王莊煤礦不同破壞類型煤體結(jié)構(gòu)差異性及其對(duì)瓦斯吸附性能的研究

曲 闖，左宇軍，于 迪，于美魯，汪 泓，張 凱

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.三門峽龍王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472400)

王莊煤礦不同破壞類型煤體結(jié)構(gòu)差異性及其對(duì)瓦斯吸附性能的研究

曲 闖1，左宇軍1，于 迪2，于美魯1，汪 泓1，張 凱1

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.三門峽龍王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472400)

為研究不同破壞類型煤體結(jié)構(gòu)差異性及其對(duì)瓦斯吸附的影響，以山西沁水煤田王莊煤礦3號(hào)煤層為工程背景，測(cè)試了4種不同破壞類型煤樣的瓦斯吸附性能；采用低溫液氮吸附法分析了不同破壞類型煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征，通過FHH公式計(jì)算了煤體孔隙分形維數(shù)，并針對(duì)不同變形破壞程度煤的結(jié)構(gòu)差異性進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：不同破壞類型煤樣的瓦斯吸附能力差異顯著，煤樣的Langmuir體積VL從24.34cm3/g增加到36.16cm3/g，煤體破壞程度的增加有利于瓦斯吸附；不同破壞類型煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)差異顯著，煤樣中值孔徑變化范圍為13.54～28.37nm，總比表面積在0.389～0.965m2/g之間變化，分形維數(shù)值在2.389～2.682之間變化；總體來看，隨煤體破壞程度的增加，煤孔徑減小，孔比表面積增加，孔隙結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，煤體擁有更強(qiáng)的吸附能力。

破壞類型；構(gòu)造煤；孔隙結(jié)構(gòu)；瓦斯吸附

地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)會(huì)使得煤層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，構(gòu)造應(yīng)力不僅能改變煤體的孔隙裂隙等物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)，還能改變煤體的化學(xué)性質(zhì)[1-2]。這種受地質(zhì)構(gòu)造作用而形成的構(gòu)造煤在我國(guó)廣泛分布。根據(jù)不同的破壞類型，可將構(gòu)造煤劃分為原生煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4個(gè)大類。煤與瓦斯突出與構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從煤巖動(dòng)力災(zāi)害防治角度出發(fā)開展了大量實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)研究[3-4]。秦修陪等[5]通過壓汞法針對(duì)不同變形程度的煤樣，分析了構(gòu)造變形作用對(duì)煤體孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響，發(fā)現(xiàn)煤體孔隙度、中值孔徑和總孔容均隨著構(gòu)造變形程度加深而逐漸增大，構(gòu)造作用使得煤中大孔和中孔增多,而微孔和過渡孔變化不明顯。王軍[6]結(jié)合低壓氮?dú)馕胶透邏喝萘糠ㄑ芯苛瞬煌簶拥谋砻娣中翁卣?，發(fā)現(xiàn)隨煤變質(zhì)程度的增加，表面分形維數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加的U型曲線。孟召平等[7]從構(gòu)造煤的納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)層面對(duì)比分析了煤層氣吸附特性，通過實(shí)驗(yàn)得到煤的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)隨煤體破壞程度的增加而增大，煤層氣含量也相應(yīng)增加。屈爭(zhēng)輝等[8]認(rèn)為應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)境對(duì)煤結(jié)構(gòu)演化具有重要影響，應(yīng)力-應(yīng)變作用不僅改變了煤體微觀和宏觀物理結(jié)構(gòu)，也影響著煤中芳香結(jié)構(gòu)演化，并且不同類型的應(yīng)力-應(yīng)變作用影響程度存在著較大差異。Song等人[9]采用二氧化碳和氮?dú)馕椒ㄑ芯恐械碗A構(gòu)造煤微孔中孔結(jié)構(gòu)及表面分形特征，發(fā)現(xiàn)隨構(gòu)造變形程度的增加，中孔比表面積主要由2～10nm的孔貢獻(xiàn)，構(gòu)造變形作用在一定程度上能夠促進(jìn)煤中的中孔向微孔轉(zhuǎn)化。Yao 等人[10]運(yùn)用掃描電鏡、壓汞法、微焦CT、低溫液氮吸附等手段對(duì)韓城礦區(qū)構(gòu)造軟煤結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了綜合表征，證實(shí)構(gòu)造軟煤的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯吸附能力具有顯著影響。

煤層在不同構(gòu)造應(yīng)力作用下?lián)碛胁煌钠茐念愋停M(jìn)而導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)差異顯著，不同變形程度煤樣所表現(xiàn)出來的瓦斯吸附性能也不盡相同?；诖耍疚囊陨轿髑咚璧赝跚f礦區(qū)二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤層為研究對(duì)象，對(duì)不同破壞類型煤樣開展低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)和甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析不同破壞類型煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征、吸附特性及其控制機(jī)理，對(duì)我國(guó)高階構(gòu)造煤礦區(qū)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的防治具有一定的參考意義[11-12]。

1 樣品制備與測(cè)試

實(shí)驗(yàn)樣品采自山西沁水煤田王莊煤礦二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤層，煤層厚度3.16～7.87m，平均煤厚6.1m，夾矸總厚度0～1.18m，夾矸結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，以炭質(zhì)泥巖為主；該煤層在空間上總體呈現(xiàn)南北厚、中間薄的分布狀態(tài)。對(duì)于同一煤層而言，由于受局部構(gòu)造應(yīng)力的作用，通常含有不同破壞類型的煤樣，這些煤樣不但在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出顯著差異性，而且在比表面積、孔容、孔徑分布等物理結(jié)構(gòu)參數(shù)上也明顯不同。根據(jù)構(gòu)造煤變形破壞程度，采集了4種不同破壞類型的構(gòu)造煤，分別為原生煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。將采煤工作面新鮮煤樣密封保存后運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，首先根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/ T 30050-2013對(duì)構(gòu)造煤類型進(jìn)行劃分，煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 23561.12-2009進(jìn)行測(cè)定，工業(yè)分析依照GB/ T 212-2008 測(cè)定，煤樣的基本參數(shù)見表1。由表1可知，這4種煤樣的揮發(fā)分在12.92%～16.01%范圍內(nèi)變化，煤種均為貧煤，但即使在同一煤層，受局部構(gòu)造應(yīng)力的影響，煤體的破壞程度也顯然不同，堅(jiān)固性系數(shù)變化范圍較大，從0.24變化到1.20。

表1 煤樣基本參數(shù)測(cè)定結(jié)果

利用美國(guó)TerraTek公司生產(chǎn)的ISO-300型等溫吸附儀，采用高壓容量法對(duì)不同破壞類型煤樣進(jìn)行瓦斯等溫吸附實(shí)驗(yàn)，遵循國(guó)標(biāo)GB/T19560-2004《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》，設(shè)置的實(shí)驗(yàn)壓力范圍為0～6MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為25℃。采用低溫液氮吸附法測(cè)試不同軟硬煤的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，所用儀器為美國(guó)康塔公司生產(chǎn)的AUTOSORB-1型物理吸附儀。選取篩分后粒徑為0.18～0.25mm的煤樣2～3g，采用“靜態(tài)容量法”對(duì)所選煤樣進(jìn)行液氮吸附實(shí)驗(yàn)。吸附介質(zhì)為溫度77K、純度99.999%的液氮，孔徑測(cè)試范圍為0.8～300nm。實(shí)驗(yàn)過程按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6154-1995進(jìn)行。為除去煤中各種雜質(zhì)的影響，首先將煤樣放入脫氣站中進(jìn)行真空脫氣處理，將處理后的煤樣放入裝有液氮的杜瓦瓶中進(jìn)行孔徑分析測(cè)試，實(shí)驗(yàn)相對(duì)壓力控制在0.050～0.995之間。根據(jù)不同壓力下的氮?dú)馕綌?shù)據(jù)，利用儀器自帶的BET(Brunauer, Emmett Teller)多分子層氣體吸附公式計(jì)算煤樣的比表面積，然后利用BJH (Barret, Joyner and Halenda)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到煤樣的孔徑分布。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同破壞類型煤樣吸附特性

各破壞類型煤樣的瓦斯吸附等溫線如圖1所示。由于煤體瓦斯吸附過程符合Langmuir單分子層吸附理論，在一定溫度和壓力條件下，可以利用Langmuir方程來描述，即

(1)

式中，Q為在壓力P條件下的吸附量，cm3/g；VL為L(zhǎng)angmuir體積，cm3/g，代表最大單分子層吸附能力；PL為L(zhǎng)angmuir壓力，MPa，代表氣體吸附量達(dá)到Langmuir體積一半時(shí)對(duì)應(yīng)的吸附壓力；P為氣體壓力，MPa。

圖1 不同破壞類型煤樣瓦斯吸附等溫線

通過Langmuir方程擬合得到的吸附參數(shù)VL和PL見表2。從圖1和表2可以看出，在同一實(shí)驗(yàn)溫度條件下，對(duì)不同破壞類型煤樣的瓦斯吸附能力進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，在0～0.5MPa的低壓段，這4種煤樣的吸附等溫線基本重合，瓦斯吸附量差別不大；而隨著吸附壓力的升高，不同破壞類型煤樣的瓦斯吸附量產(chǎn)生顯著變化，糜棱煤的瓦斯吸附量最大，其次為碎粒煤和碎裂煤，原生煤的瓦斯吸附量最??；從原生煤到糜棱煤，這4種煤樣的Langmuir體積VL從24.34cm3/g增加到36.16cm3/g，這說明煤體破壞程度的增加有利于瓦斯吸附。

表2 不同破壞類型煤樣瓦斯吸附參數(shù)

2.2 不同破壞類型煤樣孔結(jié)構(gòu)特征

依據(jù)十進(jìn)制孔隙分類方法可將孔隙分為：微孔(<10nm)、過渡孔(10～100nm)、中孔(100～1000nm)和大孔(>1000nm)。本文測(cè)試的4個(gè)不同破壞類型煤樣的孔徑范圍為2～250nm，以微孔和過渡孔為主，部分為中孔。根據(jù)低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。從表3可看出，不同破壞類型煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)差異顯著，煤樣中值孔徑變化范圍為13.54～28.37nm，總比表面積在0.389～0.965m2/g之間變化，其中，糜棱煤的中值孔徑最小，而總比表面積最大。圖2為不同破壞類型煤樣孔徑分布曲線圖。從圖2可看出，構(gòu)造煤的累計(jì)孔比表面積和階段孔比表面積在不同孔徑段均明顯大于原生煤，其中，糜棱煤為最大，其次為碎裂煤和碎粒煤，原生煤最小，這和瓦斯等溫吸附實(shí)驗(yàn)中反映的煤體吸附能力的大小關(guān)系相一致?？傮w來看，從原生煤到糜棱煤，隨煤體破壞程度的增加，煤孔徑減小，孔比表面積增加，孔隙結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。從圖2(b)還可看出，所有煤樣孔徑分布峰值均在10～25 nm范圍內(nèi)，微孔所占總比表面積的比例始終大于50%(表3)，由此說明煤中微孔數(shù)量最多，其次為過渡孔和中孔，這和普遍認(rèn)為的高階煤孔隙以微孔為主的觀點(diǎn)相符。

表 3 不同破壞類型煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 不同軟硬煤孔徑分布曲線

2.3 不同破壞類型煤樣孔隙分形特征

分形維數(shù)被廣泛用于表征多孔介質(zhì)表面的粗糙程度，一般采用Frenkel-Halsey-Hill (FHH)公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

D=A+3

(3)

式中，V代表在平衡壓力P下對(duì)應(yīng)的氣體吸附體積，cm3/g；Vm為單分子層吸附體積，cm3/g；A為擬合曲線的斜率；P0為氣體飽和壓力，MPa；C為擬合常數(shù)；D為分形維數(shù)。

圖3為不同破壞類型煤樣孔隙分形維數(shù)計(jì)算圖，計(jì)算得到的各分形維數(shù)值見表4。由表4可以看出，擬合系數(shù)R2均大于0.95，表明采用FHH公式計(jì)算煤體孔隙分形是合理可信的。4種煤樣的分形維數(shù)值在2.389～2.682之間變化，其中，糜棱煤分形維數(shù)值最大，碎裂煤和碎粒煤次之。說明煤體破壞變形程度由低到高的過程中，煤中的孔隙結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，煤體表面越來越粗糙。煤中孔隙數(shù)量的增多能為瓦斯吸附提供更多的空間，更利于瓦斯附著在孔隙表面，進(jìn)而展現(xiàn)出來更強(qiáng)的吸附性能。王莊煤礦不同破壞類型的構(gòu)造煤普遍發(fā)育，具有較好的瓦斯吸附能力，但由于糜棱煤、碎粒煤等高程度破壞變形煤的存在，其復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)使得煤儲(chǔ)層滲透性變差，不利于瓦斯抽放，是影響瓦斯災(zāi)害防治效果的主要因素。

圖3 不同破壞類型煤樣分形維數(shù)計(jì)算

煤樣編號(hào)ADR2WZ1-0.6112.3890.979WZ2-0.5042.4960.958WZ3-0.3962.6040.991WZ4-0.3182.6820.983

3 結(jié) 論

(1)不同破壞類型煤樣的瓦斯吸附能力差異顯著；從原生煤到糜棱煤，這4種煤樣的Langmuir體積VL從24.34cm3/g增加到36.16cm3/g，糜棱煤的瓦斯吸附量最大，其次為碎粒煤和碎裂煤，原生煤的瓦斯吸附量最小，說明煤體破壞程度的增加有利于瓦斯吸附。

(2)低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)表明不同破壞類型煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)差異顯著，煤樣中值孔徑變化范圍為13.54～28.37nm，總比表面積在0.389～0.965m2/g之間變化；其中，糜棱煤的中值孔徑最小，而總比表面積最大；所有煤樣孔徑分布峰值均在10～25nm范圍內(nèi)，煤中微孔數(shù)量最多，其次為過渡孔和中孔，微孔所占總比表面積的比例始終大于50%。

(3)4種煤樣的分形維數(shù)值在2.389～2.682之間變化，煤體破壞變形程度由低到高的過程中，煤中的孔隙結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，煤體表面越來越粗糙；煤中孔隙數(shù)量的增多能為瓦斯吸附提供更多的空間，更利于瓦斯附著在孔隙表面，進(jìn)而展現(xiàn)出來更強(qiáng)的吸附性能。

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StudyonCoalTectonicDifferenceofDifferentFailureModeofWangzhuangCoalMineandIt’sGasAdsorption

QU Chuang1,ZUO Yu-jun1，YU Di2，YU Mei-lu1,WANG Hong1，ZHANG Kai1

(1.Mining School，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.Sanmenxia Longwangzhuang Coal Co.，Ltd.，Sanmenxia 472400，China)

In order to study coal tectonic difference under different failure mode and it’s gas adsorption，it taking the No.3 coal seam of Wangzhuang coal mine of Qinshui coal field in Shanxi province as background，gas adsorption of four different failure mode coal sample were measurement，the pore structure characters of different failure coal sample were analyzed by low temperature liquid nitrogen adsorption，and fractal dimension of coal mass pore was calculated by formula FHH，the structure difference of coal sample under different deformation and failure were compared.The results showed that gas adsorption ability of different coal sample were significantly difference for different failure model,the Langmuir volume VL increased from 24.34cm3/g to 36.16cm3/g，the coal failure degree increasing was benefit for gas adsorption，pore structure significantly difference for different failure mode coal sample，the variation range of median aperture of coal sample was 13.54～28.37nm，and variation range of total specific surface area was 0.389～0.965m2/g，fractal dimension variation from 2.389 to 2.682，on the whole ,with coal sample failure increasing，coal aperture decreasing，and specific surface area was increasing，pore structure was more and more complicated，and the adsorption ability of coal was more and more higher.

failure mode；tectonic coal；pore structure;gas adsorption

2017-08-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.022

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574093，51774101)；國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目課題(2012BAB08B06)；貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)(百層次)項(xiàng)目(黔科合人才(2016)4011號(hào))；貴州省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重大項(xiàng)目課題(JZ字[2014]2005-1)

曲 闖(1989-)，男，河南南陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)榘踩夹g(shù)、煤與瓦斯突出等。

曲 闖，左宇軍，于 迪，等.王莊煤礦不同破壞類型煤體結(jié)構(gòu)差異性及其對(duì)瓦斯吸附性能的研究[J].煤礦開采，2017，22(6)：88-91.

TD712

A

1006-6225(2017)06-0088-04

李青]