煤層軟硬分層吸附瓦斯性能差異性及其對瓦斯賦存的影響

程 波，張仰強，徐 斌，萬 宇

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤炭工業作為我國重要的基礎產業和能源供應主體產業，在改革開放的40年中發生了翻天覆地的變化，產業體系由落后走向現代化，年產量由6.2億t增長到35.2億t，供應保障能力得到跨越式提升，為社會經濟發展提供了重要支撐。煤與瓦斯突出是煤礦井下生產的一種自然災害，嚴重威脅著煤礦的安全生產[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，不僅會嚴重摧毀巷道設施，毀壞通風系統，而且使附近區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，甚至會造成煤塵和瓦斯爆炸等嚴重后果[2]。煤與瓦斯突出的力學作用機理認為，煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯壓力和煤體結構三者綜合作用的結果[2],突出的發生往往伴隨著軟煤的存在。因此，系統研究煤層內軟分層的物理力學與結構特性對開展煤與瓦斯突出的防治具有重要的現實意義。我國學者針對該問題已開展了大量的研究，琚宜文等[3]提出了軟煤結構與成因分類的方案；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構特征；許滿貴等[6-7]基于分形理論，分析了軟煤的微觀孔裂隙結構與連通情況及其對吸附特性的影響；劉彥偉等[8-9]分析了軟煤、硬煤吸附能力的差異性；趙發軍等[10]研究了軟煤、硬煤瓦斯擴散系數的動態演化規律；高保彬[11]、田敬[12]等分別研究了軟煤的聲發射特征與變壓吸附規律；陳結[13]、雷文杰[14]等分別研究了三軸應力下軟煤和硬煤對不同氣體的吸附變形特性與三軸壓縮條件下的瓦斯滲流特性。綜上所述，我國學者針對軟煤的結構[3-6]、吸附瓦斯能力[7-9]、瓦斯擴散系數演化規律等[10-14]，已進行了大量的研究，并獲得了豐碩的成果，在諸多的工程實踐中取得了較好的應用效果。但在諸多具有煤與瓦斯突出危險性的煤層中開展區域防突措施效果檢驗時，時常發現在相同的地點存在硬分層消突而軟分層未消突的現象。造成該種現象的原因除與煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的布孔工藝參數有關以外，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理與結構特性，并采集我國多個煤與瓦斯突出礦井的煤樣進行了吸附瓦斯性能參數的對比試驗，進一步分析了軟煤、硬煤吸附性能的差異性。在此基礎上，對煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能差異性與瓦斯賦存特征之間的關聯進行了研究，旨在為具有煤與瓦斯突出危險性的煤層實施科學有效的防突措施提供理論依據。

1 軟煤的形成機理及結構特征分析

一般認為，煤層內的軟分層是在成煤作用以后，受復雜的構造變化作用而形成的。構造應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、底板巖層間的滑動是造成煤層內軟煤呈現區域分布特性的主要因素，而斷層、褶皺、褶曲等構造是控制煤層內的軟煤局部分布的主控因素。

硬煤由于受構造變化作用的影響較小，因而其內部存在發育的原生裂隙，且主次裂隙的關系較為明顯。軟煤則截然不同，其內部的煤巖結構很難分辨，裂隙的發育程度遠低于硬煤。同時，由于軟煤的微孔較硬煤發育，且過渡孔所占的比例較高，因而致使其比表面積大于硬煤。軟煤與硬煤結構特征的差異勢必影響了其吸附瓦斯性能，故進一步開展煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能的分析有助于揭示軟煤對煤與瓦斯突出孕育過程的作用機理。

2 煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能的分析

2.1 試驗方法及設備

目前業界常用的煤吸附性能的試驗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靈敏的微量天平和一個壓力傳感器，可以直接測量吸附量，但是需要做浮力修正(浮力是無法直接測量的)。在重量分析法中，吸附質不能與溫度調節裝置直接相連，所以無論是低溫或高溫，都不容易控制和測量吸附質的真實溫度。高壓容量法是利用進入樣品管的總氣體量和自由空間中的氣體量的差值計算出吸附量。該種方法能夠達到真的平衡狀態，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行煤樣吸附性能的對比分析試驗，采用HCA高壓等溫吸附試驗裝置對煤樣進行等溫吸附曲線的測試。

試驗方法按照標準GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》中的要求，將采集的煤樣進行破碎、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行脫水處理；而后放入到吸附罐中，設定恒溫水浴的溫度為30 ℃，進行不同平衡瓦斯壓力條件下的吸附量測定。

2.2 試驗煤樣

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、河南平頂山礦區十礦10#煤層、重慶松藻礦區打通一礦K2煤層作為試驗煤樣。以上煤層均為具有煤與瓦斯突出危險煤層，經現場勘查發現，煤層內的軟、硬分層特征明顯。在采集軟、硬分層煤樣后，隨即送至實驗室進行吸附瓦斯性能與工業分析，以及孔隙率等參數的測試。

2.3 試驗結果及分析

試驗煤樣在不同平衡瓦斯壓力條件下吸附瓦斯量的測試結果如圖1所示。由圖1的試驗結果可通過數據擬合的方法得到煤樣的吸附瓦斯性能參數。吸附瓦斯性能參數的擬合結果與工業分析、孔隙率等參數見表1。

圖1 試驗煤樣吸附瓦斯量測定結果

表1 吸附瓦斯性能參數的擬合結果與工業分析、孔隙率等參數匯總

備注：a為極限吸附瓦斯量；b為瓦斯吸附常數；Mad為煤樣的水分；Aad為煤樣的灰分；Vdaf為煤樣的揮發分；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為煤的堅固性系數。

由表1可知，試驗煤樣軟分層極限吸附瓦斯量a的數值均大于硬分層，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關系[1]，因而使得軟分層煤樣極限吸附瓦斯量a的數值均大于硬分層。同時，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，其構造作用的強度大于另外2個礦井，不僅破壞、改造了原生煤的結構，還導致煤結構側鏈發生脫落，最終使得軟煤結構中的芳香稠環重新排列、缺陷逐漸減少[17]。因此，試驗中獐兒溝煤礦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的數值差異最為明顯。

瓦斯吸附常數b的數值大小反映了煤吸附瓦斯性能的強弱，其數值越大，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。該參數除與試驗溫度相關以外，還與相應溫度條件下的吸附與脫附的速率有關[18]。試驗中的溫度為恒定值，故煤樣吸附常數b呈現的差異性則僅與其自身的吸附與脫附的速率有關。試驗中，貴源煤礦9#煤層、打通一礦K2煤層軟分層煤樣吸附常數b的數值大于硬分層，這與二者極限吸附瓦斯量a的對比特征相同，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b的數值則小于硬分層。造成該種現象的原因與二者軟、硬分層的煤樣極限吸附瓦斯量a的數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#煤層構造作用的強度使得煤體支鏈化程度較大或者發生了脂環化作用，從而導致揮發分物質逐漸增多，軟分層煤中的大分子結構演化途徑產生畸變，軟分層煤的結構縮合度和有序度增加[12，17]，故在試驗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瓦斯賦存特征的影響，分別將試驗煤樣的軟、硬分層吸附瓦斯性能參數、工業分析與孔隙率參數值，代入到煤層瓦斯含量的計算方程中[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，試驗煤樣中，除打通一礦K2煤層瓦斯含量的差值相對較小以外，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、硬分層瓦斯含量數值的差異主要是由吸附量差值構成。將數據進行深入分析，計算得到試驗煤樣軟、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，該數值逐漸減小；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%內波動。

在煤層內形成軟煤后，隨著地質年代的推移，煤體內的瓦斯氣體將在層內壓力差的驅動下，由高壓區域流動至低壓區域。若將煤層按照傾向的方向進行切片，則在相同標高的地點，其煤層瓦斯壓力的數值應相同或趨于一致[1](閉合構造除外)。而構造作用使得煤體內軟、硬分層吸附性能呈現較為明顯的差異，故在相同的瓦斯壓力條件下，其分層的瓦斯含量數值極有可能呈現較大的差異。試驗煤樣中，當瓦斯壓力為0.74 MPa時，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]，煤的吸附作用對瓦斯的滲透特性有著極為明顯的阻滯作用。本文試驗結果表明，軟、硬分層的瓦斯吸附性能存在較為明顯的差異，因而煤體內瓦斯“吸附—脫附”的動態平衡因擾動而破壞后，軟、硬分層內的瓦斯運移特征亦不相同。煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能的差異不僅對煤層原始瓦斯賦存特征有著顯著的影響，同時還將影響煤巷掘進、瓦斯抽采過程中煤體內瓦斯流場的分布。因此，在煤礦井下的瓦斯災害治理過程中，應根據煤層軟、硬分層的組合特點，制訂切實有效的技術方案。

4 結論

1)試驗煤樣軟、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、硬分層瓦斯含量數值的差異主要是由吸附量差值構成；

3)煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能的差異不僅對煤層原始瓦斯賦存特征有著顯著的影響，同時還將影響煤巷掘進、瓦斯抽采過程中煤體內瓦斯流場的分布，應根據煤層軟、硬分層的組合特點，制訂針對性的瓦斯治理技術方案。