韓 勇 張 瑾 李 璐 安悅涵

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

?

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探 ★

平頂山礦區(qū)煤孔隙特征及瓦斯吸附控制機(jī)理研究

韓 勇 張 瑾 李 璐 安悅涵

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

為研究平煤礦區(qū)煤儲(chǔ)層特征及其瓦斯賦存特性，采用低壓液氮吸附法對(duì)6種典型煤樣的儲(chǔ)層特征進(jìn)行了分析，并測(cè)試了煤樣瓦斯吸附能力，分析了煤樣孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瓦斯吸附的影響。研究結(jié)果表明：不同煤樣孔隙差異顯著，煤體表面具有明顯的非均質(zhì)性；煤中的微孔發(fā)育，孔徑分布呈多峰值；變質(zhì)程度(揮發(fā)分)對(duì)煤中的微孔具有重要影響，而對(duì)小孔的影響不明顯；煤對(duì)氣體的吸附主要集中在微孔段，不同煤樣的吸附能力差異明顯， Langmuir 體積只與微孔有關(guān)，而Langmuir 壓力受微孔和小孔分布的共同影響。研究結(jié)果可為平頂山礦區(qū)瓦斯防治與利用提供理論依據(jù)。

儲(chǔ)層特征 孔隙 瓦斯 吸附能力 平頂山礦區(qū)

煤作為一種非常規(guī)儲(chǔ)層，具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和表面特性，含有大量的雙重孔隙—裂隙系統(tǒng)。這些發(fā)育的孔隙—裂隙系統(tǒng)為瓦斯氣體的吸附提供了大量空間，同時(shí)也是煤層氣的滲流通道。研究表明，煤中瓦斯以吸附態(tài)和游離態(tài)兩種方式存在，煤體瓦斯吸附以物理吸附為主，其吸附能力主要與煤的孔徑分布、孔比表面積等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因此，從煤的物理結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究煤的孔隙特性對(duì)于完善煤體瓦斯吸附理論具有一定的參考意義。

目前，在煤的表面特性和瓦斯吸附方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了一定的研究成果。不同構(gòu)造煤的瓦斯吸附性能、吸附勢(shì)以及表面能也不同；且隨變形程度的增加，煤的比表面積和孔容也增加，導(dǎo)致同階糜棱煤的瓦斯吸附能力最強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)，煤體組成成分、孔徑分布對(duì)瓦斯吸附有顯著影響，微孔體積和比表面積是影響蘭格繆爾(Langmuir)體積的主控因素，對(duì)Langmuir 壓力影響不大，而Langmuir 壓力反映了吸附量隨壓力的變化速度，是衡量煤體瓦斯吸附速率的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，對(duì)Langmuir 壓力的研究在煤層氣開(kāi)采工程應(yīng)用上具有重要參考價(jià)值。

根據(jù)N2吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合煤體瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)，研究了平頂山礦區(qū)典型煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)Langmuir參數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)采集了平頂山礦區(qū)平煤一礦、二礦、四礦、五礦、六礦、八礦采煤工作面的新鮮原煤煤樣，煤樣以塊狀為主，進(jìn)行密封包裝后立即送往實(shí)驗(yàn)室，對(duì)所取煤樣進(jìn)行研磨和篩分，選取質(zhì)量約10 g的煤粉參照MT/T 1087-2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法進(jìn)行工業(yè)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣工業(yè)分析

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

采用高壓容量法對(duì)所選煤樣進(jìn)行高壓甲烷吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT19560-2004進(jìn)行。選取100 g左右、粒徑為60～80目的粉煤煤樣，在溫度設(shè)為80℃的真空干燥箱中真空干燥5 h，待煤樣冷卻至室溫后放入煤樣罐中，溫度設(shè)定為30℃，充入甲烷氣體后進(jìn)行高壓瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)，利用Langmuir方程對(duì)所測(cè)得的吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，求得Langmuir參數(shù)VL和PL。

(1)

式中：VL——Langmuir體積，mL/g；

PL——Langmuir壓力，MPa。

VL和PL代表著煤的最大吸附能力和低壓下瓦斯吸附難易程度，能綜合反映煤體瓦斯吸附性能。

煤的孔徑分布廣泛，依據(jù)前人研究的十進(jìn)制分類法，煤體孔隙類型可分為微孔(孔徑d<10 nm)、小孔(10 nm1000 nm)。為了研究孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)氣體吸附的影響，采用低壓N2吸附法測(cè)定煤樣的孔隙參數(shù)，孔徑的測(cè)試范圍為微孔和小孔。N2吸附實(shí)驗(yàn)過(guò)程按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T6154-1995進(jìn)行，煤樣粒徑為60～80目(0.20～0.25 mm)，在AUTOSORB-1型物理吸附儀上對(duì)所選煤樣進(jìn)行液氮吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為77 K，相對(duì)壓力控制在0.050～0.995。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)

瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于中低壓條件下的瓦斯吸附為單分子層吸附，Langmuir方程能較好地描述這一吸附現(xiàn)象。因此，采用Langmuir方程對(duì)瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，從而得到VL和PL，Langmuir參數(shù)擬合結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Langmuir方程的擬合度較高(R2>0.98)，這說(shuō)明利用Langmuir方程描述煤體瓦斯吸附現(xiàn)象是合理的。煤樣的Langmuir參數(shù)差異較大，VL從13.51 mL/g 增加到31.44 mL/g，PL從0.63 MPa 變化到1.64 MPa，表明不同煤樣之間的吸附能力差異顯著，瓦斯吸附量隨壓力增長(zhǎng)速度也不同。1#煤樣的VL最大，PL最小，表明其吸附能力最強(qiáng)，達(dá)到VL的一半所用時(shí)間最短，較其他煤樣在低壓階段更易于吸附瓦斯。

表2 甲烷吸附實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果

2.3 N2吸附實(shí)驗(yàn)

低壓氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，煤樣的總孔體積從1.612×10-3cm3/g增加到7.571×10-3cm3/g，平均孔徑變化范圍為3.08 ～7.39 nm。從表3可以看出，所有煤樣的微孔比表面積均大于小孔比表面積，說(shuō)明煤樣中微孔最發(fā)育。

表3 低壓N2吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)N2吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得到了各煤樣孔徑分布曲線圖，如圖2和圖3所示。

圖2 1#～3#煤樣N2吸附與孔徑分布的關(guān)系

從圖2和圖3可以看出，各煤樣的孔徑均呈多峰分布，且以微孔為主。煤體瓦斯吸附主要集中在微孔段，因?yàn)槲⒖渍紦?jù)了大部分表面積，為氣體分子提供大量的吸附位點(diǎn)，從而使得氣體分子更易于吸附。而對(duì)于4#和5#煤樣，除了微孔的峰值外，在小孔范圍內(nèi)也出現(xiàn)了較顯著的吸附峰值，由此說(shuō)明小孔對(duì)瓦斯吸附也存在一定影響。

圖3 4#～6#煤樣N2吸附與孔徑分布的關(guān)系

3 分析與討論

3.1 變質(zhì)程度對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

煤體的變質(zhì)程度在很大程度上影響了孔徑分布，根據(jù)煤樣工業(yè)分析和低壓N2吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析得出了孔隙結(jié)構(gòu)與煤階之間的關(guān)系，見(jiàn)圖4。從圖4(a)可以看出，微孔比表面積和變質(zhì)程度(Vdaf)呈線性相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R2=0.893)，說(shuō)明隨著變質(zhì)程度的升高，煤中微孔數(shù)量在不斷增加，微孔比表面積增大。但是，變質(zhì)程度與小孔比表面積之間的關(guān)系不明顯，如圖4(b)所示。從圖4(c)可以看出，孔徑受變質(zhì)程度的影響較大，且隨變質(zhì)程度的增加而顯著減小。這說(shuō)明在變質(zhì)程度由低到高的過(guò)程中，煤化作用使得孔徑減小，微孔數(shù)量增多，微孔比表面積持續(xù)增加，而小孔變化不明顯。

3.2 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瓦斯吸附的影響

由上述討論中可知，瓦斯吸附與孔隙結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，對(duì)此展開(kāi)研究得出微孔和小孔對(duì)瓦斯吸附的影響結(jié)果如圖5和圖6所示。

從圖5(a)和圖6(a)可以看出，VL主要受微孔的影響(相關(guān)系數(shù)R2=0.920)，而小孔的影響不明顯。一方面是因?yàn)樾】椎目讖?d>10 nm)相對(duì)較大(甲烷分子直徑為0.414 nm)，對(duì)氣體分子的束縛力較弱；另一方面由于小孔的比表面積較小，能夠提供的吸附空間有限。因此，微孔在氣體吸附過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位，決定了煤體瓦斯最大單分子層吸附能力。由于PL代表瓦斯吸附體積達(dá)到VL一半時(shí)對(duì)應(yīng)的吸附壓力，低壓段的煤體瓦斯吸附能力可直接影響PL的大小。從圖5(a)可以看出，PL隨著微孔比表面積的增加而逐漸減小，這說(shuō)明微孔對(duì)低壓段的瓦斯吸附有重要影響。但PL不僅與微孔有關(guān)，還與小孔有關(guān)，如圖6(b)所示。研究表明，PL隨納米級(jí)孔容的增加而呈線性變化，由于小孔的孔容相對(duì)較大，仍然能夠?yàn)闅怏w分子提供一定的吸附空間，因而在壓力較低時(shí)部分瓦斯氣體分子在小孔表面上吸附；隨著氣體壓力的升高，煤體吸附能力增強(qiáng)，而微孔能夠提供更大的吸附空間，甲烷分子則主要吸附在微孔表面。因此，微孔是VL的主要影響因素，而PL則同時(shí)受微孔和小孔的作用。

圖4 變質(zhì)程度對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

圖5 微孔對(duì)瓦斯吸附的影響

4 結(jié)論

(1)采用低壓N2吸附法測(cè)試了6種平頂山礦區(qū)煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，實(shí)驗(yàn)得出不同煤樣孔隙結(jié)構(gòu)差異性顯著，煤體表面的非均質(zhì)性較為明顯。各煤樣的孔徑均呈多峰分布，且以微孔為主。

圖6 小孔對(duì)瓦斯吸附的影響

(2)煤體的變質(zhì)程度在很大程度上影響了孔徑分布，在變質(zhì)程度由低到高的過(guò)程中，煤化作用使得孔徑減小，微孔數(shù)量增多，微孔比表面積持續(xù)增加，而小孔變化不明顯。

(3)煤體表面孔隙特性對(duì)瓦斯吸附規(guī)律具有顯著影響，煤體最大吸附能力只與微孔比表面積有關(guān)，VL隨微孔比表面積的增加而呈線性增加，而PL則受微孔和小孔的共同作用。

[1] 李子文,郝志勇,龐源等.煤的分形維數(shù)及其對(duì)瓦斯吸附的影響[J].煤炭學(xué)報(bào), 2015 (4)

[2] 褚小東, 周洪瑞, 張鵬川等. 寧夏彭陽(yáng)縣草廟地區(qū)地質(zhì)特征及控煤作用研究[J]. 中國(guó)煤炭, 2016(2)

[3] 唐志鵬, 龍祖根, 張夢(mèng)雅等. 盤江礦區(qū)煤礦瓦斯抽采綜合利用與安全效益分析[J]. 中國(guó)煤炭, 2017(1)

[4] 聶百勝,柳先鋒,郭建華等.水分對(duì)煤體瓦斯解吸擴(kuò)散的影響[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015(5)

[5] Meng Z, Liu S, Li G. Adsorption capacity, adsorption potential and surface free energy of different structure high rank coals [J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2016,146

[6] Crosdale P J, Beamish B B, Valix M. Coalbed methane sorption related to coal composition [J]. International Journal of Coal Geology, 1998(1)

[7] Zhang Y, Chi Y, Liu S, et al. Competitive adsorption/desorption of CO2/CH4mixtures on anthracite from China over a wide range of pressures and temperatures [J]. RSC Advances, 2016,101

[8] 周國(guó)慶, 姜堯發(fā), 高峰等. 陜西省子長(zhǎng)礦區(qū)晚三疊世 5 號(hào)煤層的煤巖煤質(zhì)特征[J]. 中國(guó)煤炭, 2015(1)

[9] Hodot B. B.煤與瓦斯突出[M].宋世釗,王佑安譯.北京：中國(guó)工業(yè)出版社,1961

[10] 陳向軍,劉軍,王林等.不同變質(zhì)程度煤的孔徑分布及其對(duì)吸附常數(shù)的影響[J].煤炭學(xué)報(bào), 2013 (2)

(責(zé)任編輯 郭東芝)

Research on coal pore characteristics and gas adsorption control mechanism in Pingdingshan mining area

Han Yong, Zhang Jin, Li Lu, An Yuehan

(School of Management, China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

In order to study characteristics of coal reservoir and gas occurrence in Pingdingshan mining area, coal reservoir characteristics of 6 coal samples were analyzed by low-pressure nitrogen gas adsorption method, and gas adsorption capacity of samples was tested, the influence of coal sample pore structure parameters on gas adsorption was analyzed. The research results showed that different coal samples had different pore characteristics and coal sample surface had obvious anisotropy; the micropores in coal samples were well-developed, and pore size distributions from adsorption analysis were multi-peak values; metamorphic grade (volatiles) had significant influence on micropores, and had little influence on small pores; The adsorption volume of gas mainly concentrated in micropores, and the adsorption capacities of different coal samples displayed remarkable difference. The Langmuir volume was only related to micropores, while the Langmuir pressure was determined by both micropores and small pores. The research results could provide theoretical basis for the gas control and utilization in Pingdingshan mining area.

reservoir characteristics, pore, gas, adsorption capacity, Pingdingshan mining area

中國(guó)博士后科學(xué)基金(2016M591288)

韓勇，張瑾，李璐等. 平頂山礦區(qū)煤孔隙特征及瓦斯吸附控制機(jī)理研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(5)：34-37，51. Han Yong, Zhang Jin, Li Lu, et al. Research on coal pore characteristics and gas adsorption control mechanism in Pingdingshan mining area[J]. China Coal, 2017,43(5):34-37，51.

TD712.2

A

韓勇(1969-)，男，漢族，山東肥城人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院管理科學(xué)與工程博士后，北京市首都發(fā)展研究所研究員，邦信資產(chǎn)管理公司董事、副總經(jīng)理(主持工作)，從事資產(chǎn)管理、上市公司、煤礦能源金融等方面的研究。