煤層軟硬分層吸附瓦斯性能差異性及其對(duì)瓦斯賦存的影響

程 波，張仰強(qiáng)，徐 斌，萬 宇

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤炭工業(yè)作為我國重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和能源供應(yīng)主體產(chǎn)業(yè)，在改革開放的40年中發(fā)生了翻天覆地的變化，產(chǎn)業(yè)體系由落后走向現(xiàn)代化，年產(chǎn)量由6.2億t增長到35.2億t，供應(yīng)保障能力得到跨越式提升，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐。煤與瓦斯突出是煤礦井下生產(chǎn)的一種自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)[1]。由于煤與瓦斯突出能在一瞬間向采掘工作面空間噴出巨量的煤與瓦斯流，不僅會(huì)嚴(yán)重摧毀巷道設(shè)施，毀壞通風(fēng)系統(tǒng)，而且使附近區(qū)域的井巷全部充滿瓦斯與煤粉，造成瓦斯窒息或煤流埋人事故，甚至?xí)斐擅簤m和瓦斯爆炸等嚴(yán)重后果[2]。煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理認(rèn)為，煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體結(jié)構(gòu)三者綜合作用的結(jié)果[2],突出的發(fā)生往往伴隨著軟煤的存在。因此，系統(tǒng)研究煤層內(nèi)軟分層的物理力學(xué)與結(jié)構(gòu)特性對(duì)開展煤與瓦斯突出的防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國學(xué)者針對(duì)該問題已開展了大量的研究，琚宜文等[3]提出了軟煤結(jié)構(gòu)與成因分類的方案；于軍[4]、顧熠凡[5]等分別采用低溫液氮吸附法與壓汞法研究了軟煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征；許滿貴等[6-7]基于分形理論，分析了軟煤的微觀孔裂隙結(jié)構(gòu)與連通情況及其對(duì)吸附特性的影響；劉彥偉等[8-9]分析了軟煤、硬煤吸附能力的差異性；趙發(fā)軍等[10]研究了軟煤、硬煤瓦斯擴(kuò)散系數(shù)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；高保彬[11]、田敬[12]等分別研究了軟煤的聲發(fā)射特征與變壓吸附規(guī)律；陳結(jié)[13]、雷文杰[14]等分別研究了三軸應(yīng)力下軟煤和硬煤對(duì)不同氣體的吸附變形特性與三軸壓縮條件下的瓦斯?jié)B流特性。綜上所述，我國學(xué)者針對(duì)軟煤的結(jié)構(gòu)[3-6]、吸附瓦斯能力[7-9]、瓦斯擴(kuò)散系數(shù)演化規(guī)律等[10-14]，已進(jìn)行了大量的研究，并獲得了豐碩的成果，在諸多的工程實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果。但在諸多具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的煤層中開展區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)時(shí)，時(shí)常發(fā)現(xiàn)在相同的地點(diǎn)存在硬分層消突而軟分層未消突的現(xiàn)象。造成該種現(xiàn)象的原因除與煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的布孔工藝參數(shù)有關(guān)以外，煤層瓦斯賦存的分層特性亦是主要因素之一。

鑒于此，筆者首先分析了軟煤的形成機(jī)理與結(jié)構(gòu)特性，并采集我國多個(gè)煤與瓦斯突出礦井的煤樣進(jìn)行了吸附瓦斯性能參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)一步分析了軟煤、硬煤吸附性能的差異性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能差異性與瓦斯賦存特征之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究，旨在為具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的煤層實(shí)施科學(xué)有效的防突措施提供理論依據(jù)。

1 軟煤的形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)特征分析

一般認(rèn)為，煤層內(nèi)的軟分層是在成煤作用以后，受復(fù)雜的構(gòu)造變化作用而形成的。構(gòu)造應(yīng)力的作用既形成了斷層、褶皺、褶曲等，又直接控制了軟煤的形成[15]。煤層頂、底板巖層間的滑動(dòng)是造成煤層內(nèi)軟煤呈現(xiàn)區(qū)域分布特性的主要因素，而斷層、褶皺、褶曲等構(gòu)造是控制煤層內(nèi)的軟煤局部分布的主控因素。

硬煤由于受構(gòu)造變化作用的影響較小，因而其內(nèi)部存在發(fā)育的原生裂隙，且主次裂隙的關(guān)系較為明顯。軟煤則截然不同，其內(nèi)部的煤巖結(jié)構(gòu)很難分辨，裂隙的發(fā)育程度遠(yuǎn)低于硬煤。同時(shí)，由于軟煤的微孔較硬煤發(fā)育，且過渡孔所占的比例較高，因而致使其比表面積大于硬煤。軟煤與硬煤結(jié)構(gòu)特征的差異勢(shì)必影響了其吸附瓦斯性能，故進(jìn)一步開展煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能的分析有助于揭示軟煤對(duì)煤與瓦斯突出孕育過程的作用機(jī)理。

2 煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能的分析

2.1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

目前業(yè)界常用的煤吸附性能的試驗(yàn)方法可分為重量分析法與高壓容量法[16]。其中重量分析法通過一個(gè)靈敏的微量天平和一個(gè)壓力傳感器，可以直接測(cè)量吸附量，但是需要做浮力修正(浮力是無法直接測(cè)量的)。在重量分析法中，吸附質(zhì)不能與溫度調(diào)節(jié)裝置直接相連，所以無論是低溫或高溫，都不容易控制和測(cè)量吸附質(zhì)的真實(shí)溫度。高壓容量法是利用進(jìn)入樣品管的總氣體量和自由空間中的氣體量的差值計(jì)算出吸附量。該種方法能夠達(dá)到真的平衡狀態(tài)，并可得到極高分辨率的吸附等溫線[16]。故選用高壓容量法進(jìn)行煤樣吸附性能的對(duì)比分析試驗(yàn)，采用HCA高壓等溫吸附試驗(yàn)裝置對(duì)煤樣進(jìn)行等溫吸附曲線的測(cè)試。

試驗(yàn)方法按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》中的要求，將采集的煤樣進(jìn)行破碎、篩分，選擇粒徑為0.20～0.25 mm的煤粉，利用電子天平秤取200 g，放入到真空干燥箱中進(jìn)行脫水處理；而后放入到吸附罐中，設(shè)定恒溫水浴的溫度為30 ℃，進(jìn)行不同平衡瓦斯壓力條件下的吸附量測(cè)定。

2.2 試驗(yàn)煤樣

選取貴州金沙縣貴源煤礦9#煤層、甘肅窯街獐兒溝煤礦2#煤層、河南平頂山礦區(qū)十礦10#煤層、重慶松藻礦區(qū)打通一礦K2煤層作為試驗(yàn)煤樣。以上煤層均為具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，煤層內(nèi)的軟、硬分層特征明顯。在采集軟、硬分層煤樣后，隨即送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行吸附瓦斯性能與工業(yè)分析，以及孔隙率等參數(shù)的測(cè)試。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)煤樣在不同平衡瓦斯壓力條件下吸附瓦斯量的測(cè)試結(jié)果如圖1所示。由圖1的試驗(yàn)結(jié)果可通過數(shù)據(jù)擬合的方法得到煤樣的吸附瓦斯性能參數(shù)。吸附瓦斯性能參數(shù)的擬合結(jié)果與工業(yè)分析、孔隙率等參數(shù)見表1。

圖1 試驗(yàn)煤樣吸附瓦斯量測(cè)定結(jié)果

表1 吸附瓦斯性能參數(shù)的擬合結(jié)果與工業(yè)分析、孔隙率等參數(shù)匯總

備注：a為極限吸附瓦斯量；b為瓦斯吸附常數(shù)；Mad為煤樣的水分；Aad為煤樣的灰分；Vdaf為煤樣的揮發(fā)分；TRD為煤樣的真密度；ARD為煤樣的視密度；q為煤的孔隙率；ΔP為瓦斯放散初速度；f為煤的堅(jiān)固性系數(shù)。

由表1可知，試驗(yàn)煤樣軟分層極限吸附瓦斯量a的數(shù)值均大于硬分層，且獐兒溝煤礦2#煤層、平頂山十礦10#煤層軟、硬分層的煤樣極限吸附瓦斯量a的數(shù)值差異最為明顯。這是由于軟分層煤樣的比表面積比硬分層大，而極限吸附瓦斯量又與比表面積呈正相關(guān)關(guān)系[1]，因而使得軟分層煤樣極限吸附瓦斯量a的數(shù)值均大于硬分層。同時(shí)，由于在獐兒溝煤礦2#煤層、平頂山十礦10#煤層軟煤形成過程中，其構(gòu)造作用的強(qiáng)度大于另外2個(gè)礦井，不僅破壞、改造了原生煤的結(jié)構(gòu)，還導(dǎo)致煤結(jié)構(gòu)側(cè)鏈發(fā)生脫落，最終使得軟煤結(jié)構(gòu)中的芳香稠環(huán)重新排列、缺陷逐漸減少[17]。因此，試驗(yàn)中獐兒溝煤礦2#煤層、平頂山十礦10#煤層軟、硬分層的煤樣極限吸附瓦斯量a的數(shù)值差異最為明顯。

瓦斯吸附常數(shù)b的數(shù)值大小反映了煤吸附瓦斯性能的強(qiáng)弱，其數(shù)值越大，則隨著吸附平衡瓦斯壓力的增加，吸附瓦斯量趨近于極限吸附量的速度越快。該參數(shù)除與試驗(yàn)溫度相關(guān)以外，還與相應(yīng)溫度條件下的吸附與脫附的速率有關(guān)[18]。試驗(yàn)中的溫度為恒定值，故煤樣吸附常數(shù)b呈現(xiàn)的差異性則僅與其自身的吸附與脫附的速率有關(guān)。試驗(yàn)中，貴源煤礦9#煤層、打通一礦K2煤層軟分層煤樣吸附常數(shù)b的數(shù)值大于硬分層，這與二者極限吸附瓦斯量a的對(duì)比特征相同，而獐兒溝煤礦2#煤層、平頂山十礦10#煤層軟分層煤樣吸附常數(shù)b的數(shù)值則小于硬分層。造成該種現(xiàn)象的原因與二者軟、硬分層的煤樣極限吸附瓦斯量a的數(shù)值差異最為明顯的致因相同，獐兒溝煤礦2#煤層、平頂山十礦10#煤層構(gòu)造作用的強(qiáng)度使得煤體支鏈化程度較大或者發(fā)生了脂環(huán)化作用，從而導(dǎo)致?lián)]發(fā)分物質(zhì)逐漸增多，軟分層煤中的大分子結(jié)構(gòu)演化途徑產(chǎn)生畸變，軟分層煤的結(jié)構(gòu)縮合度和有序度增加[12，17]，故在試驗(yàn)過程中的軟分層煤樣吸附速度略有降低[18]。

3 煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能對(duì)瓦斯賦存特征的影響

為表征煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能對(duì)瓦斯賦存特征的影響，分別將試驗(yàn)煤樣的軟、硬分層吸附瓦斯性能參數(shù)、工業(yè)分析與孔隙率參數(shù)值，代入到煤層瓦斯含量的計(jì)算方程中[1]，獲得了瓦斯壓力0.1～1.0 MPa條件下軟、硬分層煤樣瓦斯含量差值及吸附瓦斯含量差值曲線，見圖2。

圖2 軟、硬分層瓦斯含量差值及吸附瓦斯含量差值曲線

由圖2可知，試驗(yàn)煤樣中，除打通一礦K2煤層瓦斯含量的差值相對(duì)較小以外，其他煤樣的差值均較大。隨著瓦斯壓力的增加，試驗(yàn)煤樣軟、硬分層瓦斯含量的差值逐漸增大，其曲線的變化特征與Langmuir方程類似，并且軟、硬分層瓦斯含量數(shù)值的差異主要是由吸附量差值構(gòu)成。將數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，計(jì)算得到試驗(yàn)煤樣軟、硬分層吸附瓦斯含量差值與瓦斯含量差值之比，見圖3。

圖3 軟、硬分層吸附瓦斯含量差值與瓦斯含量差值之比

由圖3可看出，試驗(yàn)煤樣軟、硬分層吸附瓦斯含量差值與瓦斯含量差值的比值均較高，除打通一礦K2煤層以外，其他煤樣的比值均超過了100%。這表明：煤層內(nèi)軟、硬分層瓦斯含量的差異主要是由分層煤樣吸附瓦斯性能的差異引起的。值得注意的是，獐兒溝煤礦2#煤層軟、硬分層吸附瓦斯含量差值與瓦斯含量差值的比值最高，且隨著瓦斯壓力的增加，該數(shù)值逐漸減??；貴源煤礦9#煤層、平頂山十礦10#煤層軟、硬分層吸附瓦斯含量差值與瓦斯含量差值的比值在102%～108%內(nèi)波動(dòng)。

在煤層內(nèi)形成軟煤后，隨著地質(zhì)年代的推移，煤體內(nèi)的瓦斯氣體將在層內(nèi)壓力差的驅(qū)動(dòng)下，由高壓區(qū)域流動(dòng)至低壓區(qū)域。若將煤層按照傾向的方向進(jìn)行切片，則在相同標(biāo)高的地點(diǎn)，其煤層瓦斯壓力的數(shù)值應(yīng)相同或趨于一致[1](閉合構(gòu)造除外)。而構(gòu)造作用使得煤體內(nèi)軟、硬分層吸附性能呈現(xiàn)較為明顯的差異，故在相同的瓦斯壓力條件下，其分層的瓦斯含量數(shù)值極有可能呈現(xiàn)較大的差異。試驗(yàn)煤樣中，當(dāng)瓦斯壓力為0.74 MPa時(shí)，貴源煤礦9#煤層、平頂山十礦10#煤層軟、硬分層瓦斯含量的差值分別為3.67、1.04 m3/t。

另一方面，已有的研究成果表明[6,19-20]，煤的吸附作用對(duì)瓦斯的滲透特性有著極為明顯的阻滯作用。本文試驗(yàn)結(jié)果表明，軟、硬分層的瓦斯吸附性能存在較為明顯的差異，因而煤體內(nèi)瓦斯“吸附—脫附”的動(dòng)態(tài)平衡因擾動(dòng)而破壞后，軟、硬分層內(nèi)的瓦斯運(yùn)移特征亦不相同。煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能的差異不僅對(duì)煤層原始瓦斯賦存特征有著顯著的影響，同時(shí)還將影響煤巷掘進(jìn)、瓦斯抽采過程中煤體內(nèi)瓦斯流場(chǎng)的分布。因此，在煤礦井下的瓦斯災(zāi)害治理過程中，應(yīng)根據(jù)煤層軟、硬分層的組合特點(diǎn)，制訂切實(shí)有效的技術(shù)方案。

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)煤樣軟、硬分層的吸附瓦斯性能差異明顯，且軟分層極限吸附瓦斯量均大于硬分層的極限吸附瓦斯量；

2)隨著瓦斯壓力的增加，試驗(yàn)煤樣軟、硬分層瓦斯含量的差值逐漸增大，其曲線的變化特征與Langmuir方程類似，并且軟、硬分層瓦斯含量數(shù)值的差異主要是由吸附量差值構(gòu)成；

3)煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能的差異不僅對(duì)煤層原始瓦斯賦存特征有著顯著的影響，同時(shí)還將影響煤巷掘進(jìn)、瓦斯抽采過程中煤體內(nèi)瓦斯流場(chǎng)的分布，應(yīng)根據(jù)煤層軟、硬分層的組合特點(diǎn)，制訂針對(duì)性的瓦斯治理技術(shù)方案。