素。孔隙 比表面越大，吸附位点越多，吸附能力也就越强， 解吸出来的瓦斯也就越多。 图 2孔结构参数对瓦斯解吸的影响 4结论 1对不同吸附压力下的 5 种贫煤煤样瓦斯 解吸特性进行了测试，实验得出不同煤样的瓦斯解 吸能力差异显著，在各平衡压力下，煤样瓦斯解吸 量大小依次为 3 号＞1 号＞4 号＞5 号＞2 号。这种 差异可能与各煤样的孔隙结构有关。 2低温液氮吸附实验表明，在贫煤的各类 孔隙中，微孔主要占据了纳米级比表面积，而小孔 则主要占据孔容。 3分析了纳米级孔结构参数对瓦斯解吸特 性的影响，得出纳米级孔隙比表面积是影响解吸量 的主要因素。孔隙比表面越大，吸附位点越多，吸 附能力也就越强，解吸出来的瓦斯也就越多。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 姜黎明，张浪，汪东，等 . 加压速率对不同变质程度煤 吸附性能的影响研究 ［J］ ． 煤矿开采，2015，20 1 17－ 19. ［ 2］ 傅雪海，秦勇，薛秀谦，等 . 煤储层孔、裂隙系统分形研 究 ［ J］ ． 中国矿业大学学报，2001，30 3 225－228. ［ 3］ 张小东，张鹏 . 不同煤级煤分级萃取后的 XRD 结构特征及 其演化机理 ［J］． 煤炭学报，2014，39 5 941－946. ［ 4］ Dutta P. ，Bhowmik S. ，S. 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