水分影响下的烟煤瓦斯吸附特性_秦兴林.pdf

青青年年论论坛坛 水分影响下的烟煤瓦斯吸附特性 秦兴林 煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016 ［ 摘 要］为研究烟煤在受水作用后的瓦斯吸附特性，以山西潞安王庄煤矿为研究对象，针对 2 种不同变质程度的烟煤，测试了不同水分含量下的瓦斯吸附量，并结合压汞法分析了煤样的微观孔 隙结构特征，从微观角度分析了水分含量对煤体瓦斯吸附的影响机理。研究结果表明 干燥状态下的 煤体瓦斯吸附量最大; 水分含量对煤体瓦斯吸附特性有重要影响，受水作用后，WZ3 煤样瓦斯吸附量 呈现先快后慢的非线性衰减，而 WZ15 煤样则为较好的线性变化;在不同的孔径段范围内，WZ15 煤 样的孔容、孔比表面积均明显大于 WZ3 煤样，说明 WZ15 煤样的孔隙结构较 WZ3 更为发育，因此 WZ15 煤样较 WZ3 煤样在不同水分含量阶段均呈现出更好的吸附性。 ［ 关键词］水分; 烟煤; 瓦斯吸附; 孔隙结构; 机理 ［ 中图分类号］ TD712［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201801- 0104- 04 Gas Adsorption Property of Bituminous Coal under Water Influence QIN Xing- lin Shenyang Research Institute，China Coal Technology ＆ Engineering Group，Shenyang 110016，China Abstract In order to study gas absorption under water influence of bituminous coal，it taking Shan’ xi Lu’ an Wangzhuang coal mine as studying object，to two different metamorphism degree of bituminous coal，gas absorption under different water content were tested， and micro pore structure of coal sample was analyzed by mercury intrusion ，the influence mechanism that water content to coal gas absorption was analyzed from micro perspective，the results showed that coal gas absorption was the largest under dry state，water content has an important influence to gas absorption，under water influence，WZ3 coal sample presented as nonlinear attenuation first- ly faster later slowly，but coal sample WZ15 presented as linear variation，under different hole diameter scope，the pore volume and pore specific surface area of coal sample WZ15 all larger than coal sample WZ3，it illustrated that pore structure more developed of coal sample WZ15 than WZ3，so the coal sample WZ15 presented better absorption under different water content stage than coal sam- ple WZ3. Key words water; bituminous coal; gas absorption; pore structure; mechanism ［收稿日期］ 2017－12－29［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 01. 026 ［基金项目］ 国家自然科学基金面上项目 51374216 ［作者简介］ 秦兴林 1989－ ，男，江苏南通人，工程师，从事煤矿安全方面的研究工作。 ［ 引用格式］ 秦兴林 . 水分影响下的烟煤瓦斯吸附特性 ［ J］． 煤矿开采，2018，23 1 104－107. 瓦斯是在成煤过程中伴随产生的，大量瓦斯以 游离态和吸附态储存在煤的孔隙、裂隙中，且以吸 附态为主 ［1－3 ］。煤矿瓦斯的有效抽采，一方面不仅 可以减少瓦斯事故发生率，另一方面瓦斯作为高效 洁净能源可以加以利用。当前，低透煤层在我国广 泛分布，由于煤层透气性差，不利于瓦斯运移，从 而影响瓦斯抽放效果 ［4－5 ］。为解决这一问题，需要 增强煤层的透气性。目前煤层增透技术的方法主要 有 高压水射流扩孔增透、水力压裂增透、水力割 缝、深孔预裂爆破等 ［6－7 ］，其中，水力化措施应用 最为普遍 ［8－9 ］。这些水力化工艺的实施均涉及到水 分和煤体表面之间的相互作用。煤中水分的存在一 方面会抑制瓦斯吸附，另一方面也会在一定程度上 促进瓦斯解吸。 基于此，国内外学者开展了相应的研究， Crosdale 等 ［10 ］针对新西兰次烟煤开展了不同水分含 量和不同温度条件下的瓦斯吸附特性实验，证实煤 中的水分含量对瓦斯吸附具有重要影响，煤体瓦斯 吸附量随水分含量的升高而呈非线性衰减; Joubert 等 ［11 ］以美国烟煤为研究对象，将实验室实验与现 场测试相结合，对比分析了干燥煤样和饱和水煤样 的瓦斯吸附特性，发现煤中水分会显著降低瓦斯吸 附量，且含氧量高的煤样受水分的影响大于含氧量 低的煤样;Nie 等［12 ］针对 4 种不同变质程度的煤 样，开展了 6 种水分含量条件下的瓦斯吸附实验， 并通过 D－A 方程对吸附数据进行了拟合，发现低 阶煤瓦斯吸附受水分的影响大于高阶煤;张蓓［13 ］ 基于煤体双重孔隙－裂隙介质结构模型，针对含水 401 第 23 卷 第 1 期 总第 140 期 2018 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 1 Series No. 140 February2018 ChaoXing 煤层瓦斯抽放进行了气－固－液耦合数值模拟，并 分析了水分、应力、煤层硬度等因素影响下的瓦斯 抽放效果; 赵东等 ［14 ］采用自主研制的瓦斯吸附－注 水实验系统进行了实验，认为不同变质程度煤样受 水作用后，瓦斯吸附特性呈现不同的变化规律; 金 智新等 ［15 ］建立了干煤和湿煤的结构模型，并模拟 了 CO2，O2，N2等气体在不同含水率的湿煤中的吸 附行为，认为水分子会占据大量空间，与气体展开 吸附竞争，从而降低煤体气体吸附性能。 本文针对 2 种不同变质程度的烟煤煤样，进行 不同水分条件下的瓦斯吸附实验，并结合煤样的孔 隙结构特征，从微观角度揭示水分对煤体瓦斯吸附 特性的影响机理，从而为煤矿瓦斯防治提供参 考 ［16－18 ］。 1实验过程 1. 1样品制备 本文以山西沁水煤田王庄煤矿为研究背景，煤 田成煤期为二迭系下统山西组 P1S和石炭系上 统太原组 C3t 。山西组含煤地层的厚度为 64. 4 ～100. 8m，平均厚度为 82. 5m，含煤 1 ～ 4 层，其 中 3 号、4 号煤层为全区稳定可采煤层，其余各煤 层均为不可采煤层。太原组含煤地层的厚度为 96. 0～121. 8m，平均厚度达 111. 9m，其中 15 号煤 层为可采煤层。本文所用煤样采自 3 号和 15 号煤 层，分别命名为 WZ3 和 WZ15。对所选煤样进行研 磨 和 筛 分，选 取 粒 径 为 60 ～ 80 目 0. 20 ～ 0. 25mm约 10g 的煤样按照国标 GB/T 212－2008 进行工业分析，煤样镜质组反射率的测定按照国标 GB/T 6948－1998 进行，煤样的基本参数见表 1。 表 1煤样工业分析参数 煤样 编号 Ro / 水分 / 灰分 / 挥发 分/ 固定 碳/ 煤级煤种 WZ31. 511. 8116. 85 WZ151. 861. 0713. 93 20. 44 60. 90 11. 6873. 32 中变质烟煤 焦煤 高变质烟煤 贫煤 从表 1 可以看出，WZ3、WZ15 煤样分别为焦 煤和贫煤。将煤真空干燥 温度 100℃ ，每 1h 称 重1 次，直至相邻两次煤的重量变化不超过0. 1， 即可认为煤中的水分含量为 0，即干燥煤样。不同 水分含量煤样的制备方法参考国标 GB/T 19560－ 2004，通过控制吸附时长来获得不同水分含量煤 样。 1. 2实验测试 采用高压容量法对不同水分含量煤样进行瓦斯 等温吸附实验，遵循国标 GB/T19560－2004 煤的 高压等温吸附试验方法 ，所使用的仪器为美国 TerraTek 公司生产的 ISO－300 型等温吸附仪，设置 的实验压力范围为 0 ～ 5 MPa，实验温度为 30℃。 采用压汞法测试不同软硬煤的孔隙结构，所用仪器 为美国康塔公司生产的 PoreMaster－60 型全自动压 汞仪。利用仪器自带的软件即可得到煤样的孔容、 孔比表面积等结构参数。 2实验结果及分析 2. 1不同水分含量煤样吸附特性 图 1 为不同水分含量条件的煤样瓦斯吸附等温 线。在一定温度和压力条件下，由于煤体瓦斯吸附 过程遵循 Langmuir 单分子层吸附理论，因此，可 用 Langmuir 方程来描述，即 V VLP P PL 1 式中，P 为瓦斯吸附压力，MPa; PL为 Langmuir 压 力，MPa; V 为瓦斯吸附体积，cm3/g;VL为 Lang- muir 体积，cm3/g。 图 1不同水分含量煤样瓦斯吸附曲线 通过 Langmuir 方程拟合得到了瓦斯吸附参数 VL和 PL，如表 2 所示。结合图 1 和表 2 可以看出， 拟合系数 R2均在 0. 99 以上。不同水分含量的煤样 瓦斯吸附量差异较大，WZ3 煤样的 VL在 5. 38 ～ 28. 47cm3/g 范围内变化，WZ15 煤样的 VL的变化 范围则为 10. 06～33. 76cm3/g。所有煤样均在干燥 501 秦兴林 水分影响下的烟煤瓦斯吸附特性2018 年第 1 期 ChaoXing 状态时的瓦斯吸附量最大。具体来看，对于 WZ3 煤样，水分含量为 0、0. 62和 1. 07这 3 种条 件下的瓦斯吸附量相差最大，最大值是最小值的 5 倍; 之后所有的水分含量之间，煤体瓦斯吸附量相 差不大，尤其是水分含量为 2. 79和 4. 23的瓦 斯吸附曲线几乎重合。对于 WZ15 煤样，瓦斯吸附 量随水分含量的增加则变化较均匀，干燥状态下的 瓦斯吸附量是水分含量 4. 02的 3 倍。 表 2不同水分含量煤样瓦斯吸附参数 煤样编号 水分含量/ VL/ cm3g －1 PL/ MPa R2 WZ3 028. 470. 7199. 86 0. 6216. 930. 8599. 54 1. 079. 721. 2499. 27 2. 057. 551. 0699. 35 2. 795. 811. 3799. 20 4. 235. 381. 1299. 43 WZ15 033. 760. 6999. 92 0. 7630. 631. 0299. 73 1. 8123. 440. 9499. 98 2. 3519. 891. 1599. 52 3. 5413. 250. 8899. 36 4. 0210. 061. 2799. 07 2. 2煤样孔隙结构特征 依据霍多特的十进制孔隙分类方法可将孔隙分 为 微孔 ＜10nm 、过渡孔 10～100nm 、中孔 100～1000nm和大孔 ＞1000nm 。这 2 种煤样 的孔隙结构参数如表 3 所示，从表中可以看出，孔 径小于 10nm 的微孔以及 10～100nm 的过渡孔占据 了绝大部分的孔比表面积和孔容，这和普遍认为的 高阶煤孔隙以微孔和小孔为主的观点相符。对比这 两种煤样可以发现，该两种煤样的孔结构差异较 大。在不同的孔径段范围内，WZ15 煤样的孔容、 孔比表面积均明显大于 WZ3 煤样，这说明 WZ15 煤样的孔隙较 WZ3 更为发育，且孔隙联通性也要 优于 WZ3 煤样。 表 3煤样的孔隙结构参数 孔类型 WZ3 孔容/ cm3g －1 比表面积/ m2g －1 WZ15 孔容/ cm3g －1 比表面积/ m2g －1 微孔0. 00422. 05910. 00854. 3736 过渡孔0. 00501. 00840. 01071. 7034 中孔0. 00260. 24290. 00210. 3592 大孔0. 00930. 01170. 00860. 0943 总计0. 02113. 32210. 02996. 5305 2. 3水分对煤体瓦斯吸附特性的影响机理 图 2 为水分含量和煤体瓦斯吸附量之间的关系 图。从图 2 可知，随煤中水分含量的逐渐增加， WZ3 煤样瓦斯吸附量呈现先快速降低，至 1. 07 的水分含量之后再缓慢减小，当煤中水分含量升高 至 2. 79时，煤体瓦斯吸附量基本不再变化。整 个变化过程呈现出先急剧降低再小幅下降至基本不 变的非线性衰减。对于 WZ15 煤样，煤体瓦斯吸附 量随水分含量的增加而变化比较均衡，呈现出较好 的线性衰减关系。笔者根据这种看似线性变化关 系，对图 1 b中 WZ15 煤样的吸附数据进行线 性回归分析，分析结果如图 2 所示，得到 VL－5. 8932M34. 2804 2 式中，M 为煤中水分含量， 。相关系 数 R2 0. 9893，线性拟合效果较好。 图 2水分含量对煤体瓦斯吸附的影响 煤的变质程度和水分含量均是影响煤体瓦斯吸 附的重要因素，在本文中，两煤样受水分作用后表 现出了不同的吸附特性。结合煤体孔隙结构来看， WZ3 煤样的孔容总计为 0. 0211cm3/g，WZ15 煤样 为 0. 0299cm3g －1 ，二者的累计孔容比较接近; 但 WZ15 煤样的累计孔比表面积 6. 5305m2/g为 WZ3 煤样 3. 3221m2/g的 2 倍，特别地，WZ15 煤样的微孔孔容和微孔比表面积均明显高于 WZ3 煤样，由于煤体吸附能力主要由小于 10nm 的微孔 所决定，因此 WZ15 煤样较 WZ3 煤样在不同水分 含量阶段均呈现出更好的吸附性。 3结论 本文针对 2 种不同变质程度的烟煤煤样，开展 了不同水分含量条件下的瓦斯吸附实验，并测试了 煤样的微观孔隙结构特征，得到的主要结论如下 1吸附实验表明，不同水分含量的煤样瓦 斯吸附量差异较大，WZ3 煤样的 VL在 5. 38 ～ 28. 47cm3/g 范围内变化，WZ15 煤样的 VL的变化 范围则为 10. 06～33. 76cm3/g。两煤样均在干燥状 态下的瓦斯吸附量最大。 2压汞实验表明，在不同的孔径段范围内， WZ15 煤样的孔容、孔比表面积尤其是微孔、过渡 孔的孔隙和孔比表面积均明显大于 WZ3 煤样，说 601 总第 140 期煤矿开采2018 年第 1 期 ChaoXing 明 WZ15 煤样的孔隙结构较 WZ3 更为发育，且孔 隙联通性也要优于 WZ3 煤样。 3受水作用后，WZ3 煤样瓦斯吸附量呈现 出先快后慢的非线性衰减; 而 WZ15 煤样则表现为 直线下降。对于不同孔隙结构的煤样，在水分的作 用下，其瓦斯吸附特性也呈现出不同的变化规律。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 周世宁 . 瓦斯在煤层中流动的机理 ［J］ ． 煤炭学报，1990，15 1 15－24. ［ 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. ［ 3］ 马向攀，王兆丰，任浩洋 . 基于吸附势理论的低温环境煤甲烷 吸附等温线预测 ［ J］ ． 煤矿安全，2017，48 5 22－25. ［ 4］ 赵阳升，杨栋，胡耀青，等 . 低渗透煤储层煤层气开采有效 技术途径的研究 ［ J］ ． 煤炭学报，2001，26 5 455－458. ［ 5］ 路艳军，杨兆中，Shelepov V. 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