曲 闯，左宇军，于 迪，于美鲁，汪 泓，张 凯

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.三门峡龙王庄煤业有限责任公司，河南 三门峡 472400)

王庄煤矿不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附性能的研究

曲 闯1，左宇军1，于 迪2，于美鲁1，汪 泓1，张 凯1

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.三门峡龙王庄煤业有限责任公司，河南 三门峡 472400)

为研究不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附的影响，以山西沁水煤田王庄煤矿3号煤层为工程背景，测试了4种不同破坏类型煤样的瓦斯吸附性能；采用低温液氮吸附法分析了不同破坏类型煤样的孔隙结构特征，通过FHH公式计算了煤体孔隙分形维数，并针对不同变形破坏程度煤的结构差异性进行了对比分析。结果表明：不同破坏类型煤样的瓦斯吸附能力差异显著，煤样的Langmuir体积VL从24.34cm3/g增加到36.16cm3/g，煤体破坏程度的增加有利于瓦斯吸附；不同破坏类型煤样的孔隙结构差异显著，煤样中值孔径变化范围为13.54～28.37nm，总比表面积在0.389～0.965m2/g之间变化，分形维数值在2.389～2.682之间变化；总体来看，随煤体破坏程度的增加，煤孔径减小，孔比表面积增加，孔隙结构趋于复杂化，煤体拥有更强的吸附能力。

破坏类型；构造煤；孔隙结构；瓦斯吸附

地质构造活动会使得煤层结构发生变化，构造应力不仅能改变煤体的孔隙裂隙等物理结构性质，还能改变煤体的化学性质[1-2]。这种受地质构造作用而形成的构造煤在我国广泛分布。根据不同的破坏类型，可将构造煤划分为原生煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4个大类。煤与瓦斯突出与构造煤结构特征密切相关，对此，国内外学者从煤岩动力灾害防治角度出发开展了大量实验室及现场研究[3-4]。秦修陪等[5]通过压汞法针对不同变形程度的煤样，分析了构造变形作用对煤体孔隙结构特征的影响，发现煤体孔隙度、中值孔径和总孔容均随着构造变形程度加深而逐渐增大，构造作用使得煤中大孔和中孔增多,而微孔和过渡孔变化不明显。王军[6]结合低压氮气吸附和高压容量法研究了不同煤样的表面分形特征，发现随煤变质程度的增加，表面分形维数呈现先减小后增加的U型曲线。孟召平等[7]从构造煤的纳米级孔隙结构层面对比分析了煤层气吸附特性，通过实验得到煤的孔隙结构参数随煤体破坏程度的增加而增大，煤层气含量也相应增加。屈争辉等[8]认为应力-应变环境对煤结构演化具有重要影响，应力-应变作用不仅改变了煤体微观和宏观物理结构，也影响着煤中芳香结构演化，并且不同类型的应力-应变作用影响程度存在着较大差异。Song等人[9]采用二氧化碳和氮气吸附法研究中低阶构造煤微孔中孔结构及表面分形特征，发现随构造变形程度的增加，中孔比表面积主要由2～10nm的孔贡献，构造变形作用在一定程度上能够促进煤中的中孔向微孔转化。Yao 等人[10]运用扫描电镜、压汞法、微焦CT、低温液氮吸附等手段对韩城矿区构造软煤结构特性进行了综合表征，证实构造软煤的孔隙裂隙结构对瓦斯吸附能力具有显著影响。

煤层在不同构造应力作用下拥有不同的破坏类型，进而导致煤体结构差异显著，不同变形程度煤样所表现出来的瓦斯吸附性能也不尽相同。基于此，本文以山西沁水盆地王庄矿区二叠系下统山西组3号煤层为研究对象，对不同破坏类型煤样开展低温液氮吸附实验和甲烷等温吸附实验，系统分析不同破坏类型煤样的孔隙结构特征、吸附特性及其控制机理，对我国高阶构造煤矿区煤岩动力灾害的防治具有一定的参考意义[11-12]。

1 样品制备与测试

实验样品采自山西沁水煤田王庄煤矿二叠系下统山西组3号煤层，煤层厚度3.16～7.87m，平均煤厚6.1m，夹矸总厚度0～1.18m，夹矸结构较简单，以炭质泥岩为主；该煤层在空间上总体呈现南北厚、中间薄的分布状态。对于同一煤层而言，由于受局部构造应力的作用，通常含有不同破坏类型的煤样，这些煤样不但在力学性质上表现出显著差异性，而且在比表面积、孔容、孔径分布等物理结构参数上也明显不同。根据构造煤变形破坏程度，采集了4种不同破坏类型的构造煤，分别为原生煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。将采煤工作面新鲜煤样密封保存后运送至实验室，首先根据国标GB/ T 30050-2013对构造煤类型进行划分，煤的坚固性系数(f)依据国标GB/T 23561.12-2009进行测定，工业分析依照GB/ T 212-2008 测定，煤样的基本参数见表1。由表1可知，这4种煤样的挥发分在12.92%～16.01%范围内变化，煤种均为贫煤，但即使在同一煤层，受局部构造应力的影响，煤体的破坏程度也显然不同，坚固性系数变化范围较大，从0.24变化到1.20。

表1 煤样基本参数测定结果

利用美国TerraTek公司生产的ISO-300型等温吸附仪，采用高压容量法对不同破坏类型煤样进行瓦斯等温吸附实验，遵循国标GB/T19560-2004《煤的高压等温吸附试验方法》，设置的实验压力范围为0～6MPa，实验温度为25℃。采用低温液氮吸附法测试不同软硬煤的孔隙结构参数，所用仪器为美国康塔公司生产的AUTOSORB-1型物理吸附仪。选取筛分后粒径为0.18～0.25mm的煤样2～3g，采用“静态容量法”对所选煤样进行液氮吸附实验。吸附介质为温度77K、纯度99.999%的液氮，孔径测试范围为0.8～300nm。实验过程按照标准SY/T 6154-1995进行。为除去煤中各种杂质的影响，首先将煤样放入脱气站中进行真空脱气处理，将处理后的煤样放入装有液氮的杜瓦瓶中进行孔径分析测试，实验相对压力控制在0.050～0.995之间。根据不同压力下的氮气吸附数据，利用仪器自带的BET(Brunauer, Emmett Teller)多分子层气体吸附公式计算煤样的比表面积，然后利用BJH (Barret, Joyner and Halenda)数学模型计算得到煤样的孔径分布。

2 实验结果及分析

2.1 不同破坏类型煤样吸附特性

各破坏类型煤样的瓦斯吸附等温线如图1所示。由于煤体瓦斯吸附过程符合Langmuir单分子层吸附理论，在一定温度和压力条件下，可以利用Langmuir方程来描述，即

(1)

式中，Q为在压力P条件下的吸附量，cm3/g；VL为Langmuir体积，cm3/g，代表最大单分子层吸附能力；PL为Langmuir压力，MPa，代表气体吸附量达到Langmuir体积一半时对应的吸附压力；P为气体压力，MPa。

图1 不同破坏类型煤样瓦斯吸附等温线

通过Langmuir方程拟合得到的吸附参数VL和PL见表2。从图1和表2可以看出，在同一实验温度条件下，对不同破坏类型煤样的瓦斯吸附能力进行比较可发现，在0～0.5MPa的低压段，这4种煤样的吸附等温线基本重合，瓦斯吸附量差别不大；而随着吸附压力的升高，不同破坏类型煤样的瓦斯吸附量产生显著变化，糜棱煤的瓦斯吸附量最大，其次为碎粒煤和碎裂煤，原生煤的瓦斯吸附量最小；从原生煤到糜棱煤，这4种煤样的Langmuir体积VL从24.34cm3/g增加到36.16cm3/g，这说明煤体破坏程度的增加有利于瓦斯吸附。

表2 不同破坏类型煤样瓦斯吸附参数

2.2 不同破坏类型煤样孔结构特征

依据十进制孔隙分类方法可将孔隙分为：微孔(<10nm)、过渡孔(10～100nm)、中孔(100～1000nm)和大孔(>1000nm)。本文测试的4个不同破坏类型煤样的孔径范围为2～250nm，以微孔和过渡孔为主，部分为中孔。根据低温液氮吸附实验数据计算得到的孔结构参数如表3所示。从表3可看出，不同破坏类型煤样的孔隙结构差异显著，煤样中值孔径变化范围为13.54～28.37nm，总比表面积在0.389～0.965m2/g之间变化，其中，糜棱煤的中值孔径最小，而总比表面积最大。图2为不同破坏类型煤样孔径分布曲线图。从图2可看出，构造煤的累计孔比表面积和阶段孔比表面积在不同孔径段均明显大于原生煤，其中，糜棱煤为最大，其次为碎裂煤和碎粒煤，原生煤最小，这和瓦斯等温吸附实验中反映的煤体吸附能力的大小关系相一致。总体来看，从原生煤到糜棱煤，随煤体破坏程度的增加，煤孔径减小，孔比表面积增加，孔隙结构趋于复杂化。从图2(b)还可看出，所有煤样孔径分布峰值均在10～25 nm范围内，微孔所占总比表面积的比例始终大于50%(表3)，由此说明煤中微孔数量最多，其次为过渡孔和中孔，这和普遍认为的高阶煤孔隙以微孔为主的观点相符。

表 3 不同破坏类型煤样的孔隙结构参数

图2 不同软硬煤孔径分布曲线

2.3 不同破坏类型煤样孔隙分形特征

分形维数被广泛用于表征多孔介质表面的粗糙程度，一般采用Frenkel-Halsey-Hill (FHH)公式进行计算：

(2)

D=A+3

(3)

式中，V代表在平衡压力P下对应的气体吸附体积，cm3/g；Vm为单分子层吸附体积，cm3/g；A为拟合曲线的斜率；P0为气体饱和压力，MPa；C为拟合常数；D为分形维数。

图3为不同破坏类型煤样孔隙分形维数计算图，计算得到的各分形维数值见表4。由表4可以看出，拟合系数R2均大于0.95，表明采用FHH公式计算煤体孔隙分形是合理可信的。4种煤样的分形维数值在2.389～2.682之间变化，其中，糜棱煤分形维数值最大，碎裂煤和碎粒煤次之。说明煤体破坏变形程度由低到高的过程中，煤中的孔隙结构越来越复杂，煤体表面越来越粗糙。煤中孔隙数量的增多能为瓦斯吸附提供更多的空间，更利于瓦斯附着在孔隙表面，进而展现出来更强的吸附性能。王庄煤矿不同破坏类型的构造煤普遍发育，具有较好的瓦斯吸附能力，但由于糜棱煤、碎粒煤等高程度破坏变形煤的存在，其复杂的孔隙结构使得煤储层渗透性变差，不利于瓦斯抽放，是影响瓦斯灾害防治效果的主要因素。

图3 不同破坏类型煤样分形维数计算

煤样编号ADR2WZ1-0.6112.3890.979WZ2-0.5042.4960.958WZ3-0.3962.6040.991WZ4-0.3182.6820.983

3 结 论

(1)不同破坏类型煤样的瓦斯吸附能力差异显著；从原生煤到糜棱煤，这4种煤样的Langmuir体积VL从24.34cm3/g增加到36.16cm3/g，糜棱煤的瓦斯吸附量最大，其次为碎粒煤和碎裂煤，原生煤的瓦斯吸附量最小，说明煤体破坏程度的增加有利于瓦斯吸附。

(2)低温液氮吸附实验表明不同破坏类型煤样的孔隙结构差异显著，煤样中值孔径变化范围为13.54～28.37nm，总比表面积在0.389～0.965m2/g之间变化；其中，糜棱煤的中值孔径最小，而总比表面积最大；所有煤样孔径分布峰值均在10～25nm范围内，煤中微孔数量最多，其次为过渡孔和中孔，微孔所占总比表面积的比例始终大于50%。

(3)4种煤样的分形维数值在2.389～2.682之间变化，煤体破坏变形程度由低到高的过程中，煤中的孔隙结构越来越复杂，煤体表面越来越粗糙；煤中孔隙数量的增多能为瓦斯吸附提供更多的空间，更利于瓦斯附着在孔隙表面，进而展现出来更强的吸附性能。

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StudyonCoalTectonicDifferenceofDifferentFailureModeofWangzhuangCoalMineandIt’sGasAdsorption

QU Chuang1,ZUO Yu-jun1，YU Di2，YU Mei-lu1,WANG Hong1，ZHANG Kai1

(1.Mining School，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.Sanmenxia Longwangzhuang Coal Co.，Ltd.，Sanmenxia 472400，China)

In order to study coal tectonic difference under different failure mode and it’s gas adsorption，it taking the No.3 coal seam of Wangzhuang coal mine of Qinshui coal field in Shanxi province as background，gas adsorption of four different failure mode coal sample were measurement，the pore structure characters of different failure coal sample were analyzed by low temperature liquid nitrogen adsorption，and fractal dimension of coal mass pore was calculated by formula FHH，the structure difference of coal sample under different deformation and failure were compared.The results showed that gas adsorption ability of different coal sample were significantly difference for different failure model,the Langmuir volume VL increased from 24.34cm3/g to 36.16cm3/g，the coal failure degree increasing was benefit for gas adsorption，pore structure significantly difference for different failure mode coal sample，the variation range of median aperture of coal sample was 13.54～28.37nm，and variation range of total specific surface area was 0.389～0.965m2/g，fractal dimension variation from 2.389 to 2.682，on the whole ,with coal sample failure increasing，coal aperture decreasing，and specific surface area was increasing，pore structure was more and more complicated，and the adsorption ability of coal was more and more higher.

failure mode；tectonic coal；pore structure;gas adsorption

2017-08-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.022

国家自然科学基金项目(51574093，51774101)；国家“十二五”科技支撑项目课题(2012BAB08B06)；贵州省高层次创新型人才培养(百层次)项目(黔科合人才(2016)4011号)；贵州省应用基础研究计划重大项目课题(JZ字[2014]2005-1)

曲 闯(1989-)，男，河南南阳人，硕士研究生，研究方向为安全技术、煤与瓦斯突出等。

曲 闯，左宇军，于 迪，等.王庄煤矿不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附性能的研究[J].煤矿开采，2017，22(6)：88-91.

TD712

A

1006-6225(2017)06-0088-04

李青]