離柳礦區(qū)中階焦煤孔隙特征及其瓦斯解吸特性研究

許紅杰

(天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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離柳礦區(qū)中階焦煤孔隙特征及其瓦斯解吸特性研究

許紅杰

(天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

為了研究山西離柳礦區(qū)中階變質(zhì)程度焦煤的孔隙特征及瓦斯解吸特性，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行了壓汞實(shí)驗(yàn)及吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：該礦區(qū)焦煤孔隙以半開(kāi)放及閉孔為主，孔隙較不發(fā)育，煤體中發(fā)育的孔隙以微孔為主，小孔次之，中孔和大孔占的比例較?。贿@種特殊的孔隙結(jié)構(gòu)使其解吸曲線形態(tài)呈現(xiàn)解吸時(shí)間長(zhǎng)、解吸速率低的特點(diǎn)；使用孫重旭式可以對(duì)該解吸曲線進(jìn)行描述，模型相關(guān)系數(shù)在0.99以上；根據(jù)該解吸數(shù)學(xué)模型可以方便地估算鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。

焦煤；孔隙特征；解吸特性；孔容分布

煤粒瓦斯解吸特性在預(yù)防突出災(zāi)害，估算瓦斯含量，預(yù)測(cè)抽采產(chǎn)量方面有著重要作用，而煤粒的孔隙特征則是影響其解吸特征的重要因素[1]。不同的孔隙結(jié)構(gòu)使得瓦斯分子在運(yùn)移過(guò)程中形成不同的阻力，直接影響了瓦斯的解吸速度和大小。關(guān)于煤粒在大氣壓條件下的解吸規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，提出了許多統(tǒng)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)公式，包括王佑安式、巴雷爾式、孫重旭式等[2-7]。不同煤種因其賦存條件不同，形成了不同的孔隙結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生符合上述不同公式的解吸特性。因此研究特定地區(qū)煤種的孔隙特征及其瓦斯解吸特性對(duì)該地區(qū)的安全生產(chǎn)有著重要的作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

離柳礦區(qū)位于山西省河?xùn)|煤田中段，屬于華北板塊，地理位置處在山西呂梁地區(qū)的離石、柳林、中陽(yáng)等縣境內(nèi)。地層單斜西傾，地層主要是由灰?guī)r、泥巖、砂巖、粉砂巖以及煤組成，煤巖系為海陸交替相。區(qū)內(nèi)煤層賦存較淺，傾角較小，含煤地層為古生界石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，共10～13層。礦區(qū)分為離石、柳林兩個(gè)區(qū)，總面積1640km2，煤種以焦煤為主[8]。

2 樣品采集及實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品采集

從該礦區(qū)某礦采集煤樣2組，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤樣基本參數(shù)

2.2 壓汞實(shí)驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)《ISO 15901-1:2005》[9]，選擇5～10mm粒徑煤樣進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)。壓汞法使用的儀器為AutoPore IV8500系列壓汞儀。該儀器的壓力范圍為0～450MPa，測(cè)量孔徑范圍為3～10000nm。

2.3 解吸試驗(yàn)

解吸實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)的解吸方法，如圖1所示。選取1～3mm粒徑的煤樣50g，將其裝入煤樣罐中，之后將其放在60℃恒溫水域中，對(duì)其進(jìn)行抽真空8h以上，向煤樣罐充入不同壓力的純甲烷氣體。然后將煤樣罐放入30℃水浴槽中，待其壓力平衡。最后將煤樣罐取出進(jìn)行瓦斯解吸的測(cè)定，記錄在120min內(nèi)不同時(shí)間段的瓦斯解吸量。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 焦煤孔隙特征

煤的孔隙特征分析是研究煤粒解吸特征的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)通用的劃分孔徑的方法是由前蘇聯(lián)科學(xué)家B.B.XOДOT[10]提出的劃分標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)為直徑小于10nm的是微孔，其構(gòu)成了煤中的吸附容積；直徑在10～100nm的是小孔，其構(gòu)成了毛細(xì)管凝結(jié)和瓦斯的擴(kuò)散空間；直徑在100～1000nm之間的是中孔，其構(gòu)成了瓦斯的緩慢層流滲透空間；直徑在1000～10000nm的大孔構(gòu)成了瓦斯的強(qiáng)烈層流滲透空間。

3.1.1 孔容分布

圖2和圖3分別為所采集焦煤的壓汞孔容隨孔徑變化曲線及煤樣各類孔隙的孔容分布。

圖2 不同煤樣的累計(jì)進(jìn)退汞量曲線

圖3 不同煤樣各類孔的孔容分布

1號(hào)和2號(hào)實(shí)驗(yàn)煤樣總孔容分別為0.0327mL/g與0.0326mL/g。上述圖表表明，各煤樣孔容分布以小于10nm以下的微孔發(fā)育為主，在孔容中的貢獻(xiàn)值基本在55%左右。其次發(fā)育的為小孔和大孔，而中孔最不發(fā)育，均在4%以下。

3.1.2 孔比表面積分布

圖4和圖5分別為所采集焦煤的壓汞孔比表面積隨孔徑變化曲線及煤樣各類孔隙的孔容分布。

圖4 不同煤樣的累計(jì)比表面積分布曲線

圖5 各孔徑下的孔隙比表面積分布

1號(hào)和2號(hào)實(shí)驗(yàn)煤樣總比表面積分別為16.701 m2/g及16.315m2/g。上述圖表表明，各煤樣的比表面積分布與孔容分布相似，但微孔和小孔的比重更大，可占到總比表面積的99%以上。中孔和大孔幾乎對(duì)總比表面積沒(méi)有貢獻(xiàn)。

3.1.3 壓汞滯后環(huán)分析

壓汞滯后環(huán)的大小則說(shuō)明了煤樣孔隙通道的連通性[11-12]。從圖2中的壓汞曲線結(jié)果可以看出，各煤樣的進(jìn)汞曲線位置相比于退汞曲線略低，說(shuō)明累計(jì)退汞量?jī)H比相同壓力下累計(jì)進(jìn)汞量略大，滯后特征不甚明顯。這是由于煤體內(nèi)的孔隙形態(tài)主要以半開(kāi)放孔及閉合孔為主，半開(kāi)放孔的形態(tài)特征致使在進(jìn)汞和退汞過(guò)程中的壓力基本相等，進(jìn)退汞量變化差異不大。此孔隙特征與孟巧榮[13]等對(duì)于焦煤特征的研究結(jié)果相似。相較于孔隙發(fā)育的褐煤及無(wú)煙煤，在瓦斯運(yùn)移過(guò)程中，這種低孔隙發(fā)育特征的煤粒會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的解吸時(shí)間和較低的解吸速度，從而產(chǎn)生不同的解吸曲線形態(tài)。

3.2 解吸特性

煤樣在不同瓦斯壓力(平衡壓力)下，瓦斯解吸累計(jì)量及瓦斯解吸速度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同吸附平衡壓力下的瓦斯解吸量與時(shí)間的關(guān)系

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)煤樣的解吸曲線均表現(xiàn)得較為平緩，解吸量也較少，在5MPa左右時(shí)，也只有3mL/g左右，與文獻(xiàn)[7，14-16]中無(wú)煙煤等解吸特性相差甚遠(yuǎn)。這與其以半開(kāi)孔或閉孔為主的孔隙特征相吻合。初始時(shí)間內(nèi)由于孔隙結(jié)構(gòu)限制，短時(shí)間內(nèi)不能涌出大量瓦斯。形成緩慢遞增的增長(zhǎng)曲線。而隨著壓力升高，瓦斯解吸量及速度也逐漸升高。從1MPa左右的1mL/g提高到了3MPa左右時(shí)的3mL/g，總體提升了2倍，但依舊不能與高孔隙發(fā)育的煤種相比較。

由于不同煤種的解吸特性不同，不同的擬合公式對(duì)特定煤體的解吸規(guī)律的描述的精確性也有差異。所以對(duì)不同壓力下的解吸曲線進(jìn)行公式擬合，通過(guò)比較巴雷爾式、孫重旭式、對(duì)數(shù)式對(duì)解吸曲線的描述效果及相關(guān)性參數(shù)R2，得出可以描述該種煤樣的解吸動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)公式[6]，擬合結(jié)果如表2所示。從擬合結(jié)果可以看出，使用不同公式對(duì)該種煤樣解吸規(guī)律的描述存在著較為明顯的差異?？傮w來(lái)看，孫重旭式的擬合效果最好，在前120min內(nèi)，R2平均值為0.9992。巴雷爾式和對(duì)數(shù)式的擬合效果相對(duì)較差，巴雷爾式前120min的平均擬合相關(guān)指數(shù)為0.9803，對(duì)數(shù)式前120min的平均擬合相關(guān)指數(shù)為0.9431，均比孫重旭的平均擬合指數(shù)低。

表2 各式對(duì)不同時(shí)段解吸量的擬合相關(guān)度

4 解吸規(guī)律的工程應(yīng)用

根據(jù)擬合出的公式可以很好地估計(jì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值和Δh2值，也可以用于估算瓦斯含量測(cè)試中的損失量，從而為瓦斯突出災(zāi)害防治及瓦斯含量精確測(cè)定提供理論依據(jù)。以Δh2為例，由于Δh2值為煤樣(10g)自煤體脫落暴露于大氣中，第4min和第5min的瓦斯解吸所產(chǎn)生的壓差，單位為Pa[10]。對(duì)于MD-2型瓦斯解吸儀，每克煤樣第4至第5min瓦斯解吸體積Q4～5和Δh2有以下關(guān)系：

Q4～5=0.0083Δh2/10

(1)

式中，Q4～5為每克煤樣瓦斯解吸體積，cm3/g；10為煤樣重量，g；0.0083為MD-2型瓦斯解吸儀結(jié)構(gòu)常數(shù)。

則基于孫重旭模型的Δh2計(jì)算模型為：

(2)

式中，tn為第n分鐘；a，i為孫重旭式擬合參數(shù)。

表3 由解吸規(guī)律計(jì)算Δh2值結(jié)果

表3計(jì)算的Δh2值與采用MD-2型瓦斯解吸儀實(shí)測(cè)的該平衡壓力下的Δh2值有著較好的重合度，如圖7所示，且皆對(duì)壓力有很好的敏感性，有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖7 推算Δh2值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差

5 結(jié) 論

(1)離柳礦區(qū)中階焦煤孔隙以半開(kāi)放及閉孔為主，孔隙較不發(fā)育。壓汞法測(cè)得的1號(hào)和2號(hào)煤樣孔容分別為0.0327mL/g與0.0326mL/g，比表面積分別為16.701m2/g與16.315m2/g，煤體中發(fā)育的孔隙以微孔為主，小孔次之，中孔和大孔占的比例較小。

(2)焦煤特殊的孔隙結(jié)構(gòu)使其解吸曲線形態(tài)呈現(xiàn)解吸時(shí)間長(zhǎng)、解吸速率低的特點(diǎn)。該種解吸曲線較為適合使用孫重旭式進(jìn)行描述，模型相關(guān)系數(shù)在0.99以上。

(3)根據(jù)焦煤的解吸規(guī)律，可計(jì)算鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值和Δh2值，也可以用于估算瓦斯含量測(cè)試中的損失量，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Porosity Characters and Methane Desorption Characters of Middle Rank Coaking Coal of Liliu Mine District

XU Hong-jie

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to study porosity characters and methane desorption characters of middle rank metamorphic grade coaking coal of Shanxi Liliu mine district,mercury penetration experiment andadsorption dynamics experiment were proceed for coal sample，the following conclusions were obtained，the porosity character of coaking coal in the mine district was halfopening or closed，porosity agensis，the main porosity in coal is micropore，second is small pore，and the ratio of middle pore and large pore were small，the character of desorption time long and desorption rate low appeared for desorption tracing pattern as the special porosity structures，the desorption curves could be described by Sunzhongxu formula，the correlation index of model more than 0.99，drilling cuttings methane desorption index could be estimated by the model easily，and it could referenced for filed practical.

coaking coal；porosity character；desorption character；pore volume distribution

2016-03-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.025

許紅杰(1979-)，男，河南郾城人，副研究員，主要從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作。

許紅杰.離柳礦區(qū)中階焦煤孔隙特征及其瓦斯解吸特性研究[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(6)：88-91.

TD712.5

A

1006-6225(2016)06-0088-04