軟硬煤瓦斯擴散特性及差異性研究

2020-07-18 12:48:02李薛強

煤 2020年7期

李薛強

(晉城煤業集團晉圣公司，山西晉城 048006)

煤體是一種雙重孔隙結構，即具有孔隙-裂隙結構[1]，孔隙-裂隙是煤層瓦斯賦存的場所。煤層瓦斯含量的80%處于吸附態[2]，加速吸附態向游離態的轉變對開采煤層瓦斯至關重要。然而在同一煤層中軟硬煤共存是一種常見的現象，軟硬煤瓦斯擴散的差異性與施工瓦斯抽采鉆孔的數量、間距緊密相關。

毋耀凱[3]基于低溫液氮吸附實驗對軟硬煤孔隙結構分形特征進行了研究，結果表明在高壓段，軟煤的分形維數大于硬煤的分形維數，在低壓段，軟煤的分形維數小于硬煤的分形維數；馬雄偉[4]對軟硬煤的吸附模型進行了適應性研究，結果表明，Langmuir公式的適用性較好，Freundlich公式的適用性較差；邢萌等[5]通過高壓容量法對軟硬煤的吸附特性進行了研究，結果表明構造作用使微孔的含量增加，比表面積增加，軟煤的吸附量大于硬煤的吸附量；郝凱[6]對軟硬煤的瓦斯擴散系數進行了研究，結果表明，軟煤的瓦斯擴散系數大于硬煤。

為了弄清軟硬煤瓦斯擴散特性的差異性，本文從實驗的角度對軟硬煤擴散特性的差異性進行研究，其中差異性包括擴散量的差異性，擴散率的差異性，擴散系數的差異性。研究結果為軟硬煤的瓦斯防治提供科學的理論指導。

1 煤樣的采集及實驗方法

1.1 煤樣的采集

實驗煤樣取自河南焦作九里山礦及山西某礦，按照中華人民共和國國家標準《煤層煤樣采取方法》(GB/T482-2008)在井下工作面分別采集了新鮮煤樣并密封保存后送至實驗室。將煤樣分別制作成粒徑為60～80目及1 ～3 mm的煤樣，其中粒徑為60～80目的煤樣用于工業分析、吸附常數及擴散特性測試，粒徑為1～3 mm的煤樣用于孔隙率測試。實驗煤樣的視密度、真密度、水分、灰分及揮發分測試結果如表1所示。實驗煤樣的吸附常數按照中華人民共和國國家標準煤的高壓容量法進行測試，不同平衡壓力下的吸附量如圖1所示，實驗煤樣的吸附常數如表2所示。由圖1可知，吸附量隨著平衡壓力的增加而增加，同一平衡壓力下軟煤的吸附量大于硬煤的吸附量，軟煤的吸附常數a值大于硬煤的吸附常數a值。

表1 實驗煤樣的基礎參數測試結果

表2 實驗煤樣的吸附常數測試結果

1.2 實驗方法

采用自制的吸附解吸實驗平臺(如圖2所示)進行軟硬煤的擴散特性測試，測試方法如下：

圖2 吸附解吸實驗平臺

1) 將一定質量干燥后的煤樣裝入煤樣罐中，擰緊煤樣罐，進行檢驗系統的氣密性；

2) 系統不漏氣后，打開真空泵對吸附系統進行抽真空，直至系統的真空度達到30 Pa以下；

3) 打開高壓甲烷瓶的閥門，向參考罐中充入一定量的甲烷氣體，關閉參考罐的閥門；

4) 打開閥門(6)，采用參考罐向煤樣罐中充入一定量的甲烷氣體，進行吸附，吸附一段時間后，如果煤樣罐的壓力未達到吸附平衡壓力，則繼續向煤樣罐中充入甲烷氣體，直至達到預定的吸附平衡壓力；

5) 吸附平衡后，打開閥門(7)釋放出管路中的游離氣體，然后進行解吸，每間隔一定的時間，記錄一次，直至解吸完畢。

2 軟硬煤的解吸量測試結果及差異性分析

2.1 軟硬煤解吸量的差異性

采用吸附解吸實驗裝置對軟硬煤的解吸量進行測試，軟硬煤的解吸量測試均在吸附平衡壓力1.5 MPa條件下進行，測試結果如圖3所示。由圖3可知，解吸量隨著時間的增加而增加，軟煤的解吸量大于硬煤的解吸量，說明軟煤的孔隙連通性優于硬煤的孔隙連通性。解吸量與時間滿足孫重旭式，因此可采用孫重旭式進行擬合，擬合曲線如圖3所示，擬合參數如表3所示，擬合效果較好。