不同變質(zhì)煤的瓦斯膨脹能演化特征及其突出預(yù)測(cè)啟示

劉高峰，李寶林，張 震，劉 歡，關(guān)文博，司 念

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南理工大學(xué) 中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層氣(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3.河南理工大學(xué) 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

我國主要含煤地層地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，具有低滲透、難抽采和易發(fā)生瓦斯災(zāi)害等顯著特征[1]，高瓦斯、煤與瓦斯突出(突出)礦井?dāng)?shù)量多。隨著采掘強(qiáng)度和深度的加大，地應(yīng)力、瓦斯壓力、瓦斯含量增大[2]，礦井瓦斯問題尤其是突出災(zāi)害將會(huì)嚴(yán)重制約煤炭安全高效開采[3]。為了防治突出，達(dá)到安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益兼顧的目的，需要開展突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[4]。突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)及其臨界值是煤層突出預(yù)測(cè)、防突措施選擇和消突效果評(píng)價(jià)的依據(jù)[5]。

煤與瓦斯突出機(jī)理還沒有完全揭示，目前綜合作用假說得到廣泛認(rèn)可，其認(rèn)為突出是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果[6]。突出能量假說機(jī)理認(rèn)為突出是煤層能量系統(tǒng)的集聚與釋放的動(dòng)態(tài)過程[7]。當(dāng)煤層集聚的突出潛能大于突出耗能時(shí)，則構(gòu)成了突出的必要條件[8]。突出潛能由瓦斯膨脹能和煤體彈性勢(shì)能組成[9]，瓦斯膨脹能比煤體彈性潛能做功大3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)[10]，故瓦斯膨脹能是突出的主要能量來源[11]。根據(jù)瓦斯賦存狀態(tài)對(duì)突出的能量貢獻(xiàn)，瓦斯膨脹能分為吸附和游離兩種狀態(tài)[12]，兩者共同決定了突出的難易程度和強(qiáng)度[13-14]。然而，我國聚煤時(shí)間跨度長(zhǎng)，主要經(jīng)歷了晚石炭–早二疊世、晚二疊世、早–中侏羅世、晚侏羅–早白堊世四個(gè)期次，不同時(shí)代的含煤層系經(jīng)歷了不同的熱演化史，形成了不同變質(zhì)程度的煤炭資源[15]。煤的變質(zhì)程度不同，其孔隙結(jié)構(gòu)存在差異[16]，將會(huì)直接影響瓦斯的吸附和解吸性能[17]，從而造成吸附與游離瓦斯膨脹能的差異。目前，對(duì)不同變質(zhì)程度煤的瓦斯膨脹能變化規(guī)律與演化特征缺乏系統(tǒng)研究，對(duì)突出預(yù)測(cè)支撐不足。

鑒于此，筆者選用不同變質(zhì)程度煤為研究對(duì)象，采用高壓壓汞、等溫吸附實(shí)驗(yàn)，分析不同變質(zhì)程度煤孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)瓦斯吸附性的影響，探索不同變質(zhì)程度煤的瓦斯膨脹能演化特征與影響機(jī)理。并分析不同變質(zhì)程度煤的瓦斯膨脹能與突出預(yù)測(cè)指標(biāo)(瓦斯壓力、瓦斯含量)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以期為不同變質(zhì)程度煤層的突出預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)與方法借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算

1.1 樣 品

選取山東龍口北皂礦的褐煤、山東微山蔡園礦的氣煤、安徽省淮南煤礦的肥煤、山西古交西曲礦的焦煤、潞安屯留礦的貧煤和河南焦作古漢山礦的無煙煤為實(shí)驗(yàn)樣品，煤樣的工業(yè)分析、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)以及鏡質(zhì)體反射率見表1。

表1 煤樣基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of coal samples

1.2 煤孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)儀器為美國Micromeritics Instrument 公司生產(chǎn)的AutoPore Ⅳ 9505 全自動(dòng)壓汞儀。煤樣粒度為3～6 mm，煤樣在恒溫箱下(70～80℃)干燥12 h，冷卻至室溫后，按照GB/T 21650.1-2008《壓汞法和氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布和孔隙度》進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試。

1.3 煤吸附CH4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器為美國TerraTek 公司生產(chǎn)的ISO-300型等溫吸附儀。實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為30℃，實(shí)驗(yàn)壓力為0～15 MPa，設(shè)置10 個(gè)吸附平衡壓力。按照GB/T 19560-2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》開展煤的Langmuir 吸附常數(shù)VL、pL的測(cè)試。

1.4 瓦斯膨脹能計(jì)算原理

瓦斯膨脹能計(jì)算公式[18]如下：

式中：p0為巷道大氣壓，p0=0.1 MPa；p為瓦斯壓力，MPa。V0為參與突出的瓦斯含量，cm3/g；n為甲烷絕熱系數(shù)，n=1.31。

式中：VL為L(zhǎng)angmuir 體積，cm3/g；pL為L(zhǎng)angmuir 壓力，MPa。

游離態(tài)瓦斯含量公式[19]為：

式中：V1為煤中孔隙體積，cm3/g；T0為絕對(duì)溫度，273.15 K；T為煤儲(chǔ)層溫度，K；ξ為甲烷的壓縮系數(shù)。

將p0=0.1 MPa、n=1.31 以及式(2)代入式(1)中可得吸附瓦斯膨脹能為：

式中：W1為吸附瓦斯膨脹能，mJ/g。

將p0=0.1 MPa、n=1.31 以及式(3)代入式(1)中可得游離瓦斯膨脹能為：

式中：W2為游離瓦斯膨脹能，mJ/g。

由式(4)和式(5)可得煤體的總瓦斯膨脹能為：

式中：W為總瓦斯膨脹能，mJ/g。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同變質(zhì)程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征

煤中CH4主要通過物理吸附分布在煤基質(zhì)表面和孔隙內(nèi)表面[20]，根據(jù)煤體孔隙對(duì)CH4吸附和運(yùn)移的影響，孔隙可分為吸附孔(<100 nm)和滲流孔(>100 nm)[21-22]。

在Rmax<1.3%階段，煤體吸附孔孔容和吸附孔孔比表面積隨煤體變質(zhì)程度升高而逐漸減小(圖1a，圖1b)；在Rmax>1.3%階段，煤體吸附孔孔容和吸附孔孔比表面積隨煤體變質(zhì)程度的升高而逐漸增加(圖1a，圖1b)。煤體吸附孔孔容與吸附孔孔比表面積隨煤體變質(zhì)程度的升高整體呈“V 形”變化[23-24]。

圖1 吸附孔、滲流孔孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化Fig.1 Variations in the structural parameters of adsorption and seepage pores

滲流孔的應(yīng)力敏感性強(qiáng)于吸附孔，受機(jī)械壓實(shí)作用的影響，滲流孔的孔容與滲流孔孔比表面積隨煤體變質(zhì)程度的升高而明顯減小(圖1c，圖1d)[25]，造成滲流孔孔容與滲流孔孔比表面積的占比隨煤體變質(zhì)程度的升高而減小，而吸附孔孔容與吸附孔孔比表面積的占比隨煤體變質(zhì)程度的升高而增加(圖1e，圖1f)。

2.2 煤孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)CH4 吸附常數(shù)的影響

不同變質(zhì)程度煤的等溫吸附曲線與Langmuir 吸附常數(shù)的計(jì)算結(jié)果(圖2、表2)。

圖2 不同變質(zhì)煤的等溫吸附曲線Fig.2 Isothermal adsorption curves of coals with different metamorphic degrees

表2 不同變質(zhì)煤的Langmuir 吸附常數(shù)Table 2 Langmuir adsorption constant of coals with different metamorphic degrees

以往研究表明，不同變質(zhì)程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)的不同，會(huì)導(dǎo)致煤體瓦斯吸附性存在差異[23-24]。圖3 顯示，由于吸附孔的孔容與孔比表面積占比隨煤體變質(zhì)程度的升高而增加(圖1e)，促使煤體的Langmuir 體積VL隨變質(zhì)程度的升高而增大；Langmuir 壓力pL隨煤體變質(zhì)程度的升高呈先減小后增大的趨勢(shì)，在Rmax<1.3 %階段，隨煤變質(zhì)程度升高，滲流孔孔容的不斷降低不利于瓦斯解吸[22]，Langmuir 壓力pL減??；在Rmax>1.3%階段，熱成因孔的生成促使氣體解吸通道連通性增強(qiáng)[26]，煤體Langmuir 壓力pL逐漸增大。

圖3 Langmuir 吸附常數(shù)變化Fig.3 Variations in the Langmuir adsorption constant

2.3 瓦斯膨脹能演化特征

由式(4)可知，吸附瓦斯膨脹能W1受瓦斯壓力p和吸附常數(shù)的共同控制，圖4a 顯示，吸附瓦斯膨脹能W1隨瓦斯壓力p的增大而增大，增加趨勢(shì)逐漸變緩；相同瓦斯壓力p下，煤體變質(zhì)程度越高，吸附瓦斯膨脹W1越大。

圖4 不同變質(zhì)程度煤的瓦斯膨脹能變化Fig.4 Variations in gas expansion energy of coals with different metamorphic degrees

由式(5)可知，游離瓦斯膨脹能W2受瓦斯壓力p和煤中孔隙體積V1的共同控制，圖4b 顯示，游離瓦斯膨脹能W2隨瓦斯壓力p升高呈指數(shù)增大；相同瓦斯壓力p下，煤中孔隙體積V1越大(圖4c)，煤體對(duì)應(yīng)的游離瓦斯膨脹能W2也越大。

由式(6)可知，總瓦斯膨脹能W包含吸附瓦斯膨脹能W1和游離瓦斯膨脹能W2，由于相同變質(zhì)程度、瓦斯壓力下，吸附瓦斯膨脹能W1均大于游離瓦斯膨脹能W2，因此，總瓦斯膨脹能W呈現(xiàn)出與吸附瓦斯膨脹W1相似的演化特征(圖4d)。

2.4 瓦斯膨脹能演化特征對(duì)突出預(yù)測(cè)的啟示

2019 年頒布最新的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》(簡(jiǎn)稱《防突細(xì)則》)采用瓦斯壓力和瓦斯含量作為區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)，并建議瓦斯壓力臨界值為0.74 MPa、瓦斯含量臨界值為8.0 m3/t(構(gòu)造帶6.0 m3/t)[27]。此外，眾多學(xué)者開展了瓦斯膨脹能突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及其與瓦斯壓力、瓦斯含量的關(guān)系研究。齊黎明等[28]研究表明，隨著瓦斯壓力或者瓦斯含量的增加，瓦斯膨脹能增大，但隨瓦斯壓力的增加，其上升速度逐漸減緩；隨瓦斯含量的增加，其上升速度逐步增加。呂閏生等[9]開展了中高階煤儲(chǔ)層水力壓裂消突能量耗散特性研究，表明壓裂區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層參與突出的瓦斯膨脹能為0.79 mJ/g，對(duì)應(yīng)的瓦斯含量和瓦斯壓力臨界值為7.54 m3/t 和0.77 MPa。Jiang Chenglin 等[29]提出了初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)，認(rèn)為初始釋放瓦斯膨脹能是從煤體孔裂隙中最先釋放到大裂隙中的瓦斯向外界環(huán)境膨脹做功所轉(zhuǎn)化的能量，弱突出和強(qiáng)突出臨界值指標(biāo)分別為42.98 mJ/g 和103.8 mJ/g。初始釋放瓦斯膨脹能的大小主要由煤體瓦斯初始解吸特征控制，瓦斯壓力越高，煤中游離瓦斯含量和初始?xì)怏w解吸量越大，導(dǎo)致初始釋放瓦斯膨脹能變大[30]。Yang Dingding 等[31]對(duì)比了突出前10 s 的瓦斯膨脹能與累積瓦斯釋放量的關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了游離瓦斯膨脹能是組成初始釋放瓦斯膨脹能的主要能量。

為了進(jìn)一步探討不同變質(zhì)程度煤的瓦斯膨脹能與突出預(yù)測(cè)臨界指標(biāo)(瓦斯壓力0.74 MPa、瓦斯含量8 m3/t)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算并繪制了不同變質(zhì)程度煤在瓦斯壓力為0.74 MPa、瓦斯含量為8 m3/t 時(shí)所對(duì)應(yīng)的瓦斯膨脹能(表3、圖5、圖6)。

圖5 8m3/t對(duì)應(yīng)瓦斯膨脹能隨煤變質(zhì)程度的變化Fig.5 Gas expansion energy under gas content of 8m3/t vs. coals’metamorphic degree

圖6 0.74 MPa 對(duì)應(yīng)瓦斯膨脹能隨煤階的變化Fig.6 Gas expansion energy under gas pressure of 0.74 MPa vs.coal rank

表3 0.74 MPa與8 m3/t下不同變質(zhì)程度煤的瓦斯膨脹能Table 3 Gas expansion energy of c oals with different metamorphic degrees under gas pressure of 0.74 MPa and gas content of 8 m3/t

見表3，不同變質(zhì)程度煤在8 m3/t 和0.74 MPa 對(duì)應(yīng)的總瓦斯膨脹能W不統(tǒng)一，8 m3/t 和0.74 MPa 對(duì)應(yīng)的總瓦斯膨脹能W分別是突出臨界指標(biāo)42.98 mJ/g的54～88 倍和8～20 倍；這與能量源-能量耗散判定理論相符，即突出激發(fā)的必要條件是突出潛能要大于突出耗能[34]。

圖5 顯示，瓦斯含量為8 m3/t 時(shí)，總瓦斯膨脹能W以吸附瓦斯膨脹能W1為主。Rmax<1.6%時(shí)，總瓦斯膨脹能W、吸附瓦斯膨脹能W1與游離瓦斯膨脹能W2隨煤體變質(zhì)程度的升高而快速減小。在Rmax>1.6%時(shí)，總瓦斯膨脹能W、吸附瓦斯膨脹能W1與游離瓦斯膨脹能W2隨煤體變質(zhì)程度升高減小趨勢(shì)變緩。

圖6 顯示，瓦斯壓力為0.74 MPa 時(shí)，總瓦斯膨脹能W以吸附瓦斯膨脹能W1為主。Rmax<1.6%時(shí)，總瓦斯膨脹能W與吸附瓦斯膨脹能W1隨煤體變質(zhì)程度的升高而增大；游離瓦斯膨脹能W2則先減小后增大。在Rmax>1.6%時(shí)，總瓦斯膨脹能W、吸附瓦斯膨脹能W1與游離瓦斯膨脹能W2的數(shù)值基本保持不變。

圖6 進(jìn)一步顯示，0.74 MPa 對(duì)應(yīng)的游離瓦斯膨脹能W2與初始釋放瓦斯膨脹能突出臨界指標(biāo)42.98 mJ/g的交點(diǎn)大致為Rmax=0.6%和Rmax=1.6%。Rmax>1.6 %時(shí)，0.74 MPa 對(duì)應(yīng)的游離瓦斯膨脹能W2與42.98 mJ/g 基本相等，為突出預(yù)測(cè)臨界壓力值采用0.74 MPa 的準(zhǔn)確性與合理性提供了科學(xué)依據(jù)。但是，當(dāng)Rmax為0.6%～1.6%階段時(shí)，0.74 MPa 對(duì)應(yīng)的游離瓦斯膨脹W2小于42.98 mJ/g，夸大了煤體所具備的突出潛能，這會(huì)使防突工作量加大；Rmax<0.6%時(shí)，0.74 MPa 對(duì)應(yīng)的游離瓦斯膨脹能W2大于42.98 mJ/g，這會(huì)導(dǎo)致低指標(biāo)突出災(zāi)害的發(fā)生。

上述分析表明，在進(jìn)行突出預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)充分考慮不同變質(zhì)程度煤的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)及其臨界值的差異性；這一新認(rèn)識(shí)符合《防突細(xì)則》第五十八條的要求“根據(jù)煤層瓦斯壓力和煤層瓦斯含量進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)所依據(jù)的臨界值應(yīng)當(dāng)根據(jù)試驗(yàn)考察確定”。從安全的角度分析，在進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)，0.74 MPa下的游離瓦斯膨脹能W2對(duì)42.98 mJ/g 的良好響應(yīng)，可以推斷采用瓦斯壓力指標(biāo)比瓦斯含量指標(biāo)更敏感；《防突細(xì)則》第十一條也強(qiáng)調(diào)了優(yōu)先采用瓦斯壓力指標(biāo)。因此，在進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)和防治時(shí)，應(yīng)充分考慮煤體變質(zhì)程度對(duì)突出的影響。

3 結(jié)論

a.瓦斯膨脹能由煤體孔隙結(jié)構(gòu)、吸附性和瓦斯壓力共同控制?？偼咚古蛎浤芎臀酵咚古蛎浘S瓦斯壓力的增大而增大；相同瓦斯壓力下，煤變質(zhì)程度越高，總瓦斯膨脹能與吸附瓦斯膨脹越大。相同瓦斯壓力下，單位質(zhì)量煤體孔隙體積越大，對(duì)應(yīng)的游離瓦斯膨脹能也越大。

b.在進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)和防治時(shí)，應(yīng)充分考慮煤的變質(zhì)程度對(duì)突出的影響。當(dāng)Rmax>1.6%時(shí)，0.74 MPa 下的游離瓦斯膨脹能與初始釋放瓦斯膨脹能42.98 mJ/g 基本相等，表明瓦斯壓力指標(biāo)比瓦斯含量指標(biāo)更敏感；當(dāng)Rmax為0.6%～1.6%時(shí)，0.74 MPa 對(duì)應(yīng)的游離瓦斯膨脹小于42.98 mJ/g，夸大了煤體所具備的突出潛能。當(dāng)Rmax<0.6%時(shí)，0.74 MPa 對(duì)應(yīng)的游離瓦斯膨脹能大于42.98 mJ/g，會(huì)導(dǎo)致低指標(biāo)突出災(zāi)害的發(fā)生。

c.揭示了不同變質(zhì)程度煤的瓦斯膨脹能演化特征及其對(duì)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的影響，可為突出預(yù)測(cè)提供新的科學(xué)依據(jù)和方法借鑒。本次研究并未考慮煤體含水率、煤體結(jié)構(gòu)等因素對(duì)瓦斯膨脹能的控制作用，需要進(jìn)一步開展不同煤體含水率、不同構(gòu)造變形煤的瓦斯膨脹能演化特征及其對(duì)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的影響研究。