不同軸壓條件下煤粒瓦斯吸附規(guī)律和機(jī)理研究

高佳星，李祥春，邱常青，王夢(mèng)婭

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100089；2.潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治 046000）

瓦斯抽采是保障高瓦斯礦井和突出礦井安全生產(chǎn)的有效手段，同時(shí)也為需求量日益增加的天然氣資源提供重要保障[1-2]。相關(guān)研究針對(duì)以吸附態(tài)存在于煤層中的甲烷氣體的吸附特性，對(duì)評(píng)價(jià)煤層最大儲(chǔ)氣能力、預(yù)測(cè)煤層氣含量、確定臨界解吸壓力等有重大作用[3]。煤對(duì)甲烷的吸附能力會(huì)受到諸多因素的影響，如煤的變質(zhì)程度間[4-6]、煤巖顯微組分[7-9]、孔隙結(jié)構(gòu)[10-13]、水分[14-16]、溫度和壓力[17-19]以及粒徑[20-22]。然而軸壓對(duì)煤吸附特性的研究相對(duì)較少，目前關(guān)于應(yīng)力對(duì)于煤的吸附解吸特性的研究大多集中于塊煤，更多側(cè)重于研究煤的解吸擴(kuò)散特性，何滿潮等[23]研究了塊煤在單軸應(yīng)力-溫度作用下吸附瓦斯運(yùn)移過程，但并沒有研究單軸應(yīng)力變化時(shí)煤的瓦斯的吸附量的變化，主要側(cè)重研究溫度對(duì)瓦斯解吸的貢獻(xiàn)，以及在單軸應(yīng)力下塊煤出現(xiàn)大量貫通裂隙對(duì)煤中瓦斯運(yùn)移的影響；陳結(jié)等[24]雖然開展了三軸應(yīng)力下軟硬煤的吸附特性研究，但著重研究應(yīng)力和吸附共同作用下煤的變形機(jī)制；唐巨鵬等[25]進(jìn)行的三維應(yīng)力作用下煤層氣吸附解吸特性實(shí)驗(yàn)只著重分析了應(yīng)力加載和卸載時(shí)煤的解吸量的變化和解吸時(shí)間的變化；魏建平等[26]利用煤巖三軸滲流-吸附-解吸試驗(yàn)裝置開展實(shí)驗(yàn)，得到了應(yīng)力會(huì)誘導(dǎo)瓦斯解吸的結(jié)論。以上實(shí)驗(yàn)研究均針對(duì)塊煤，且注重研究瓦斯的解吸特性。已有魚田堡煤礦、中梁山煤礦和南桐煤礦等很多突出事故現(xiàn)場(chǎng)煤的粒徑分布證實(shí)了大量粉化煤的存在——表明粉化煤體具有快速的瓦斯解吸能力[27]。按照煤被破碎的程度劃分的類型，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類型的煤具有煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性，其中的就包含顆粒和粉狀煤，因此研究軸壓作用下煤粒瓦斯吸附特性是十分有必要的。

1 煤樣制備及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 煤樣的采集與制備

實(shí)驗(yàn)中選取的3 種的煤樣均屬于煙煤，將選取好的實(shí)驗(yàn)煤樣，通過粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，利用振動(dòng)篩篩選出180～250 μm 煤樣，將制備好的煤樣在真空干燥箱干燥24 h，干燥溫度70 ℃，之后密封保存已備實(shí)驗(yàn)所需。

根據(jù)GB/T212—2008 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用GF-A2000工業(yè)分析儀測(cè)定制備好的干煤樣中水分（Mad）、灰分（Aad）、揮發(fā)分（Vdaf）和固定碳（FCad）的含量，測(cè)試煤樣的基本信息見表1。

表1 測(cè)試煤樣的基本信息Table 1 Necessary information of the tested coal samples

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由供氣及氣體控制系統(tǒng)、吸附解吸系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、真空脫氣系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、軸壓加載系統(tǒng)組成。

供氣及氣體控制系統(tǒng)主要由氦氣氣瓶、甲烷氣瓶、減壓閥、供氣管路、閥門組成；吸附解吸系統(tǒng)主要包括恒溫箱、參考罐、樣品罐、管道、閥門組成；壓力采集系統(tǒng)采用ST3000 壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換模塊則使用ADAM-4520；真空脫氣系統(tǒng)主要由2XZ-4 型旋片式真空泵、真空表、鏈接管路和閥門組成；溫度測(cè)量系統(tǒng)包括鉑電阻溫度傳感器、溫度采集模塊（包括NI9217 采集卡、NI cDAQ-9184 以太網(wǎng)機(jī)箱）、安裝有NI DAQmx 驅(qū)動(dòng)軟件的筆記本電腦。

2 實(shí)驗(yàn)步驟及方案

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)開始之前需要進(jìn)行壓力系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)氣密性檢查，之后進(jìn)行參考罐、樣品罐體積測(cè)定和樣品罐自由體積測(cè)定，完成上述步驟之后開始進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。樣品罐的末端定制了液壓裝置，通過罐體側(cè)面接口與手搖泵、壓力表和壓力管路連接形成軸壓加載系統(tǒng)，通過手搖泵，以壓力表為指示，可以對(duì)樣品罐內(nèi)的煤樣加載指定大小的軸壓。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中選取的3 種不同變質(zhì)程度的煙煤，每種煤樣的粒徑均為180～250 μm，在不同溫度（30、50℃）不同瓦斯壓力（0.2、0.6、1.0、1.4、1.8、2.2 MPa）和不同軸壓下（0、3、6、9、12 MPa）條件下進(jìn)行3 種不同變質(zhì)程度煤的瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)，瓦斯壓力是吸附平衡時(shí)樣品罐內(nèi)的壓力，具體方案見表2，為了便于分析在表中列出的瓦斯壓力為近似值，在計(jì)算時(shí)使用實(shí)際測(cè)量值。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental schemes

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3 種煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的變化曲線如圖2。

圖2 3 種煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的變化曲線Fig.2 Variation curves of gas adsorption capacity of three coal samples with axial pressure

從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的變化不是線性和單調(diào)的，仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的變化有2 種情形：一種是煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的增大而減小，如DLT 煤樣實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃，瓦斯壓力為0.2 MPa 時(shí)，其吸附量隨軸壓的增加而減小，類似的情況還有JG 煤樣溫度為30 ℃，瓦斯壓力為0.2 MPa，YW 煤樣溫度為30 ℃，瓦斯壓力為0.6 MPa，以及YW 煤樣溫度為50 ℃，瓦斯壓力為0.2 MPa；另一種情形是煤樣瓦斯吸附量隨軸壓的增大先減小后增大，如除了上述第1 種情形，其他吸附量隨軸壓的變化曲線都屬于第2 種情形。

在軸壓和瓦斯壓力共同作用下，煤的瓦斯吸附量存在2 個(gè)分界點(diǎn)。存在1 個(gè)軸壓分界值，當(dāng)軸壓大于該值時(shí)，不論溫度和瓦斯壓力如何變化，煤的瓦斯吸附量都隨軸壓的增加而增加；而當(dāng)軸壓小于該值時(shí)，則要考察另1 個(gè)分界值——瓦斯壓力的分界值。當(dāng)瓦斯壓力小于分界值時(shí)，在不同溫度下瓦斯吸附量都隨軸壓的增大而減小，當(dāng)瓦斯壓力大于該分界值時(shí)，瓦斯吸附量隨軸壓的增大先減小后增大。馬楊奇[28]也有類似的結(jié)論，但使用的煤樣是通過取心機(jī)取出的塊狀煤樣，而且吸附時(shí)間只有8 h；而已有文獻(xiàn)認(rèn)為柱狀煤的吸附平衡時(shí)間為15 d 才更加合理[29]，因此其中的吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)該偏小。

雖然對(duì)以上數(shù)據(jù)所體現(xiàn)出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象行了分析，然而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理尚不明確。隨著軸壓的增加，煤粒和塊煤的變形階段有很大的不同，煤粒是已被粉碎的煤顆粒，在軸壓下應(yīng)該表現(xiàn)為持續(xù)壓實(shí)和一定的流變特性。因此煤樣的孔隙率應(yīng)隨軸壓的增大而減小，則煤的微孔含量也會(huì)隨軸壓的增大而減小，煤樣的瓦斯吸附量應(yīng)隨軸壓的增大而減小，圖2 中第1 種情形恰好就符合這樣的變化，但第2 種情形所表現(xiàn)出的結(jié)果則與上述常規(guī)想法不符。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，煤樣在軸壓和瓦斯壓力的共同作用下，煤的吸附能力并不會(huì)像一般推斷的那樣總是隨軸壓的增大而減小，因此結(jié)合前人研究成果從機(jī)理層面對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析是非常必要的。

某一瓦斯壓力下瓦斯吸附量隨軸壓的變化趨勢(shì)圖如圖3。

分析圖2 中的吸附量變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)在某一瓦斯壓力下煤粒瓦斯吸附量隨軸壓的增大應(yīng)存在圖3 中的變化趨勢(shì)，吸附量隨軸壓增大存在3 個(gè)變化階段：①第1 階段為孔隙壓縮階段：此時(shí)軸壓不大，瓦斯壓力和軸壓的共同作用未能破壞原始微孔結(jié)構(gòu)，隨著孔隙結(jié)構(gòu)在軸壓的作用下被壓縮，吸附量隨孔隙率的下降而降低；②第2 階段為孔隙轉(zhuǎn)變階段：煤樣的原始孔隙結(jié)構(gòu)在軸壓和瓦斯壓力的共同作用下開始發(fā)生改變，大孔開始向中孔轉(zhuǎn)變，中孔開始向微孔轉(zhuǎn)變，封閉孔轉(zhuǎn)變?yōu)殚_孔，煤樣孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，微孔數(shù)量增加，更多的甲烷分子在微孔中被煤“捕獲”進(jìn)入吸附相內(nèi)，從而表現(xiàn)為吸附量隨軸壓的增大而增大的變化趨勢(shì)；③第3 階段為孔隙壓實(shí)階段：軸壓的持續(xù)增加到某一臨界點(diǎn)后煤中瓦斯可能處于超臨界狀態(tài)，已有研究表明[30-31]，超臨界狀態(tài)下過剩吸附量會(huì)隨瓦斯壓力的增大而減小，絕對(duì)吸附量則隨瓦斯壓力的增大而趨于平緩，隨著軸壓的增大，煤的大孔和中孔結(jié)構(gòu)逐漸消失，微孔結(jié)構(gòu)難以支撐如此大的軸壓而被逐漸壓縮，微孔含量越來越少，在吸附空間的壓縮和超臨界狀態(tài)下瓦斯吸附量的不再改變的共同作用下，煤的整體瓦斯吸附量逐漸降低。

圖3 某一瓦斯壓力下瓦斯吸附量隨軸壓的變化趨勢(shì)圖Fig.3 Variation trend of gas adsorption capacity with axial pressure under a certain gas pressure

結(jié)合以上分析得到的軸壓下吸附變化的機(jī)理并參考本文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，關(guān)于瓦斯壓力和軸壓分界點(diǎn)的論述在不同情況下其變化特征是有區(qū)別的。通過對(duì)3 種煤樣在不同軸壓條件下的瓦斯吸附量變化曲線進(jìn)行分析，總結(jié)出的不同瓦斯壓力下吸附量隨軸壓的變化趨勢(shì)圖如圖4。

圖4 不同瓦斯壓力下吸附量隨軸壓的變化趨勢(shì)Fig.4 The variation trend of adsorption capacity with axial pressure under different gas pressures

圖4 中曲線a～曲線g 是不同瓦斯壓力下的吸附量隨軸壓的變化趨勢(shì)，隨著瓦斯壓力的增大，曲線的2 個(gè)極值點(diǎn)在向左上方移動(dòng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，瓦斯壓力較小時(shí)吸附量隨軸壓的變化趨勢(shì)類似于曲線a，且在第1 階段還沒有經(jīng)過第2 階段，而考慮到瓦斯壓力較小情況，可能永遠(yuǎn)無法達(dá)到第2階段，即瓦斯壓力較小時(shí)，煤的瓦斯吸附量可能會(huì)隨軸壓的增大而減小，但不會(huì)出現(xiàn)第2 階段——吸附量隨軸壓的增大而增大。前文所論述的分界點(diǎn)其實(shí)不是固定的，而是隨瓦斯壓力的變化而變化的。這種變化可以理解為——在瓦斯壓力較小時(shí)，瓦斯壓力難以抵抗軸壓對(duì)煤孔隙結(jié)構(gòu)的改變，或者說當(dāng)軸壓對(duì)煤孔隙結(jié)構(gòu)的壓縮作用大于瓦斯壓力對(duì)孔隙的支撐作用以及吸附膨脹作用時(shí)，煤孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)在兩者的共同作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變，即瓦斯壓力較小時(shí)，第1 階段范圍較大，且有可能無法進(jìn)入第2 階段。在瓦斯壓力較大時(shí)，瓦斯壓力對(duì)煤孔隙的支撐作用較強(qiáng)，但在軸壓和瓦斯壓力的共同作用會(huì)對(duì)煤產(chǎn)生蝕損作用和損傷作用[32]，這使得煤體的強(qiáng)度降低，煤的孔隙結(jié)構(gòu)的改變和擴(kuò)展更為容易，此時(shí)會(huì)比瓦斯壓力較小時(shí)更快的度過第1 階段進(jìn)入第2 階段。對(duì)于不同煤樣，吸附量隨軸壓變化曲線的極值點(diǎn)也不同，對(duì)于不同的瓦斯壓力該曲線的極值點(diǎn)又會(huì)發(fā)生變化，這樣就形成了比較復(fù)雜的情形。例如YW 煤樣溫度30 ℃，瓦斯壓力0.6 MPa 和溫度50 ℃，瓦斯壓力0.2 MPa 都可以明顯看出是處在第1 階段，而YW 煤樣其他曲線都處在第1、2 階段之間，有明顯的拐點(diǎn)。溫度50 ℃，瓦斯壓力為1.0 MPa 時(shí)，曲線的拐點(diǎn)在6 MPa 附近（軸壓），而其他幾種瓦斯壓力大于1.0 MPa 的曲線拐點(diǎn)在向左移動(dòng)。YW 煤樣吸附量隨軸壓的變化曲線在各瓦斯壓力下的實(shí)際拐點(diǎn)還不能確認(rèn)，這是由于軸壓的跨度較大造成的，但3 種煤樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的曲線均比較符合圖3 和圖4 所體現(xiàn)的規(guī)律。雖然在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析了軸壓和瓦斯壓力共同作用下煤瓦斯吸附機(jī)理，分析結(jié)果能解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有一定的合理性，但由于相關(guān)研究較少，相同研究未見報(bào)道，因此研究結(jié)論還有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

4 結(jié) 語

1）由于軸壓和瓦斯壓力共同作用引起煤孔隙結(jié)構(gòu)的變化非常復(fù)雜，因此在溫度相同時(shí)，不同瓦斯壓力下煤瓦斯吸附量不隨軸壓的增大單調(diào)變化，瓦斯壓力較高時(shí)，吸附量隨軸壓的增大先減小后增大；瓦斯壓力較低時(shí)，吸附量隨軸壓的增大而減小。

2）瓦斯壓力和軸壓對(duì)煤吸附特性的影響主要是由于改變了煤的孔隙結(jié)構(gòu)，隨著軸壓的增大煤的孔隙結(jié)構(gòu)變化存在3 個(gè)階段———孔隙壓縮、孔隙轉(zhuǎn)變、孔隙壓實(shí)，對(duì)應(yīng)3 種瓦斯吸附量變化階段。在某一瓦斯壓力下第1 階段吸附量隨軸壓的增大而減小，第2 階段吸附量隨軸壓的增大而增大，第3 階段吸附量隨軸壓的增大再次減小。

3）繪制了某一瓦斯壓力下瓦斯吸附量隨軸壓的變化趨勢(shì)圖，認(rèn)為隨著瓦斯壓力的增大該曲線會(huì)向左上方移動(dòng)，解釋了吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中瓦斯吸附量隨軸壓的變化機(jī)理。