0 引 言
近年来，我国许多煤层气的勘探开发逐渐在深部低阶煤层中进行。煤层气(瓦斯)既是一种清洁高效的优质能源，又是影响煤矿安全的一种危险源，瓦斯抽采是防治矿井瓦斯灾害和利用瓦斯资源的主要措施之一。随着我国煤矿开采深度不断增加，许多煤矿逐渐进入深部开采，为进一步掌握深部低阶煤瓦斯的赋存特征和吸附特性，保证深部低阶煤的煤层气开发效果和提高井下瓦斯抽采率，从微观尺度定量研究煤层瓦斯的吸附特性十分必要。
许多学者对煤中瓦斯吸附规律进行研究，朱和保等[1]同时考虑了温度、瓦斯压力对煤吸附性的影响；王向浩等[2]分析了孔隙结构对构造煤和原生煤瓦斯吸附特性的影响；杨明等[3]研究了高阶煤的孔隙发育特征发现，高阶煤微小孔最为发育，裂隙最不发育；文献[4]研究认为吸附态甲烷的横向弛豫时间<7 ms，核磁共振技术可以表征甲烷的吸附量；陈向军等[5]通过研究不同煤阶煤的孔径和吸附常数发现，煤的变质程度对孔径>1 000 nm的孔容影响大，纳米级孔隙比表面积决定煤的吸附能力；王刚等[6]研究温度对煤吸附性影响发现：瓦斯压力一定时温度对煤吸附瓦斯呈负效应，温度变化会影响吸附常数a；李子文等[7]研究发现煤对气体的吸附以微小孔吸附为主，煤中水的存在会抑制煤对气体的吸附性；郑司建等[8]利用核磁共振技术研究发现，低阶煤中吸附孔最为发育，渗流孔和裂隙次之，煤中可动流体孔隙度与渗透性呈幂指数关系(R2=0.94)；谢松斌等[9]对中高阶煤的液氮吸附和核磁共振进行试验，通过测得的煤核磁共振表面弛豫率，获得煤核磁共振T2与煤吸附孔径的转换系数，实现了利用核磁共振技术获得煤孔径分布的可能；姚艳斌等[10]利用核磁共振和X-CT对煤的孔隙定量表征，通过T2弛豫时间区分了微小孔、中大孔和裂隙，根据T2截止值进一步得到煤可动流体孔隙度；文献[11]利用核磁共振技术开展了页岩气的等温甲烷吸附试验，通过T2弛豫时间区分多相态甲烷；唐巨鹏等[12]利用煤系页岩粉状进行瓦斯吸附-解吸的核磁共振试验，发现吸附态瓦斯量与瓦斯压力符合朗格缪尔方程，而游离甲烷量与瓦斯压力之间呈线性相关；康志勤等[13]对比分析不同煤体结构甲烷的吸附-解吸特征发现，致密原生结构煤吸附-解吸平衡时所需时间较长。蔚远江等[14]通过等温吸附试验和液氮吸附试验法研究低-高阶煤发现，低煤阶煤的等温吸附曲线符合朗格缪尔方程，煤体孔隙比表面积与瓦斯吸附能力呈正相关。目前国内外学者对煤中瓦斯吸附、解吸等方面研究较多，但主要是从吸附曲线趋势和总的吸附量方面进行研究，未进一步从微观细观尺度上考虑，且大多数学者以煤粉作为试验样品，在一定程度上会导致试验结果存在较大误差。
笔者采集新疆艾维尔沟矿深部低阶煤，将采集的新鲜煤块制作成圆柱状(25 mm×50 mm)原煤煤样，与粉状煤样相比，圆柱状原煤煤样更接近现场实际情况，同时笔者采用无损、方便、安全的核磁共振技术研究煤体瓦斯吸附过程，通过构建核磁共振信号强度与吸附瓦斯量之间的联系，探究瓦斯吸附量与瓦斯压力和吸附时间的关系，为深部低阶煤的煤层气勘探开发和提高深部煤层瓦斯抽采率提供了一定的指导。
1 试验原理及过程
1.1 核磁共振基本原理
核磁共振技术是利用氢原子核自旋以及在外加叠加磁场的情况下，氢原子核与外加磁场之间产生的共振弛豫现象，以此来研究煤岩体孔隙中含氢核流体(水、甲烷)的弛豫特征。核磁共振试验通过获得的核磁信号强度与横向弛豫时间T2的曲线图来研究煤岩体中的孔、裂隙分布特征。核磁共振的原理[15-16]为
(1)
r=CT2
(2)
式中：ρ为煤表面弛豫率, 表征岩石性质的参数；FS为孔隙形状因子 (球形孔隙，FS=3；管形孔隙和板状孔隙，FS=2)；r为孔隙半径；C为转换系数。
由式(1)可知，横向弛豫时间T2与孔隙半径大小成正比，横向弛豫时间越长孔隙半径越大，不同孔隙大小对应不同的横向弛豫时间，因此可根据横向弛豫时间的不同来区分孔径的大小[17]。煤岩体中瓦斯主要存在于煤孔、裂隙中，根据T2谱面积可以表征煤中实际瓦斯吸附量，定量研究煤中瓦斯吸附规律。
1.2 试验仪器和煤样制备
试验采用Meso MR23-060H-I型低场核磁共振仪，该设备的共振频率为21.675 68 MHz，磁体温度控制在32±0.1 ℃，磁场强度0.5 T，如图1所示。
试验煤样的镜质组反射率为0.78%(<0.8%，属低变质程度煤[18-19])，灰分7.33%，水分1.02%，挥发分40.64%，孔隙率6.87%。取大块新鲜煤样利用煤样钻取机钻取直径为25 mm、高度为50 mm的圆柱状煤样。测量记录自然态煤样的质量；将煤样放在干燥箱中干燥，温度设置为100 ℃，干燥10 h，测量并记录干燥后煤样的质量，然后对干燥煤样进行核磁共振试验。
图1 Meso MR23-060H-I型低场核磁共振仪和煤样
Fig.1 Meso MR23-060H-I low field NMR and coal sample
1.3 气密性检查、参考罐体积和夹持器体积测定
气密性检查：打开装置中参考罐与夹持器间的阀门，关闭通往大气的阀门。将氦气压力设为 0.5 MPa，打开氦气管路上的阀门，等压力稳定后再关闭此阀门，接着观察1 h，若压力不变则表示装置气密性良好。
参考罐体积V1和夹持器体积V2的测定：将能承压且不含氢的塑料管放入夹持器中，抽真空后将通往大气和通往夹持器的阀门关闭，此时只将氦气通往参考罐中并记录下压力P1，关闭氦气气瓶阀门；打开通往夹持器的阀门，此时参考罐中的氦气进入夹持器中，记录压力表显示的压力P2；此时关闭通往夹持器的阀门，再次打开氦气阀门使得参考罐中的氦气压力达到
关闭氦气阀门，打开通往夹持器的阀门，氦气进入夹持器中，记下压力表显示的压力
根据：
P1V1=P2(V1+V2)
(3)
(4)
测得参考罐的体积V1为42.50 cm3，夹持器体积V2为 16.13 cm3。
1.4 核磁信号量与瓦斯量的标定试验
先用氦气冲扫夹持器腔体，再将能承压且不含氢的塑料管放入夹持器腔体中并抽真空30 min，确保管路不漏气；利用加压泵，对夹持器加5 MPa围压，通过控制减压阀和瓦斯气瓶总开关，依次将瓦斯压力加到0.50、0.74、1.48、2.22、2.99 MPa，分别采集和记录相关试验数据。根据理想气体状态方程：
PV=nRTZ=(m/M)RTZ
(5)
式中:P为瓦斯压力,MPa；V为测得的夹持器体积,cm3；n为物质的量,mol；R为普适气体常数，取8.314 J/(mol·K)；T为绝对温度，K；Z为气体压缩因子；m为气体质量，g；M为气体的摩尔质量，g/mol。
T2谱积分面积和实际瓦斯吸附量的关系，如表1、图2和图3所示。
从图2可知，夹持器内的瓦斯压力增加，自由态瓦斯的横向弛豫时间T2(89～1 534.37 ms)增大，自由态瓦斯T2谱积分面积增大，且T2谱曲线只有一个特征峰，与文献[20]研究结果相同。
表1 不同瓦斯压力下T2谱面积测量结果和对应的瓦斯吸附量
Table 1 T2 spectral area measurement results and
corresponding gas quality under different gas pressure
试验编号12345P1/MPa0.921.742.352.993.68压缩因子Z0.940.900.880.860.85T2谱面积595.931 011.001 236.901 512.001 817.46瓦斯吸附量/g0.101 90.201 10.278 00.362 00.450 8
图2 不同瓦斯压力下的自由态瓦斯T2谱曲线
Fig.2 T2 spectra for bulk gas at different gas pressures
图3 T2谱积分面积与瓦斯吸附量的关系
Fig.3 Relationship between T2 spectral area and gas mass
从图3可知，核磁共振测得的T2谱积分面积S与甲烷质量m呈线性关系：相关度较好。因此可根据吸附峰面积求得甲烷吸附量。此后的试验中,通过测得的T2谱积分面积可得甲烷吸附量。
2 核磁共振试验设计
试验采用无损低场核磁共振技术，对同一个圆柱状煤样进行瓦斯吸附试验。为了减少试验误差，只标定1次，中间不取出煤样，仅改变瓦斯压力，选用纯度为99.99%的瓦斯；用高压氦气冲扫试验腔体，接着抽真空30 min，确保整个管路无漏气；打开装置中参考罐与夹持器之间阀门，加围压3 MPa；将瓦斯压力依次设置为0.31、0.74、1.11、1.46 MPa，进行瓦斯吸附试验；将每个压力点的吸附时间设为9 h；试验过程采用人为采样，由于测试频繁导致仪器升温对试验结果产生不利影响，特将采样时间设定为每30 min采样一次，即在每个压力点下采样18次。在恒定围压3 MPa，选取加围压抽真空后测试的煤样核磁信号为基底、吸附1、3、5、7、9 h共6个时间点的核磁信号进行比较分析。
3 结果分析
新疆干燥煤样在不同瓦斯压力下吸附核磁共振T2谱曲线以及根据标线方程换算相应的瓦斯吸附量曲线如图4所示。
图4 煤样在不同瓦斯压力下吸附核磁共振试验结果
Fig.4 Adsorption nuclear magnetic resonance experiment results of coal sample under different gas pressure
由前期的自由态瓦斯的标定可以确定图4中的吸附孔(T2<1.7 ms)，游离态瓦斯峰(T2为10～50 ms)和自由态瓦斯峰。由式(1)可知，孔隙越小，对应的T2值越小。因此，吸附孔(微小孔)的横向弛豫时间比中大孔中(游离态瓦斯)的横向弛豫时间短。
分析图4中的瓦斯吸附量图可知，干燥煤样在不同时间点的瓦斯吸附量随着瓦斯压力的增加而增加直至几乎不变。进一步根据公式S=3 311.75 m+218.83，利用核磁共振技术测得的T2谱图，根据T2谱图中吸附峰面积，可以计算出瓦斯吸附量，见表2。
表2 煤样不同瓦斯压力下瓦斯吸附量
Table 2 Gas adsorption quality of coal
sample under different gas pressure
瓦斯压力/MPa0.310.741.111.46吸附峰面积4 107.854 368.294 716.574 957.94瓦斯吸附量/g1.171.251.361.43
吸附初期，瓦斯压力对煤吸附瓦斯影响显著。图4中煤样的吸附量曲线由陡变缓，即初始吸附速度先快后慢，在最初的1 h内，瓦斯压力为 1.46 MPa 时，瓦斯含量增幅最大。
瓦斯压力越大，煤样达到吸附平衡时间越长。瓦斯压力为0.31 MPa 时，煤样在5 h左右吸附平衡，而瓦斯压力为 1.46 MPa 时，煤样则在超过5 h后吸附解吸达到平衡状态。
随瓦斯压力增加，瓦斯吸附量增幅不同。由表2可知，当瓦斯压力从0.31 MPa逐渐增加到0.74、1.11、1.46 MPa时，瓦斯压力分别增加了138.71%、50.00%、31.53%，相应的瓦斯吸附量依次增加了106.74%、8.40%、5.38%。进一步说明，瓦斯压力在增加的初始阶段，煤样瓦斯吸附量增加较快，然后逐渐变慢。这是因为在瓦斯压力增加初期，煤表面分子和瓦斯分子之间的距离在不断减小，分子间作用力主要为吸引力，吸引力越大，越有利于煤吸附瓦斯；随着瓦斯压力不断增大，分子间距离减小，瓦斯和煤表面分子间作用力主要为排斥力，斥力越大，煤表面吸附瓦斯相对困难，相应的瓦斯吸附量增幅减小。
瓦斯压力的增加对不同范围孔径孔隙影响不同。随瓦斯压力增大，中大孔和自由态瓦斯峰横向弛豫时间起始点不在同一时间区域内，瓦斯压力的增大对中大孔有扩孔作用； 而吸附孔的横向弛豫时间均在0.01～1.70 ms 范围内，表明瓦斯压力对微孔孔隙结构的影响不明显，即在0.31～1.46 MPa瓦斯压力下，瓦斯压力不改变煤中吸附孔(微孔，孔径<10 nm)孔径。然而，由公式(1)可知，煤样横向弛豫时间T2与煤的孔径成正比，试验结果表明在0.31～1.46 MPa的瓦斯压力下，瓦斯压力对吸附孔孔隙结构影响不明显，这一方面可能是由于在瓦斯压力差作用下进入柱状煤体时，瓦斯先由大的裂隙到大孔再到中孔、小孔和微孔，在这一过程中，瓦斯压力传递到煤中微小孔时逐渐降低不足以改变吸附孔(微孔)孔径。另一方面可能是瓦斯压力会导致煤体孔隙的扩张，但由于煤对瓦斯的吸附作用会进一步阻止煤孔隙的无限扩张，因此在恒定围压3 MPa时，瓦斯压力增到1.46 MPa 不会引起煤样孔隙扩张，此时，煤对瓦斯的吸附性占主导作用。
4 结 论
1)深部低阶煤中不同孔径孔均有发育，其中，吸附孔(微小孔)最为发育，并通过对自由态瓦斯的标定，进一步区分出煤中吸附孔的孔峰和游离态瓦斯峰。
2)瓦斯压力对煤孔隙结构中吸附孔峰和游离峰均有不同程度的影响，在对深部低阶煤层瓦斯勘探和开发时要注意瓦斯压力的变化。
3)瓦斯压力的增加对中大孔(游离瓦斯存于中大孔)有扩孔作用，不同瓦斯压力下，游离态瓦斯峰均比基底峰大。但是对吸附孔的扩孔效应不明显，吸附孔横向弛豫时间均在0.01～1.70 ms。
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