软硬煤瓦斯扩散特性及差异性研究

2020-07-18李薛强

煤 2020年7期

李薛强

(晋城煤业集团晋圣公司，山西晋城 048006)

煤体是一种双重孔隙结构，即具有孔隙-裂隙结构[1]，孔隙-裂隙是煤层瓦斯赋存的场所。煤层瓦斯含量的80%处于吸附态[2]，加速吸附态向游离态的转变对开采煤层瓦斯至关重要。然而在同一煤层中软硬煤共存是一种常见的现象，软硬煤瓦斯扩散的差异性与施工瓦斯抽采钻孔的数量、间距紧密相关。

毋耀凯[3]基于低温液氮吸附实验对软硬煤孔隙结构分形特征进行了研究，结果表明在高压段，软煤的分形维数大于硬煤的分形维数，在低压段，软煤的分形维数小于硬煤的分形维数；马雄伟[4]对软硬煤的吸附模型进行了适应性研究，结果表明，Langmuir公式的适用性较好，Freundlich公式的适用性较差；邢萌等[5]通过高压容量法对软硬煤的吸附特性进行了研究，结果表明构造作用使微孔的含量增加，比表面积增加，软煤的吸附量大于硬煤的吸附量；郝凯[6]对软硬煤的瓦斯扩散系数进行了研究，结果表明，软煤的瓦斯扩散系数大于硬煤。

为了弄清软硬煤瓦斯扩散特性的差异性，本文从实验的角度对软硬煤扩散特性的差异性进行研究，其中差异性包括扩散量的差异性，扩散率的差异性，扩散系数的差异性。研究结果为软硬煤的瓦斯防治提供科学的理论指导。

1 煤样的采集及实验方法

1.1 煤样的采集

实验煤样取自河南焦作九里山矿及山西某矿，按照中华人民共和国国家标准《煤层煤样采取方法》(GB/T482-2008)在井下工作面分别采集了新鲜煤样并密封保存后送至实验室。将煤样分别制作成粒径为60～80目及1 ～3 mm的煤样，其中粒径为60～80目的煤样用于工业分析、吸附常数及扩散特性测试，粒径为1～3 mm的煤样用于孔隙率测试。实验煤样的视密度、真密度、水分、灰分及挥发分测试结果如表1所示。实验煤样的吸附常数按照中华人民共和国国家标准煤的高压容量法进行测试，不同平衡压力下的吸附量如图1所示，实验煤样的吸附常数如表2所示。由图1可知，吸附量随着平衡压力的增加而增加，同一平衡压力下软煤的吸附量大于硬煤的吸附量，软煤的吸附常数a值大于硬煤的吸附常数a值。

表1 实验煤样的基础参数测试结果

表2 实验煤样的吸附常数测试结果

1.2 实验方法

采用自制的吸附解吸实验平台(如图2所示)进行软硬煤的扩散特性测试，测试方法如下：

图2 吸附解吸实验平台

1) 将一定质量干燥后的煤样装入煤样罐中，拧紧煤样罐，进行检验系统的气密性；

2) 系统不漏气后，打开真空泵对吸附系统进行抽真空，直至系统的真空度达到30 Pa以下；

3) 打开高压甲烷瓶的阀门，向参考罐中充入一定量的甲烷气体，关闭参考罐的阀门；

4) 打开阀门(6)，采用参考罐向煤样罐中充入一定量的甲烷气体，进行吸附，吸附一段时间后，如果煤样罐的压力未达到吸附平衡压力，则继续向煤样罐中充入甲烷气体，直至达到预定的吸附平衡压力；

5) 吸附平衡后，打开阀门(7)释放出管路中的游离气体，然后进行解吸，每间隔一定的时间，记录一次，直至解吸完毕。

2 软硬煤的解吸量测试结果及差异性分析

2.1 软硬煤解吸量的差异性

采用吸附解吸实验装置对软硬煤的解吸量进行测试，软硬煤的解吸量测试均在吸附平衡压力1.5 MPa条件下进行，测试结果如图3所示。由图3可知，解吸量随着时间的增加而增加，软煤的解吸量大于硬煤的解吸量，说明软煤的孔隙连通性优于硬煤的孔隙连通性。解吸量与时间满足孙重旭式，因此可采用孙重旭式进行拟合，拟合曲线如图3所示，拟合参数如表3所示，拟合效果较好。