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陈刘瑜1,2,3，李希建1,2,3，毕 娟1,2,3，刘 钰1,2,3
(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学 瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州 贵阳 550025)
摘 要：为揭示贵州构造煤与原生结构煤解吸初期特性，以黔北兴隆矿构造煤与原生结构煤进行不同温压条件下的吸附/解吸试验，绘制累积瓦斯解吸量与时间的关系图；对比分析温压特性对构造煤和原生结构煤解吸初期的影响。结果表明：构造煤与原生结构煤累积瓦斯解吸量随时间单调递增；同时段内，温度越高瓦斯解吸总量越大，解吸前60 s的解吸量及解吸速率越大，压力越高，解吸速率越大，其增量随时间呈衰减态势，解吸量和解吸压力呈正相关；构造煤的瓦斯解吸初速度、0～60 s的解吸量和60 s以后的解吸速率衰减程度均大于原生结构煤；60～1 800 s内原生结构煤解吸量大于构造煤；1 800～7 200 s内原生结构煤解吸速率及解吸总量大于构造煤，解吸速率衰减程度比构造煤慢；随着解吸温度和瓦斯压力增大，原生结构煤超过构造煤的解吸量随之增大。
关键词：温压特性；构造煤；原生结构煤；解吸初期特征
中图分类号：TD712
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)02-0107-07
CHEN Liuyu1,2,3,LI Xijian1,2,3,BI Juan1,2,3,LIU Yu1,2,3
(1.Mining College, Guizhou University, Guiyang 550025，China;2.Engineering Center for Safe Mining Technology Under Complex Geologic Condition, Guiyang 550025, China;3.Institute of Gas Disaster Prevention and Coalbed Methane Development of Guizhou University, Guiyang 550025, China)
Abstract:This paper is devoted to reveal the initial desorption characteristics of tectonic coal and primary structural coal in Guizhou.The adsorption and desorption experiments of tectonic coal and primary structural coal of Xinglong Mine in northern Guizhou have been carried out under different temperatures and pressures. The relationship between accumulated gas desorption capacity and time is illustrated. The influence of temperature and pressure on initial desorption of tectonic coal and primary structural coal is then analyzed. The results show that the cumulative desorption capacity of tectonic coal and primary structural coal increases with time. In the same period, greater total gas desorption capacity is associated with higher temperature. Greater desorption capacity and desorption rate within 60 seconds before desorption are associated with higher temperature as well. Similarly, the desorption rate increases as the pressure increases and the increasing rate decreases with time. The results also show that the desorption capacity is proportion to the desorption pressure. The tectonic coal is greater than the primary structural coal in initial desorption velocity,desorption capacity within the first 60 seconds, and decrease of desorption rate after 60 seconds. However, the primary structural coal is larger than the tectonic coal in desorption capacity between 60 and 1 800 seconds. Desorption rate and total desorption capacity of the primary structural coal are higher than desorption rate and total desorption capacity of the tectonic coal between 1 800 and 7 200 seconds while decrease of desorption rate of the primary structural coal is slower than that of the tectonic coal. Moreover, the desorption capacity difference between the primary structured coal and the tectonic coal increases with the increases of desorption temperature and gas pressure.
Key words:temperature-pressure characteristics; tectonic coal; primary structural coal; characteristics of initial desorption
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陈刘瑜，李希建，毕 娟，等.黔北构造煤与原生结构煤解吸初期特征研究[J].煤炭科学技术,2019,47(2)：107-113.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.018
CHEN Liuyu,LI Xijian,BI Juan,et al.Study on characteristics of initial desorption of tectonic coal and primary structural coal in northern Guizhou[J].Coal Science and Technology，2019，47(2)：107-113.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.018
收稿日期：2018-09-12；
责任编辑：王晓珍
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51874104)；贵州省科技计划资助项目(黔科合平台人才[2018]5781号)；贵州省教育厅资助项目(黔教合KY字[2013]112)
作者简介：陈刘瑜(1991—)，男，贵州毕节人，硕士研究生。Tel：18708576470，E-mail：1533941266@qq.com
通讯作者：李希建(1967—), 男,湖南张家界人，教授，博士生导师。E-mail: 575914635@qq.com
贵州省属于煤与瓦斯突出事故严重省份，独特的地质构造环境导致该地区煤层赋存条件复杂，造成煤与瓦斯突出现象严重[1]。研究表明该区域突出大多发生于地质构造带，区域突出危险性与地质构造密切相关[2-4]。而贵州地区的煤多数经历复杂的构造演化，普遍发育构造煤，这也是该区域煤矿多为突出矿井，煤层瓦斯含量大，煤与瓦斯突出严重的重要原因[5-7]。因此研究构造煤与原生结构煤的解吸初期特征对贵州煤矿瓦斯防治意义重大。
构造煤是原生结构煤在构造应力作用下发生挤压破坏、剪切变形或流变迁移等结构变化，甚至化学成分也发生明显变化的次生结构煤(采矿工程称“软煤”)。此类煤存在低强度、高吸附、快放散和低渗透等特性，常作为记录地应力作用和预测煤与瓦斯突出的标志[8-9]。前人对构造煤的研究多集中于煤体孔隙结构对瓦斯吸解特性的影响[4,10-13]，以及构造煤中瓦斯吸附、解吸、扩散和渗流特性分析[14-17]。目前虽然认识到可以利用构造煤瓦斯吸附/解吸规律对煤与瓦斯突出进行预测，但对于构造煤解吸初期特征的认识仍然具有一定局限性，并且针对贵州复杂地质条件下温压特性对构造煤和原生结构煤的解吸初期特征试验研究甚少。
鉴于此，以黔北习水县兴隆煤矿的构造煤和原生结构煤为研究对象，采用HCA型瓦斯吸附仪在不同瓦斯解吸温度和压力作用下进行试验研究，测出构造煤与原生结构煤的累积瓦斯解吸量随时间的变化关系，按照解吸初期时间变化对比分析温压作用对构造煤与原生结构煤瓦斯吸解规律，以期为贵州地区矿井瓦斯灾害防治及煤层气开采利用等提供理论指导。
试验采集煤样来自黔北习水县兴隆煤矿1802运输巷约258 m处的原生结构煤(硬煤)以及1802回风巷约149 m的断层带(正断层H=1.5 m∠55°，H=2.5 m∠45°)处构造煤(新鲜煤样)。该矿区地质构造复杂，煤层顶底板矸石混入煤体中，顶底板岩石均为泥岩或砂质泥岩，易破碎、易风化、煤样有吸附瓦斯量大且煤质较松软等特点。分别测试煤样的工业分析、真密度、视密度、瓦斯放散初速度P、瓦斯扩散初速度D及破坏程度等参数(表1)。将煤样粉碎，筛选出平均粒径为177～250 μm的煤颗粒，用分析天平分别称取构造煤与原生结构煤(按每份煤样50 g)装入干燥罐中压实密封作为试验样品。
表1 煤样参数
Table 1 Coal sample parameters
试验采用HCA型高压容量瓦斯吸附仪(图1)测定瓦斯吸附/解吸参数。
图1 HCA型瓦斯吸附仪示意
Fig.1 Schematic diagram of HCA gas adsorption instrument
吸附过程：首先，向煤样罐中充入4 MPa的高压瓦斯并置于水中以检查装置气密性；放掉高压瓦斯，真空脱气至真空度小于4 Pa后连续抽真空至少4 h；最后，调节恒温水浴温度至25 ℃，向充气罐中充入纯度为99.99%的甲烷，煤样罐中煤样充分吸附甲烷12 h以上从甲烷压力数据采集仪上观察罐内瓦斯压力变化小于0.05 MPa时则认为煤样瓦斯达到吸附平衡。解吸过程为：①将恒温水浴温度(即解吸温度)分别调至20、30、40 ℃，瓦斯平衡压力为1.5 MPa，当恒温水浴温度达到设置点并保持稳定后，开始进行如下操作：抬高水平瓶，将瓦斯排出，水平瓶液面与量筒液面齐平，均在零刻度线；将煤样罐与量筒连接，打开煤样罐和量筒阀门，迅速放出煤样罐中游离瓦斯，观察瓦斯数据采集仪，当罐内瓦斯压力降至0时，关闭煤样罐和量筒阀门，连接煤样罐与另一个量筒，打开阀门，同时按下秒表记录数据。②将解吸平衡温度调至25 ℃，分别将瓦斯平衡压力调至为0.74、1.5、3 MPa下进行试验。操作和①相同。③计时及试验规则为第60 s，每10 s记录一次量筒瓦斯解吸量，第120 s开始，每60 s记录一次数据，1 800 s开始，每300 s记录一次数据，3 600 s以后，每600 s记录一次数据，直到7 200 s为止，整个试验过程中温度变化不超过1 ℃，大气压力变化小于0.133 kPa时数据有效。
图2为温度分别为20、30、40 ℃时，解吸平衡压力为1.5 MPa时构造煤与原生结构煤的解吸量随时间的变化曲线。由图2可知，在相同试验条件下对于任一解吸过程，解吸量均随时间先快速增大后缓慢增大，这与文献[15]得出的曲线趋势相同，即瓦斯解吸量和解吸时间是一条单调递增函数。对于同一种煤样，解吸温度越高，在相同时间段内累计瓦斯解吸量越大，且瓦斯解吸量增量随着时间延长而呈现递减的趋势越明显。在解吸初期的1 800 s内，煤样在单位时间内的瓦斯解吸量增量较大，从1 800～7 200 s解吸曲线呈较平缓状态。这是由于增温使吸附于煤体表面及孔隙中的瓦斯分子得到足以脱附的能量，从吸附态变为游离态，从煤孔隙中解吸出来；其次，温度升高，瓦斯分子的动能增加，获得高于吸附势能量的机会增加，热运动加剧，扩散能力增强，进而缩短解吸平衡时间；瓦斯分子在煤体孔隙表面上停留的时间缩短，因而吸附能力下降，解吸能力增强；随着解吸过程不断进行，吸附和解吸趋于平衡，变化曲线趋于平缓。
图2 构造煤与原生结构煤在不同温度下的解吸曲线
Fig.2 Desorption curves of tectonic coal and primary structural coal at different temperatures
表2为统计的构造煤与原生结构煤在解吸平衡压力为1.5 MPa、不同温度下前300 s的解吸量变化。由表2可知，构造煤前300 s累积瓦斯解吸量占前7 200 s解吸量的48.91%～49.65%，而原生结构煤解吸前300 s累积瓦斯解吸量占前7 200 s解吸量的32.02%～33.90%。在300 s内，前300 s构造煤的瓦斯解吸量变化是原生结构煤的2.007倍，60～300 s内，这种差距缩减到1.355倍。随着温度的升高，构造煤前60 s内的瓦斯解吸量所占总量的比例从29.20%下降至25.64%，而前120～300 s内的解吸量在温度相同时较前60 s有明显下降，但是温度升高反而使所占比例从20.45%上升至23.50%；虽然出现解吸量所占比例上升的现象，但是前60 s无论是解吸量还是解吸速度均远大于后续时间的相应值。也就是说，其他条件相同的情况下，温度越高，初始开采阶段的瓦斯涌出量和涌出速度最大，这就初步解释了揭煤和采动过程是易发生瓦斯突出和工作面瓦斯超限的原因之一；同时也说明构造煤初始阶段解吸速率大于原生构造煤初始阶段解吸速率，构造煤能瞬间快速放散瓦斯，瓦斯突出的发生、发展与构造煤有着紧密联系。随着时间后移，可以看出60～300 s内的原生结构煤瓦斯解吸量所占比例为17.31%，而前60 s内为14.71%，这就说明原生结构煤不易发生大量瓦斯瞬间快速释放，尽管有瓦斯解吸出来，但是只要煤矿的通防设施良好，解吸的瓦斯将会被风流快速带出矿井，以减小煤矿发生瓦斯爆炸等事故的可能性。
从动力学角度看，煤储层解吸平衡压力实际上是煤孔隙内气体分子自由热运动撞击所产生的应力，其可以作为表示瓦斯内能大小的参数，对瓦斯吸解具有较大的影响[18]。Harpalani.S等[19-20]在研究中发现，煤孔隙压力的变化会产生Klinkenberg效应，即当瓦斯压力较低时，煤体的渗透率会随着压力的增高而降低，但当瓦斯压力较高时，煤渗透率则会随着瓦斯压力的增加而增加。这就说明瓦斯解吸平衡压力改变，煤体的受力状态也会发生改变，进而影响瓦斯在煤体中的扩散。
图3为构造煤与原生结构煤在不同瓦斯解吸平衡压力下的解吸曲线，由图3可知，解吸压力对瓦斯解吸具有较大的影响作用；无论是构造煤还是原生结构煤煤样，瓦斯平衡压力增加，直接导致了在同时段内瓦斯解吸量增大；初始阶段瓦斯解吸初速度与吸附平衡压力均成正相关关系。还可得出构造煤与原生结构煤的解吸量随着解吸平衡压力的升高而增大，当解吸量增加到一定量时解吸曲线趋于平缓，解吸量趋于饱和。这是因为解吸压力的升高导致瓦斯分子撞击煤孔隙的概率增大[21]，瓦斯分子在浓度和压力梯度下快速脱离煤表面的吸附位，发生解吸，当压力升高到一定值时，煤的解吸能力达到饱和后，解吸量达到最大值；又因解吸和吸附是一个的动态平衡过程，煤样的瓦斯解吸量增大会导致吸附量随之增大，当瓦斯压力低于临界解吸压力时，原本被解吸的瓦斯分子会从游离态转为吸附态吸附于煤表面，即又发生快速吸附现象，这种抑制解吸的过程即解吸由快变慢的原因。
图3 构造煤与原生结构煤在不同瓦斯平衡压力下的解吸曲线
Fig.3 Desorption curves of tectonic coal and primary structural coal under different gas pressure
表3为构造煤与原生结构煤0～7 200 s内的解吸量对比，由表3可知，瓦斯解吸平衡压力越大，解吸初速度就越大；随着时间延长而呈逐渐衰减态势，解吸初始阶段衰减程度最为明显，单位时间内瓦斯解吸速度变化量也最大。在相同解吸压力下，构造煤的解吸初速度V1是原生结构煤的1.202～1.524倍，0～60 s内瓦斯解吸量是原生结构煤的1.294～1.420倍，比例是原生结构煤的1.442～1.643倍。无论构造煤还是原生结构煤，0～60 s内的解吸量比例随着瓦斯解吸平衡压力的升高而逐渐降低，构造煤1 800 s之内的解吸量占累积解吸量的78.42%～83.21%，而原生结构煤1 800 s之内的解吸量占累积解吸量的69.18%～71.48%；说明无论构造煤还是原生结构煤在1 800 s内解吸量占7 200 s解吸量的比例均较大。这就解释了在煤体暴露初期瓦斯涌出量发生剧烈变化的原因，无论构造煤还是原生结构煤，在暴露初期相同时间段内的解吸量都很大，即当井下瓦斯压力增大时，井下瓦斯的解吸量也增多，发生瓦斯灾害的可能性也相应增大。
图4为构造煤与原生结构煤在不同温度和不同瓦斯压力耦合下的解吸曲线，表4为解吸速度与不同时间段解吸量的对比关系。从图4及表4可知，温度和压力同时加大，无论是构造煤还是原生结构煤，其瓦斯解吸量均出现明显增大，构造煤趋于解吸平衡的时间比原生结构煤、构造煤的要短，构造煤和原生结构煤在解吸1 800 s内对温度和压力均比较敏感。
在相同试验条件下，构造煤的瓦斯解吸初速度均值为11.86 mL/(g·min)，而原生结构煤的瓦斯解吸初速度均值为8.24 mL/(g·min)，构造煤是原生结构煤的1.439倍，构造煤的瓦斯解吸初速度大于原生结构煤，即构造煤在突然卸压的初始时刻，瞬间就有大量瓦斯涌出，井下发生煤与瓦斯突出的危险性加大。构造煤瓦斯解吸量变化最剧烈，是在煤体暴露后的第60 s之内，且解吸量所占比例要比原生结构煤大得多。构造煤0～60 s的解吸量均值是原生结构煤的1.433倍，所占比例是原生结构煤的1.707倍。在60～1 800 s内，原生结构煤的解吸速度要稍高于构造煤，说明构造煤在60 s以后的解吸过程中，解吸速度的衰减比原生结构煤快；在1 800 s左右，原生结构煤的解吸量超过构造煤，并由此将解吸量差距缓慢增大。
图4 构造煤与原生结构煤在不同温度和不同瓦斯压力下的解吸曲线
Fig.4 Desorption curves of tectonic coal and primary structural coal under different temperature and pressure
从表4中还可知，构造煤0～1 800 s的解吸量占累积瓦斯解吸量的平均值为83.89%，同一时段内，原生结构煤的解吸量占累积瓦斯解吸量的71.60%，说明构造煤的瓦斯解吸主要集中在前1 800 s。在1 800～7 200 s内瓦斯解吸缓慢，但是原生结构煤在1 800～7 200 s内，瓦斯解吸量增量较构造煤大，且衰减程度小于构造煤。1 800～7 200 s内，原生结构煤的解吸量也是大于构造煤，且解吸速度衰减得比构造煤缓慢，在此期间，构造煤解吸量所占比例平均在8.056%，而原生结构煤解吸量平均在14.10%，随着瓦斯解吸压力和解吸温度的增大，原生结构煤超过构造煤的解吸量随之增大。
1)在不同温度条件下，构造煤与原生结构煤的瓦斯解吸总量随时间的变化符合单调递增函数关系；温度越高，同时段内构造煤与原生结构煤瓦斯解吸总量越大，解吸前60 s的解吸量越大，解吸速度越快，所占的比例呈逐渐下降趋势；构造煤初始解吸速度大于原生结构煤。
2)恒温下，瓦斯解吸速率随解吸压力的升高而增大，随着时间的延长而呈衰减趋势；同时段内瓦斯解吸压力和瓦斯解吸量呈正相关，瓦斯解吸量随解吸压力增大而增大；构造煤的解吸初速度及0～60 s内的解吸量均大于原生结构煤；解释了井下煤层瓦斯压力越高，矿井在开采阶段瓦斯涌出量越大，发生突出/涌出的可能性就越大。
3)温度和压力同时加大，无论是构造煤还是原生结构煤，其瓦斯解吸量均增大；构造煤在60 s后的解吸过程中，解吸速率衰减比原生结构煤快，瓦斯解吸主要集中在解吸前1 800 s；在60～1 800 s内，原生结构煤的解吸速率要稍高于构造煤，从1 800 s开始，原生结构煤的解吸量增量超过构造煤。
4)原生结构煤在1 800 ～7 200 s内解吸量超过构造煤，解吸曲线衰减程度(解吸速率衰减值)小于构造煤；随着瓦斯解吸压力和温度的增大，原生结构煤超过构造煤的解吸量随之增大。
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