煤的放散初速度與孔徑、比表面積分析研究

高世康GAO Shi-kang；許石青XU Shi-qing；韋善陽WEI Shan-yang；羅中曼LUO Zhong-man；任美容REN Mei-rong；潘沙PAN Sha；高碩GAO Shuo

（貴州大學礦業(yè)學院，貴陽 550025）

0 引言

煤層開采過程中，不同深度地層壓力、地層性質的不同導致煤的變質程度出現了很大的差異，而不同變質程度煤中所賦存的游離瓦斯含量也有很大不同，當煤中游離態(tài)瓦斯大量賦存以后便會形成較大的瓦斯壓力，長此以往，煤與瓦斯突出事故便會發(fā)生。統(tǒng)計結果顯示：貴州省平均每年由于煤與瓦斯突出死亡的人數達到43.8 人，占全國總死亡人數的20.81%。煤的變質程度直接影響到煤的瓦斯放散初速度，而煤的瓦斯放散初速度是造成瓦斯突出災害的四大因素之一。煤的孔徑分布和比表面積等參數也會影響煤內瓦斯的賦存。近年來，對瓦斯放散初速度和煤的孔徑分布、比表面積及孔體積等課題的研究很多。楊萌萌等認為煤的粒度對煤的瓦斯放散初速度有影響。煤的粒度不同，所產生的瓦斯突出危險性也不同，煤的粒度越小，發(fā)生瓦斯突出的危險性就越大。孫勇等認為預氧化會對煤的比表面積、孔體積、平均孔直徑產生影響。但是對不同粒徑煤的孔徑分布和比表面積的研究卻較少，而將煤的瓦斯放散初速度與煤的比表面積及孔體積等參數聯(lián)系在一起進行研究的課題更是少之又少。

1 吸附常數概述

從之前對煤吸附甲烷研究中能夠看出，甲烷吸附主要涉及到的過程有瓦斯?jié)B流、瓦斯擴散和瓦斯吸附。在固定梯度的甲烷壓力下，大孔系統(tǒng)中能夠完成甲烷氣體分子的滲流過程。與此同時，新甲烷氣膜在煤的基質外表面。隨后，甲烷氣體可以根據煤栽培基質外部室內空間越過充氣膜，進而使甲烷氣體擴散到基質表層，之后到達空隙內部?；谏鲜鲞^程，實際的煤基質外表面便可以吸附甲烷分子，一部分被吸附的甲烷分子順著顆粒內部部孔向蔓延，具體吸附速度與內擴散情況存在直接聯(lián)系。在孔隙結構研究過程中，煤的吸附性和透水性與實際情況之間存在著非常強的聯(lián)系，進而對后續(xù)煤層瓦斯以及吸附過程產生了巨大影響。根據以往學者經驗，壓汞法在煤的直徑科學研究上是比較常見的方式，該方式能夠明確具體孔徑范圍內孔隙大小或者是孔隙類型，以及孔徑具體突破壓力情況截至到目前為止，人們對煤孔徑分類研究內容有很多，依據實際的固氣效用，及其固態(tài)的直徑范疇等，得到孔徑的具體數值。例如，對于微孔和小孔的孔徑來說，均低于100nm，而且煤對瓦斯的吸附情況與孔隙的基本結構存在直接關系。所以說，人們在研究煤的納米級孔隙結構過程中，需提前了解甲烷吸附理論內容，這對于后續(xù)研究具備積極意義。

2 試樣準備及測試裝置

2.1 測試裝置

通過采用自帶全自動操作程序的WT-1 瓦斯放散初速度測定儀（圖1）進行瓦斯放散初速的測定，此儀器可自動儲存測試結果，此外，還可自動輸出曲線報表。同時，包含△P、實驗溫度、實驗所在地大氣壓等情況。

圖1 WT-1 瓦斯放散初速度測定儀

2.2 試樣準備

本文測試的煤樣共6 種，全部取自貴州六盤水。分別為：無煙煤、焦煤、氣煤、肥煤、煙煤、褐煤。實驗前，根據GB/T 212-2008 對煤樣進行工業(yè)分析測定的基礎參數見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析基礎數據

圖2 全自動孔徑及比表面積測定儀

根據AQ 1080-2009 及WT-1 型瓦斯放散初速度測定儀要求，先粉碎六種不同的煤樣，然后分別篩取不一樣粒徑范疇的煤樣各500g，所用的煤樣篩目數不盡相同，進而得到粒徑分布為0.15-0.2mm、0.2-0.25mm、0.25-0.5mm、0.5-1mm、1-2mm 的30 種煤樣。按照不同的粒徑范圍，將所得的煤樣分成2 份，自然密封放置其中一份，剩余部分通過放進烘干箱烘干處理5h 制得干燥煤樣。取各粒徑的烘干處理煤樣60g，均值分成3 份，用噴霧機向每一份烘干處理煤樣噴小量霧水并攪拌均勻，將配制好的煤樣放進密閉式器皿內侵潤10d，使水充分浸潤煤樣，制取各粒徑、各變質程度不同，水分含量均分3%的煤樣。

3 實驗方案及結果分析

3.1 實驗方案

設圖1 中WT-1 型瓦斯放散初速度檢測儀的煤樣罐從右至分別別為1 號、2 號、3 號、4 號、5 號、6 號，每一種煤樣罐置放3. 5 g 煤樣，在其中1 號和2 號、3 號和4 號、5號和6 號各自為一組平行面試驗。依照試驗規(guī)定，每一種煤樣需取2 個試件做平行面試驗，設2 個試件瓦斯放散初速度△P 各自為△P1和△P2，則當△P1=△P2時，△P 取時，△P 取二者最大值；當時，為不過關，應再次裝樣檢測。

為了更好地剖析粒徑和變質水平對煤中瓦斯放散初速度的危害，各自檢測了在含水量同樣、粒徑配制不一樣和變質水平不一樣的情形下煤中瓦斯放散初速度與粒徑的關聯(lián)。

3.2 不同變質程度煤樣瓦斯放散初速度與粒徑的關系

實驗方案：取含水率相同，變質程度不一樣的6 種煤樣（分別為無煙煤、焦煤、氣煤、肥煤、煙煤、褐煤），每一種煤樣又分成粒徑0.15-0.2mm、0.2-0.25mm、0.25-0.5mm、0.5-1mm、1-2mm 這5 組，各自裝進WT-1 型瓦斯放散初速度檢測儀的煤樣罐，在外部溫度、工作壓力等標準同樣的情形下，測量瓦斯放散初速度△P。試驗結果如圖3 所顯示。

圖3 不一樣變質水平煤的瓦斯放散初速度關聯(lián)

從圖3 可看得出，伴隨著粒徑持續(xù)減少，6 種不一樣含水量的煤樣瓦斯放散初速度持續(xù)擴大，且粒徑越小，增大的發(fā)展趨勢越顯著；烘干處理5h 的煤樣各粒徑范疇內的瓦斯放散初速度超過別的含水量的煤樣，含水率為7%的煤樣各粒徑范疇內的瓦斯放散初速度最少。導致煤樣瓦斯放散初速度隨粒徑減少而持續(xù)擴大的緣故主要包含：

①煤中瓦斯以吸附和分散2 種情況成藏在煤巷中，通常吸附情況的瓦斯占煤中總瓦斯量的10%上下，分散模式的瓦斯占煤中總瓦斯量的90%上下。粒徑對煤吸附瓦斯量的直接影響關鍵取決于粒徑造成煤孔構造發(fā)生改變，危害了孔容，粒徑越小，孔容越大，吸附瓦斯越多，瓦斯放散初速度越大。

②伴隨著煤樣粒徑持續(xù)減少，煤中瓦斯的擴散阻力減小，同樣時間內煤中瓦斯的解析量提升；伴隨著煤樣粒徑持續(xù)減少，在煤基質內部和孔隙度表層的瓦斯分子結構遍布更為勻稱，分子結構相對密度更高，同樣時間內煤中瓦斯的解析量提升；伴隨著煤樣粒徑持續(xù)減少，煤樣的孔隙度比表面、孔隙度容積提升，參加解析的瓦斯分子結構增加，瓦斯分子結構的濃度值擴大，煤中吸附瓦斯的解析速率提升。由此可見，伴隨著煤粒徑的持續(xù)減少，煤中吸附瓦斯的解析量和解析速率提升，促使煤中瓦斯放散初速度持續(xù)提升。

對圖3 中的測試數據開展線性擬合，可獲得不一樣霉變水平煤樣粒徑x 與煤樣瓦斯放散初速度△P 的線性擬合方程式，見表2。

表2 不同變質程度煤樣粒徑與煤樣瓦斯放散初速度的擬合關系式

根據表2 可知，在實驗所選粒徑范圍內，不同變質程度煤樣瓦斯放撒初速度與粒徑的擬合關系為

式中：C1，C2為由瓦斯壓力、煤樣的變質程度等確定的常數項。

由圖3 和表2 可看得出，不一樣霉變水平的煤樣瓦斯放散初速度與粒徑的關聯(lián)不一樣，關鍵因素是煤樣粒徑轉變會更改煤樣中的比表面直徑的遍布，促使粒徑轉變對不一樣變質水平煤樣中瓦斯的吸附、解析、蔓延、滲入和運移規(guī)律性干燥擾與干躁煤樣不一樣，粒徑對霉變水平不一樣的煤樣瓦斯放散初速度的危害原理更加繁雜。

3.3 不同粒徑、不同變質程度煤樣比表面積及孔徑的變化規(guī)律

實驗方案：將所制取30 種的不同變質程度、不同粒徑的煤樣分別裝入全自動孔徑及比表面積測定儀中，測定孔徑分布和比表面積等實驗參數。實驗結果如圖4、圖5 所示。

圖4 不同變質程度煤的微孔孔直徑變化情況

圖5 不同變質程度煤的比表面積變化情況

從圖4、圖5 可以看得出，伴隨著煤的變質水平加重，煤的微孔孔直徑呈先減小后上升的趨勢，煤的比表面積呈持續(xù)增大的趨勢；隨著煤的粒徑增大，煤的微孔直徑呈先減小后上升的趨勢，煤的比表面積呈持續(xù)增大的趨勢。

3.4 不同變質程度、不同粒徑煤的瓦斯放散初孔與微孔孔直徑的關系

通過對比圖3、圖4、圖5，可以發(fā)現：相同粒徑情況下，隨著煤的變質程度的升高，煤的微孔孔直徑、比表面積、瓦斯放散初速度等參數均呈增大的趨勢，煤的變質程度越高，煤的瓦斯放散初速度持續(xù)增大，微孔孔直徑越大，比表面積也越大；同種變質程度，隨著煤的粒徑增大，煤的微孔孔體積、比表面積、瓦斯放散初速度等參數亦呈上升的趨勢，煤的粒徑越大，瓦斯放散初速度孔，微孔孔直徑越大，比表面積也越大。產生上述情況的原因在于：煤的變質程度越高，煤的孔隙發(fā)育越好，比表面積越大，形成的微孔越多，進而導致瓦斯吸附區(qū)域增大，瓦斯吸附量擴大，因此瓦斯放散初速度隨著提升。

4 納米級空隙與吸附常數之間的關聯(lián)性分析

首先，在關聯(lián)性分析過程中，主要采用的是曲線相似法對納米級孔隙進行分析，從中將煤吸附甲烷能力展示出來。從實際曲線相似度法應用中能夠看出，主要是根據兩條曲線變化趨勢，了解各個變量之間的關聯(lián)性特點。一般來說，從已知的因變量變化趨勢中能夠看出，大家可以明確哪一個變量可以操縱自變量，關鍵觀念便是憑借已經知道數據信息的轉換情況，明確事物變化的具體因素所在。為了提升研究的準確性，具體曲線相似度法的主要實施步驟包括以下幾方面：第一，明確因變量數值；第二，數據向量化處理操作，工作人員可以將獲取到的數據編寫為列向量模式，在此過程中，列向量數據應始終處于一致狀態(tài)；第二，明確具體的列向量相似程度；將主控因素確定下來。其次，在關聯(lián)性分析結果確定上，工作人員首先要做的就是明確因變量數值，將分析吸附常數和孔容特征之間的關聯(lián)性特征明確出來，了解其中具體的參數測試結果，保證對吸附常數作為應變量，開展一系列分析操作。

5 結論

綜上所述，如果煤的變質程度高，吸附常數a、b 的數值也會有所提升，如果變質程度低，吸附常數a、b 也會變小。吸附常數的數值大小，會隨著煤變質程度降低而降低。在壓汞實驗之中，煤的變質程度對于總孔孔容和大孔孔容影響比較明顯。更為重要的是，納米孔比表面與煤的吸附工作能力存有可以直接關聯(lián)，吸附參量會伴隨著納米孔孔容提升而增加。