平頂山十二礦變形煤瓦斯吸附-解吸特征研究

楊曉娜，宋志敏,，張子戌，郎偉偉

(1.河南工程學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000)

變形煤又稱(chēng)構(gòu)造煤，是發(fā)生煤與瓦斯突出的重要和必要條件[1-3].平煤十二礦受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，使變形煤發(fā)育，瓦斯賦存分布和涌出復(fù)雜.進(jìn)行礦井內(nèi)變形煤瓦斯吸附-解吸規(guī)律的研究，對(duì)該礦區(qū)的瓦斯災(zāi)害防治、礦井的安全生產(chǎn)和煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 礦井概況

十二礦位于平頂山礦區(qū)東郊，井田走向長(zhǎng)5 km，傾斜長(zhǎng)3 km，井田面積15 km2，礦井開(kāi)采上限標(biāo)高為-75 m，下限標(biāo)高為-835 m，年生產(chǎn)能力150萬(wàn)t[4-5].該礦含煤10層，主要可采煤層為己15、己15-17、己16-17、庚20(未開(kāi)采).井田位于大型向斜李口集向斜西南翼鍋底山斷層的上升盤(pán)，地層走向北西，總體傾向北東，存在兩個(gè)次級(jí)褶皺和三條大中型斷層，受褶皺和斷裂構(gòu)造的影響，井田內(nèi)變形煤普遍發(fā)育.變形煤橫向上成層分布，剖面上明顯呈三層結(jié)構(gòu)，厚度為0.5～1.2 m，局部地段受斜切斷層的影響,己組煤層中均可見(jiàn)到順層滑動(dòng)的鏡面,使原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤分界清晰,在滑動(dòng)面下常發(fā)育碎粒煤和糜棱煤，滑動(dòng)面上發(fā)育原生結(jié)構(gòu)煤或原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品采集

本次實(shí)驗(yàn)所采用煤樣為平煤十二礦的己組肥煤.根據(jù)研究區(qū)煤層的結(jié)構(gòu)特征，在回采工作面新鮮煤面相鄰或相近位置采取可對(duì)比的原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4種煤樣，煤體結(jié)構(gòu)宏觀類(lèi)型觀測(cè)結(jié)果和煤質(zhì)分析結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2.

2.2 等溫吸附-解吸實(shí)驗(yàn)

對(duì)所采集的4種煤樣分別進(jìn)行30 ℃和50 ℃平衡水分條件下的等溫吸附-解吸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用吸附質(zhì)為純度達(dá)99.99%的甲烷氣體，吸附-解吸過(guò)程中設(shè)置6個(gè)平衡吸附壓力點(diǎn)和9個(gè)解吸壓力點(diǎn)，每個(gè)壓力點(diǎn)的平衡時(shí)間為12 h.等溫吸附實(shí)驗(yàn)設(shè)備為河南理工大學(xué)生物遺跡與成礦過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的等溫吸附解吸儀(美國(guó)Terra Tek公司生產(chǎn)的IS-300型).

表1 煤體結(jié)構(gòu)宏觀鑒定表Tab.1 Macroscopic identification of coal block texture

表2 煤樣的煤質(zhì)分析Tab.2 The coal quality analysis data of coal samples %

2.2.1 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Langmuir方程擬合出的吸附常數(shù)如表3所示，其中VL是衡量煤巖吸附能力的量度，反映了煤的最大吸附能力，PL是解吸速度常數(shù)與吸附速度常數(shù)的比值，反映了瓦斯解吸的難易程度，其值越高，煤層中吸附態(tài)氣體脫附就越容易，開(kāi)發(fā)越有利.

表3 煤體吸附參數(shù)Tab.3 The adsorption data of different coal samples

在30 ℃和50 ℃溫度下，VL的變化趨勢(shì)如表3和圖1所示.由圖1可知，(1)隨著溫度的升高，VL呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明溫度對(duì)VL的影響大；(2)隨煤破壞程度的增加，VL具有先變小、后增大、再變小的趨勢(shì)，呈波浪狀，溫度越高，表現(xiàn)越明顯.原生結(jié)構(gòu)煤的最大吸附量大于變形煤的最大吸附量，著溫度的升高，變形煤的VL并不隨煤體的破壞程度呈規(guī)律性增加或減少，而是呈波浪趨勢(shì).

結(jié)果表明，煤體在構(gòu)造應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生大量張裂隙和剪裂隙，造成煤體的切割破壞，也可能在較高構(gòu)造應(yīng)力或長(zhǎng)期的高溫、高壓環(huán)境下發(fā)生強(qiáng)烈的變形或流變，使其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響對(duì)瓦斯的吸附量.

圖1 VL與煤體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)圖Fig.1 The corresponding diagram of VLand coal structure

2.2.2 吸附-解吸等溫線分析

30 ℃和50 ℃條件下的平衡水煤樣吸附-解吸如圖2所示.

圖2 不同煤體結(jié)構(gòu)的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherm of different coal structure

(1)煤體結(jié)構(gòu)的影響

由圖2可知，原生結(jié)構(gòu)煤對(duì)瓦斯的吸附能力最強(qiáng)，其次是碎裂煤和碎粒煤，糜棱煤的吸附能力最弱.實(shí)驗(yàn)表明，在變形煤中，煤體的破壞程度越嚴(yán)重，對(duì)瓦斯的吸附能力越弱，這與前人對(duì)變形煤的吸附-解吸研究結(jié)果相同[6].隨著構(gòu)造應(yīng)力的增強(qiáng)，煤中大分子結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，改變了CH4氣體的吸附-解吸特性.糜棱煤主要發(fā)育在構(gòu)造變動(dòng)較強(qiáng)烈的地區(qū)和煤層中，原生結(jié)構(gòu)及孔隙系統(tǒng)在構(gòu)造應(yīng)力的作用下遭受了嚴(yán)重的破壞，裂隙方向雜亂，連通性差，對(duì)CH4的吸附能力最弱.由于變形煤的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造存在著顯著差異，導(dǎo)致了煤儲(chǔ)層對(duì)煤層瓦斯吸附能力的不同.

(2)溫度的影響

一般來(lái)說(shuō)，溫度總是對(duì)脫附起活化作用，溫度越高，煤對(duì)CH4的吸附能力越弱；溫度越低，對(duì)CH4的吸附能力越強(qiáng)[7-8].王鵬剛[9]在研究溫度對(duì)吸附能力的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)吸附-解吸作用的影響較為復(fù)雜，在15～25 ℃時(shí)，同壓力下，隨著溫度的升高，煤對(duì)CH4的吸附能力降低；在25～40 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，吸附能力要么增強(qiáng)，要么先增強(qiáng)后減弱.

本次變形煤吸附-解吸結(jié)果如圖3所示，隨著溫度的升高，變形煤的吸附量增大.同一煤樣，50 ℃時(shí)的吸附量明顯大于30 ℃時(shí)，見(jiàn)表4.

圖3 不同溫度下等溫吸附-解吸曲線Fig.3 Adsorption-desorption isotherm in different temperatures

表4 不同煤體的吸附量變化情況Tab.4 The adsorption capacity change of different coal samples cm3·g-1

(3)水分的影響

圖4 30 ℃和50 ℃時(shí)平衡水含量與煤體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)圖Fig.4 The corresponding diagram of equilibrium water content and coal structure under 30 ℃ and 50 ℃

水分的存在影響著煤層瓦斯的吸附.水為極性分子，與煤的結(jié)合比CH4緊密，在吸附過(guò)程中CH4被煤層優(yōu)先吸附，導(dǎo)致煤吸附瓦斯能力的降低.因此，煤對(duì)瓦斯的吸附能力隨水分的增加而降低，直至達(dá)到臨界水分含量.煤體結(jié)構(gòu)不同，平衡水分含量不同，對(duì)瓦斯的吸附能力也不同，如圖4 所示.在30 ℃時(shí)，煤的平衡水分含量隨著煤體破壞程度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)；在50 ℃時(shí)，煤的平衡水分含量隨著煤的破壞程度的增加，煤的平衡水分含量有增大的趨勢(shì).

此次研究結(jié)果表明，隨著溫度的升高，煤對(duì)瓦斯的吸附能力降低；隨著水分含量的增高，煤對(duì)瓦斯的吸附量降低.在溫度和水分的共同作用下，水分對(duì)煤層瓦斯吸附能力的影響要大于溫度.因此，在30 ℃條件下，平衡水煤樣的吸附量小于50 ℃水分含量條件下平衡水煤樣的吸附量.

(4)壓力的影響

壓力是影響煤的吸附-解吸能力的重要因素，當(dāng)溫度一定時(shí)，煤對(duì)CH4的吸附能力隨壓力的升高而增大，且吸附速度與壓力成正比[10-11].因此，在未達(dá)到最大吸附量之前，增大壓力，吸附速度大于解吸速度，表現(xiàn)為吸附量增加，直至壓力升到一定值時(shí)，煤的吸附量達(dá)到飽和.在本次實(shí)驗(yàn)中，隨著壓力的增加，煤的吸附量增大，在相同的溫度和壓力條件下，原生結(jié)構(gòu)煤的吸附量最大，煤體破壞越嚴(yán)重，吸附量越小.

(5)吸附-解吸的可逆性

前人對(duì)吸附-解吸的可逆性研究存在以下幾種說(shuō)法：①吸附-解吸可逆，且解吸滯后[12]；②吸附-解吸不可逆[13]；③低煤階煤表現(xiàn)出瓦斯吸附-解吸的非可逆性，而中高階煤表現(xiàn)出吸附-解吸的可逆性[14]；④變形煤的吸附-解吸不同于原生結(jié)構(gòu)煤，是不可逆的，構(gòu)造變形強(qiáng)度不同，吸附-解吸等溫線形態(tài)不同，解吸滯后.

在本次實(shí)驗(yàn)中，30 ℃時(shí)煤樣的吸附-解吸等溫曲線接近重合，吸附-解吸可逆；50 ℃時(shí)煤樣的吸附-解吸等溫曲線一致性相對(duì)較差，吸附-解吸不可逆，解吸滯后.

3 結(jié)論

平煤十二礦變形煤瓦斯吸附-解吸特性的研究成果，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)在相同溫度下，變形煤對(duì)瓦斯的吸附能力取決于煤體的變形程度，煤體破壞越嚴(yán)重，對(duì)瓦斯的吸附-解吸能力越弱.

(2)水分對(duì)煤層瓦斯吸附的影響大于溫度.

(3)在常溫下(30 ℃)，變形煤的吸附-解吸等溫線接近重合，吸附-解吸可逆；溫度升高(50 ℃)，吸附-解吸等溫曲線形態(tài)不同，變形煤吸附-解吸等溫線不可逆，解吸滯后.

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