李润泽 刘 飞

（1.长治三元中能煤业有限公司，山西 长治 046000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

煤的瓦斯解吸能力受煤体的孔隙结构影响，尤其是受微孔结构影响，部分甲烷气体不能完全解吸，不同结构煤在不同吸附平衡压力条件下其吸附-解吸甲烷的能力差异明显[1]，本文针对这一问题展开研究。

1 实验煤样选取

在本文研究过程中在中能煤业内采取了多组3号煤层样品，采样区域包含构造区域和非构造区域，采集的煤样破坏类型包含从Ⅲ类～Ⅴ类。样品详细情况见表1。

表1 等温吸附-解吸实验及瓦斯放散实验煤样信息

2 实验室实验及数据采集

2.1 高压气体等温吸附-解吸实验

本次对中能煤业3 号煤层不同吸附平衡压力下的吸附-解吸规律研究，主要通过等温高压吸附-解吸实验进行[2]，利用美国康塔公司Isorb-HP2 高压吸附仪，在室温30℃条件下进行等温吸附实验，并在实验室等温饱和吸附基础上进行等温解吸实验。

2.2 实验数据分析

本次在高压吸附-解吸实验中选择了G1、G2和G6 煤样进行分析，上述煤样分别代表了Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ类破坏类型构造煤，通过美国康塔公司产品Isorb-HP2 高压等温吸附仪，采用上述实验煤样（0.20～0.25 mm），匀速气压加载和卸载（10 kPa/min）完成吸附-解吸实验，结果见图1。

图1 等温吸附解吸曲线图

随着压力的加载-卸载，G1、G2、G6 等3 个煤样的吸附-解吸曲线均表现出了一定分歧，即出现了吸附-解吸迟滞现象。其中，G1 和G2 煤样的等温吸附曲线和等温解吸曲线基本重合，仅在吸附平衡压力1.5 MPa 以下时出现了一定分歧，并且吸附和解吸的差异较小，迟滞现象不明显；而G6 煤样的等温吸附曲线和等温解吸曲线差异十分明显，在吸附平衡压力5 MPa 以下，两条曲线之间就出现了明显的分叉，相同吸附平衡压力条件下，解吸量明显高于吸附量。

3 3 号煤层吸附-解吸特性分析

3.1 吸附特性

煤的孔隙结构与分布是研究瓦斯解吸的基础，不同煤样对甲烷气体的吸附特性主要受煤体微观孔隙结构控制[3]，对于同一煤层，即使是相同矿井内的煤层，受构造影响其孔隙结构也会存在一定差异，因此其吸附特性也不完全相同[4-6]。

为进一步分析煤样的吸附特性，根据等温吸附实验数据，以吸附平衡压力为X 轴、吸附瓦斯量为Y 轴，绘制了等温吸附数据散点图（图2），利用Langmuir 公式，拟合实验数据。煤层气体吸附气量与压力的关系，可由Langmuir 于1918 年提出的等温吸附方程表示：

图2 不同煤样的极限瓦斯吸附量计算图

式中：Vp为P压力下的吸附气量，m3/t；VL为兰氏体积，m3/t；P为吸附平衡压力，MPa；PL为兰氏压力，MPa。

国内瓦斯领域在计算煤的极限吸附瓦斯量时，常对Langmuir 方程做如下变化：

式中：Q为P压力下的吸附气量，Q=Vp，m3/t；a为极限瓦斯吸附量，m3/t；b为二分之一极限瓦斯吸附量对应的吸附平衡压力的倒数。

利用公式（2）对图2 中的数据点进行拟合。根据本次计算结果，各煤样极限瓦斯吸附量为23.388～26.176 m3/t。其中G1 煤样的极限瓦斯吸附量为26.175 78 m3/t，明显高于G2 和G6 煤样；G2煤样的极限瓦斯吸附量为23.815 m3/t，大于G6 煤样的极限瓦斯吸附量23.388 27 m3/t。综合上述分析，可知中能煤业3 号煤层的吸附能力存在G1 ＞G2＞G6 的趋势，即随着煤破坏程度的增高，吸附能力也相应提高。

3.2 解吸特性

瓦斯解吸是瓦斯吸附的逆过程，与之相似的是不同煤体瓦斯解吸特征也与其煤体微观孔隙结构密切相关[7-8]。本次吸附-解吸实验的3 个煤样均来自中能煤业3 号煤层，G1、G2 和G6 等煤样来自井田范围内不同的区域，分别为Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ类构造煤，煤体破坏类型的不同导致其孔隙结构特征也具有一定差异，受此影响不同煤样的解吸特性不同。通过吸附-解吸实验获取的等温解吸曲线（图3）和等温解吸数据（表2）也证明了这一点。

图3 不同煤样的等温解吸曲线图

表2 等温解吸实验数据

为了与吸附过程有所区别，将利用解吸数据求取的兰式压力PL称为解吸兰式压力，并对式（1）进行了如下变换：

为进一步分析煤样的解吸特性，根据等温解吸实验数据，以Vp/P为X 轴、Vp 为Y 轴，绘制了等温解吸数据散点图（图4）。将公式（3）看作直线方程，其中VL为截距，PL为直线的斜率。利用公式（3）对图中的数据进行回归分析，计算了不同煤样的兰式压力。根据本次计算结果，中能煤业3号煤层的解吸兰式压力为0.371 66～0.660 14 MPa。其中G1 煤样的解吸兰式压力为0.660 14 MPa，明显高于G2 和G6 煤样；G2 煤样的解吸兰式压力为0.597 24 MPa，大于G6 煤样的解吸兰式压力0.371 66 MPa。对于等温吸附过程而言，兰式压力越小，瓦斯越容易被煤层所吸附；而对于瓦斯解吸过程来说，则正好相反，解吸兰式压力越大，瓦斯越容易随着压力降低而从煤层中解吸出来。

图4 不同煤样的解吸兰式体积计算图

综合上述分析，可知中能煤业3 号煤层的解吸能力存在G1 ＞G2 ＞G6 的趋势，即随着煤破坏程度的增高，解吸能力也相应提高，在相同吸附平衡压力下可以解吸出更多瓦斯。

4 结论

（1）经实验并对实验数据进行分析，中能煤业3 号煤层极限瓦斯吸附量为23.388～26.176 m3/t。其中G1 煤样的极限瓦斯吸附量为26.175 78 m3/t，明显高于G2 和G6 煤样；G2 煤样的极限瓦斯吸附量为23.815 m3/t，大于G6 煤样的极限瓦斯吸附量23.388 27 m3/t。得出中能煤业3 号煤层的吸附能力存在G1 ＞G2 ＞G6 的趋势，即随着煤破坏程度的增高，吸附能力也相应提高。

（2）经过实验并对实验数据进行分析，中能煤业3 号煤层的解吸兰式压力为0.371 66～0.660 14 MPa。其中G1 煤样的解吸兰式压力为0.660 14 MPa，明显高于G2 和G6 煤样；G2 煤样的解吸兰式压力为0.597 24 MPa，大于G6 煤样的解吸兰式压力0.371 66 MPa。对于等温吸附过程而言，兰式压力越小，瓦斯越容易被煤层所吸附；而对于瓦斯解吸过程来说，则正好相反，解吸兰式压力越大，瓦斯越容易随着压力降低而从煤层中解吸出来。得出中能煤业3 号煤层的解吸能力存在G1 ＞G2 ＞G6 的趋势，即随着煤破坏程度的增高，解吸能力也相应提高，在相同吸附平衡压力下可以解吸出更多瓦斯。