煤體變質程度對突出煤體吸附/解吸影響

＊楊紅紅

（山西安標檢驗認證有限公司 山西 030000）

煤體瓦斯突出，是指在采煤過程中，瓦斯突然噴出的一種現象，是一種危害性大、預防難度高的突發型災害。與其他類型的煤礦災害相比，瓦斯突出是一種破壞性高、死亡率高的災害，一旦在短時間內大量瓦斯突出，在遭遇明火后會迅速引發礦井爆炸，對礦井造成毀滅性破壞。為了保證井下安全，工作人員積極研究煤體變質程度以及孔隙結構，對于突出煤體的吸附/解吸特征所產生的影響。通過此項研究，有助于相關工作人員了解煤體、瓦斯突出災害的演化機理，為預防瓦斯、煤體突出災害提供理論支撐。

1.不同變質程度煤體吸附/解吸特點分析

(1)吸附特性分析

表1 煤樣采樣信息

從類型上看，吸附現象屬于一種煤體界面現象，是接觸面兩側有別于兩相中任意一相的性質所構成的區域。氣體分子通過物理吸附以及化學吸附兩種方式存留在固體物質表面上，瓦斯在煤體表面的吸附，是固體分子與氣體分子在相互作用力的影響下產生的一種吸附現象，因此屬于物理吸附[1]。

在相同的溫度條件下，研究人員利用單分子層模型方程，分別從大興煤礦、雙柳煤礦、楊柳煤礦、寺家莊煤礦、臥龍湖煤礦采集粒徑為0.2～0.25mm的煤樣，五種煤樣的變質程度各不相同，能夠很好地反映不同變質程度煤體的瓦斯吸附/解吸特征。

在30℃環境中進行吸附實驗，并對實驗數據進行擬合，得到五種煤樣等溫吸附曲線。

通過分析圖1可以發現，在實驗環境不變的情況下，五種煤樣的CH4等溫吸附數據變化趨勢基本相同。當壓力值較小時，瓦斯的吸附量增加幅度較大，而隨著壓力的增加，煤體內瓦斯吸附增加幅度逐步變小，大興煤樣與雙柳煤樣等溫吸附曲線隨著壓力的增加，瓦斯吸附減少，且基本保持線性變化趨勢[2]。但其吸附能力減少的幅度要明顯弱于寺家莊煤樣以及臥龍湖煤樣，寺家莊煤樣與臥龍湖煤樣的吸附曲線，存在一個明顯的臨界值，在臨界值前后，其瓦斯吸附能力與壓力變化之間的關系存在顯著差別。

圖1 五種煤樣CH4等溫吸附曲線

從瓦斯吸附量角度來看，本次實驗所采集到的五種煤樣中，寺家莊煤樣與臥龍湖煤樣的瓦斯吸附能力最為突出，在其他條件不變的情況下，寺家莊煤樣在4.5MPa條件下的瓦斯吸附量達到36mL/g，臥龍湖煤樣在4.5MPa條件下瓦斯吸附量達到40mL/g，遠高于其他三組煤樣。使用Langmuir單分子層模型對五組數據進行擬合，能夠得到兩個吸附常數值a、b，依據常數a與b能夠反映出不同類型、不同變質程度的煤樣對于瓦斯的吸附能力（詳見表2）[3]。

表2 五種煤樣吸附常數

(2)解吸特性分析

采煤活動會改變地下煤層結構，原本煤體孔隙結構中瓦斯與煤炭的吸附/解吸動態平衡會被打破，導致處于吸附狀態的瓦斯減少，處于游離狀態的瓦斯增多，這個變化過程被稱為瓦斯的解吸。

研究人員對粒徑0.2～0.25mm的五種不同煤樣進行解吸實驗，在壓強不變的情況下持續解吸120min，并將得到的五組數據換算為標準壓力狀態下煤體的解吸數據（如圖2所示）。

圖2 120min瓦斯解吸曲線

通過分析圖2可以發現，變質程度各不相同的五種煤樣，在不同壓力環境下，解吸開始階段其內部瓦斯含量較高，瓦斯解吸的速率較快，而伴隨著解吸量的快速增加，解吸曲線迅速上升。與此同時，煤樣中的瓦斯濃度逐漸降低，隨著時間的推移，五種煤樣的瓦斯解吸速率均開始降低，瓦斯解吸曲線也趨于平緩，在達到某一臨界點之后轉入平臺期[4]。

例如，當煤樣處于2MPa條件下，五種煤樣的瓦斯解吸區域變化情況存在差異，大興、雙柳、楊柳、寺家莊這四種煤樣進行120min解吸實驗之后，雖然解吸速率變低，但是瓦斯的解吸總量仍在不斷增加，臥龍湖煤樣的實驗結果與上述四組數據差異很大，在結束120min解吸實驗之后，其瓦斯解吸量接近飽和，當達到飽和狀態之后，其解吸速率不再變化，進入平臺期。通過進一步的分析可以發現，造成臥龍湖煤樣這種解吸特點的主要原因，在于臥龍湖煤樣中擁有大量開放性孔隙結構，由于孔隙結構具有開放性，導致其內部吸附的瓦斯會在很短的時間內轉變為游離狀態。

針對大興煤樣在不同壓力條件下瓦斯解吸能力進行分析，在不同壓力環境中，大興煤樣瓦斯解吸曲線具有一定的相似性，其區別主要體現在瓦斯的初始解吸量方面。大興煤樣的初始壓力與解吸量之間存在正相關關系，初始壓力越大其瓦斯解吸量越大[5]。產生這一現象的主要原因，在于瓦斯解吸初期，煤樣孔隙結構中原本處于吸附狀態的瓦斯，快速轉為游離狀態，隨著瓦斯的溢出，有源源不斷的瓦斯填充孔隙結構，因此在開始的一段時間內，瓦斯濃度會保持高水平，這種狀態下，瓦斯的解吸速率較快，解吸量大。

實際發生的煤體與瓦斯突出事故中，瓦斯與煤體的突出只會保持幾十秒，因此對于煤體初始瓦斯解吸量的分析，對于預防煤體、瓦斯突出事故具有很高的價值。通過對五組煤樣在不同壓力條件下1min與120min解吸實驗數據的分析，發現相同的煤樣在不同壓力條件下，壓力越大其初始解吸速率越高，代表著出現瓦斯、煤體突出事故的概率越大。

(3)突出煤體瓦斯擴散特征

煤體孔隙結構中瓦斯的吸附以及解吸變化，主要發生在孔徑不超過10nm的孔隙結構中，作為描述煤體中瓦斯擴散過程的重要參數，計算煤體擴散系數成為了判斷煤層滲透性以及處于游離狀態瓦斯含量的重要一環。

在數學層面可以利用公式計算多孔結構內氣體的擴散能力：

式中，變量J為氣體在多孔隙介質中的擴散流動量，單位為kg/(m2·s)；D代表氣體的擴散系數，可以用變量D代表瓦斯擴散速率，單位為m2/s；cgas為瓦斯擴散組分濃度；lh為瓦斯擴散距離；?cgas/?lh則代表瓦斯濃度梯度。公式中的負號代表瓦斯的濃度梯度與擴散通量方向相反，即二者存在反比例關系。

利用公式（1）可以推導出瓦斯擴散方程，假設濃度與瓦斯擴散系數之間不存在關聯，則可以得出擴散方程的一維表達式：

煤炭是一種結構十分復雜的多孔介質，為了在實驗室環境中對煤體中氣體運動規律進行分析，需要對樣品以及實驗條件進行一些假設：①樣品中的煤屑分布均勻，由具有規則輪廓的細小顆粒組成。②該介質內的瓦斯流動具有連續性且符合質量守恒定律。從理論層面來看，可以將煤體中瓦斯的擴散運動理解為氣體物質在半徑固定的球體中的運動，如果該假設成立，可以運用菲克定律解析式分析瓦斯在煤體孔隙結構中的擴散特征。

式中，Q∞代表多孔介質的極限解吸量；為煤炭顆粒中瓦斯的解吸率；rc為煤炭顆粒的半徑；De=D/rc2代表有效擴散系數。

以公式（3）作為基礎，使用Origin軟件對五組煤樣的瓦斯擴散數據進行擬合，得出在不同壓力條件下，不同變質程度的煤樣擴散系數。

2.變質程度對突出煤體吸附/解吸影響

隨著時代的變遷，煤體變質在持續且緩慢地進行，在變質作用的影響下，大量低階煤轉變為高階煤。在此過程中，煤體對于其內部瓦斯氣體的吸附能力，會隨著變質程度的變化而改變，導致不同變質程度的煤體其瓦斯吸附能力存在很大差異[6]。在研究該問題過程中，最大鏡質組反射率（Ro）成為判斷煤體變質程度的主要參數。研究人員根據最大鏡質組反射率與吸附常數a與b的關系，繪制曲線圖（如圖3所示）。

通過分析圖3可以發現，如果Ro的數值不高于1.4，吸附常數a與Ro之前為正相關關系，Ro值越大a值越大；常數b與Ro也存在正相關關系。當Ro值超過3，常數a值略微下降，從此刻開始a值會呈現出“V”字型走勢；常數b則會呈現出明顯的“八”字型走勢。這就證明煤體變質程度越高，則Ro值會越大，這就代表伴隨著煤體變質程度的加深，其吸附瓦斯的極限量會先呈現上升趨勢，達到50%極限吸附量的壓力值會呈現出先升高后降低的趨勢，這就代表煤體的瓦斯吸附能力會隨著煤體變質程度的提高，出現先提高后降低的變化特點。

圖3 最大鏡質組反射率與煤體吸附常數關系圖

3.結語

煤體瓦斯突出事故具有高破壞力、高隱蔽性的特點，對于煤礦安全生產帶來巨大的挑戰。針對這一問題，相關研究人員在實驗室對五組變質程度不同的煤樣進行分析，通過實驗論證煤體變質程度與其吸附/解吸能力之間的關系。實驗證明，在變質作用的影響下，煤體會逐步由低階煤轉變為高階煤，而與中階煤相比，高階煤與低階煤的瓦斯解吸能力更強，且擴散能力更強，一旦其吸附/解吸的平衡被打破，發生變質的煤體孔隙結構中的吸附瓦斯會快速轉變為游離瓦斯，進而造成瓦斯突出事故，通過上述實驗為煤體瓦斯突出事故的監測與預防提供理論、數據支撐。