不同变质程度煤孔隙结构特征研究
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问题探讨
ｄｏｉ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ２７９８. ２０１９. ０３. ０２３
不同变质程度煤孔隙结构特征研究
总第 ２３５ 期
范子伟
( 山西煤炭进出口集团有限公司ꎬ山西 太原 ０３００００)
摘 要:为揭示不同变质程度煤的吸附解吸性能ꎬ采用低温液氮实验研究不同变质程度的煤孔隙结构特 征ꎮ 结果表明:无烟煤存在大量开放型孔隙ꎬ贫瘦煤、焦煤存在大量一端封闭的孔隙ꎻ无烟煤的比表面积最 大、焦煤的比表面积最小ꎬ贫瘦煤的比表面积居中ꎮ 无烟煤对瓦斯的吸附能力最强ꎬ其次是贫瘦煤ꎬ焦煤最 弱ꎻ无烟煤的分形维数最大ꎬ贫瘦煤的分形维数居中ꎬ焦煤的分形维数最小ꎮ 随着变质程度的增加ꎬ孔隙结 构变得复杂ꎬ孔隙粗糙度增加ꎮ 关键词:不同变质程度ꎻ孔隙结构ꎻ比表面积ꎻ分形维数 中图分类号:ＴＤ７１２ 文献标识码:Ｂ 文章编号:１００５������２７９８(２０１９)０３������００６４������０２
图 ３ 不同变质程度煤分形维数拟合
表 １ 分形维数计算结果
煤样 ＷＹＭ ＰＳＭ
ＪＭ
Ｄ１ ( ｐ / ｐ０ > ０. ４５) ２. ５７４ ８８ ２. ５４５ ４６ ２. ５２６ ５３
Ｄ１ ( ｐ / ｐ０ < ０. ４５) ２. ６３３ ３７ ２. ６０１ ８１ ２. ５４６ ４４
由 表 １ 可 知ꎬ 无 论 ｐ / ｐ０ > ０. ４５ 还 是 ｐ / ｐ０ < ０. ４５ꎬ无烟煤的分形维数最大ꎬ贫瘦煤的分形维数居 中ꎬ焦煤的分形维数最小ꎮ 因此可知ꎬ焦煤的孔隙结 构简单、表面不粗糙ꎬ无烟煤的孔隙结构较为复杂、 表面粗糙ꎬ随着变质程度的增加ꎬ ( 下转第 ６７ 页)
如表 １ 所示ꎮ
图 １ 不同变质程度煤低温液氮吸附试验结果
根据低温液氮吸附试验结果ꎬ采用 ＢＪＨ 模型可 计算出不同变质程度煤的比表面积分布ꎬ如图 ２ 所 示ꎮ
图 ２ 不同变质程度煤的比表面积分布
由图 ２ 可知ꎬ焦煤的比表面积最小ꎬ无烟煤的比 表面积最大ꎬ贫瘦煤的比表面积居中ꎮ 微孔和小孔 是瓦斯主要的吸附空间ꎬ无烟煤微孔和小孔的比表 面积占比最大ꎬ焦煤最小ꎬ贫瘦煤居中ꎬ说明无烟煤 对瓦斯的吸附能力最强ꎬ其次是贫瘦煤ꎬ焦煤最弱ꎮ
１ 煤样的制备及低温液氮吸附试验
１. １ 煤样的制备 试验煤样分别为无烟煤( ＷＹＭ) 、贫瘦煤( ＰＳＭ)
及焦煤( ＪＭ) ꎬ分别将采制的新鲜煤样密封保存后送 实验室ꎬ 采 用 粉 碎 机 粉 碎ꎬ 筛 选 制 得 粒 度 为 ６０ ~ ８０ 目的煤样ꎬ将制得的新鲜煤样放入干燥箱中ꎬ设 置干燥温度为 １０５ ℃ ꎬ待干燥完成后进行低温液氮 吸附试验ꎮ １. ２ 不同变质程度煤低温液氮吸附试验结果分析
煤体对瓦斯的吸附为物理吸附ꎬ煤体具有双重 孔隙结构[１ －２] ꎬ其孔隙结构构成瓦斯吸附、扩散、渗 流空间ꎬ孟召平等[３] 研究认为 随着破坏程度的增 加ꎬ煤体的孔容和比表面积也增加ꎬ中孔主要导致孔 容增加ꎬ微 孔 主 要 导 致 比 表 面 积 增 加ꎻ 唐 巨 鹏 等[４] 采用巨正则系综蒙特卡洛方法( ＧＣＭＣ) 研究了 ＣＨ４ 在 ５ 种不同变质程度煤中的吸附性能ꎬ 结果表明 ＣＨ４ 吸附能力强弱顺序为无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、 肥煤ꎻ王有智等[５] 研究表明分形维数可以用来表征 碎裂煤与碎粒ꎬ比表面结增加ꎬ孔隙表面 粗糙度增加ꎬ煤岩孔隙系统变得更加复杂ꎬ导致煤岩 吸附能力增加ꎮ 由上述研究可知煤体孔隙结构对研 究煤的吸附性能具有重要的意义ꎮ 基于此ꎬ本文采用 低温液氮实验研究不同变质程度煤的孔隙结构特征ꎬ 为揭示不同变质程度煤的吸附解吸性能提供指导ꎮ
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２０１９ 年 ３ 月 郭剑如:矿山锚固用 Ｗ － Ｚ 型钢带支护优势分析 第 ２８ 卷第 ３ 期
吸能的作用ꎬ吸收并释放垂直压力ꎬ中间的 Ｗ 型钢 带则起主要的支撑作用ꎻ若巷道顶板水平压力过大 时ꎬ中间的 Ｗ 型钢带发挥其延展吸能的作用ꎬ吸收 并释放水平压力ꎬ两侧的 Ｚ 型钢带则轻微变形吸收 压力能ꎮ
２ 不同变质程度煤低温液氮分形维数分析
低温液氮吸附常采用 Ｐｆｅｉｆｅｒ 等人提出的 ＦＨＨ
模型计算分形维数[６ － ７] ꎬＦＨＨ 模型如式(１) 所示:
ｌｎＶ
＝
Ａ
＋
(Ｄ
－
３) ｌｎ( ｌｎ
ｐ０ ｐ
)
(１)
式中:Ｖ 为平衡压力 ｐ 时液氮的吸附量ꎬｃｍ３ / ｇꎻ
ｐ０ 为气体的饱和蒸汽压ꎬ０. １１１ １７ ＭＰａꎻｐ 为气体吸 附平衡 时 的 压 力ꎬ ＭＰａꎻ Ａ 为 常 数ꎻ Ｄ 为 分 形 维 数
不同变质程度煤的低温液氮吸附试验曲线如图 １ 所示ꎬ吸附过程可分为两个阶段ꎬ吸附相对压力 (ｐ / ｐ０)较低时吸附量缓慢增大ꎬ当相对压力在 ０. ９
收稿日期:２０１９���０���１���０���７ 作者简介:范子伟(１９６４ － ) ꎬ男ꎬ山西长子人ꎬ高级工程师ꎬ从事煤矿安全管理工作ꎮ
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２０１９ 年 ３ 月 范子伟:不同变质程度煤孔隙结构特征研究 第 ２８ 卷第 ３ 期
(２≤Ｄ≤３) ꎬ分形维数越大ꎬ材料表面越粗糙ꎮ
采用式(１)对图 １ 低温液氮吸附曲线进行作图
( 如图 ３ 所示) ꎬ计算分形维数时ꎬ以相对压力 ０. ４５
为界限ꎬ当相对压力 ｐ / ｐ０ > ０. ４５ 时计算分形维数为 Ｄ１ ꎬ当相对压力 ｐ / ｐ０ < ０. ４５ 时计算分形维数为 Ｄ２ ꎬ 根据拟合直线的斜率即可求得分形维数ꎬ分形维数
左右时吸附量快速增大ꎮ 由图 １ 可知ꎬ无烟煤的吸附回线较大且没有闭 合ꎬ说明无烟煤存在开放型孔隙ꎻ贫瘦煤存在吸附回 线ꎬ但是吸附回线不大ꎬ当相对压力为 ０. ４ 时ꎬ脱附 曲线与吸附曲线发生闭合ꎬ说明存在大量的一端封 闭的孔隙ꎻ焦煤存在吸附回线ꎬ但是吸附回线不大ꎬ 当相对压力为 ０. ４ 时脱附曲线与吸附曲线发生闭 合ꎬ说明存在大量的一端封闭的孔隙ꎮ
ｄｏｉ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ２７９８. ２０１９. ０３. ０２３
不同变质程度煤孔隙结构特征研究
总第 ２３５ 期
范子伟
( 山西煤炭进出口集团有限公司ꎬ山西 太原 ０３００００)
摘 要:为揭示不同变质程度煤的吸附解吸性能ꎬ采用低温液氮实验研究不同变质程度的煤孔隙结构特 征ꎮ 结果表明:无烟煤存在大量开放型孔隙ꎬ贫瘦煤、焦煤存在大量一端封闭的孔隙ꎻ无烟煤的比表面积最 大、焦煤的比表面积最小ꎬ贫瘦煤的比表面积居中ꎮ 无烟煤对瓦斯的吸附能力最强ꎬ其次是贫瘦煤ꎬ焦煤最 弱ꎻ无烟煤的分形维数最大ꎬ贫瘦煤的分形维数居中ꎬ焦煤的分形维数最小ꎮ 随着变质程度的增加ꎬ孔隙结 构变得复杂ꎬ孔隙粗糙度增加ꎮ 关键词:不同变质程度ꎻ孔隙结构ꎻ比表面积ꎻ分形维数 中图分类号:ＴＤ７１２ 文献标识码:Ｂ 文章编号:１００５������２７９８(２０１９)０３������００６４������０２
图 ３ 不同变质程度煤分形维数拟合
表 １ 分形维数计算结果
煤样 ＷＹＭ ＰＳＭ
ＪＭ
Ｄ１ ( ｐ / ｐ０ > ０. ４５) ２. ５７４ ８８ ２. ５４５ ４６ ２. ５２６ ５３
Ｄ１ ( ｐ / ｐ０ < ０. ４５) ２. ６３３ ３７ ２. ６０１ ８１ ２. ５４６ ４４
由 表 １ 可 知ꎬ 无 论 ｐ / ｐ０ > ０. ４５ 还 是 ｐ / ｐ０ < ０. ４５ꎬ无烟煤的分形维数最大ꎬ贫瘦煤的分形维数居 中ꎬ焦煤的分形维数最小ꎮ 因此可知ꎬ焦煤的孔隙结 构简单、表面不粗糙ꎬ无烟煤的孔隙结构较为复杂、 表面粗糙ꎬ随着变质程度的增加ꎬ ( 下转第 ６７ 页)
如表 １ 所示ꎮ
图 １ 不同变质程度煤低温液氮吸附试验结果
根据低温液氮吸附试验结果ꎬ采用 ＢＪＨ 模型可 计算出不同变质程度煤的比表面积分布ꎬ如图 ２ 所 示ꎮ
图 ２ 不同变质程度煤的比表面积分布
由图 ２ 可知ꎬ焦煤的比表面积最小ꎬ无烟煤的比 表面积最大ꎬ贫瘦煤的比表面积居中ꎮ 微孔和小孔 是瓦斯主要的吸附空间ꎬ无烟煤微孔和小孔的比表 面积占比最大ꎬ焦煤最小ꎬ贫瘦煤居中ꎬ说明无烟煤 对瓦斯的吸附能力最强ꎬ其次是贫瘦煤ꎬ焦煤最弱ꎮ
１ 煤样的制备及低温液氮吸附试验
１. １ 煤样的制备 试验煤样分别为无烟煤( ＷＹＭ) 、贫瘦煤( ＰＳＭ)
及焦煤( ＪＭ) ꎬ分别将采制的新鲜煤样密封保存后送 实验室ꎬ 采 用 粉 碎 机 粉 碎ꎬ 筛 选 制 得 粒 度 为 ６０ ~ ８０ 目的煤样ꎬ将制得的新鲜煤样放入干燥箱中ꎬ设 置干燥温度为 １０５ ℃ ꎬ待干燥完成后进行低温液氮 吸附试验ꎮ １. ２ 不同变质程度煤低温液氮吸附试验结果分析
煤体对瓦斯的吸附为物理吸附ꎬ煤体具有双重 孔隙结构[１ －２] ꎬ其孔隙结构构成瓦斯吸附、扩散、渗 流空间ꎬ孟召平等[３] 研究认为 随着破坏程度的增 加ꎬ煤体的孔容和比表面积也增加ꎬ中孔主要导致孔 容增加ꎬ微 孔 主 要 导 致 比 表 面 积 增 加ꎻ 唐 巨 鹏 等[４] 采用巨正则系综蒙特卡洛方法( ＧＣＭＣ) 研究了 ＣＨ４ 在 ５ 种不同变质程度煤中的吸附性能ꎬ 结果表明 ＣＨ４ 吸附能力强弱顺序为无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、 肥煤ꎻ王有智等[５] 研究表明分形维数可以用来表征 碎裂煤与碎粒ꎬ比表面结增加ꎬ孔隙表面 粗糙度增加ꎬ煤岩孔隙系统变得更加复杂ꎬ导致煤岩 吸附能力增加ꎮ 由上述研究可知煤体孔隙结构对研 究煤的吸附性能具有重要的意义ꎮ 基于此ꎬ本文采用 低温液氮实验研究不同变质程度煤的孔隙结构特征ꎬ 为揭示不同变质程度煤的吸附解吸性能提供指导ꎮ
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２０１９ 年 ３ 月 郭剑如:矿山锚固用 Ｗ － Ｚ 型钢带支护优势分析 第 ２８ 卷第 ３ 期
吸能的作用ꎬ吸收并释放垂直压力ꎬ中间的 Ｗ 型钢 带则起主要的支撑作用ꎻ若巷道顶板水平压力过大 时ꎬ中间的 Ｗ 型钢带发挥其延展吸能的作用ꎬ吸收 并释放水平压力ꎬ两侧的 Ｚ 型钢带则轻微变形吸收 压力能ꎮ
２ 不同变质程度煤低温液氮分形维数分析
低温液氮吸附常采用 Ｐｆｅｉｆｅｒ 等人提出的 ＦＨＨ
模型计算分形维数[６ － ７] ꎬＦＨＨ 模型如式(１) 所示:
ｌｎＶ
＝
Ａ
＋
(Ｄ
－
３) ｌｎ( ｌｎ
ｐ０ ｐ
)
(１)
式中:Ｖ 为平衡压力 ｐ 时液氮的吸附量ꎬｃｍ３ / ｇꎻ
ｐ０ 为气体的饱和蒸汽压ꎬ０. １１１ １７ ＭＰａꎻｐ 为气体吸 附平衡 时 的 压 力ꎬ ＭＰａꎻ Ａ 为 常 数ꎻ Ｄ 为 分 形 维 数
不同变质程度煤的低温液氮吸附试验曲线如图 １ 所示ꎬ吸附过程可分为两个阶段ꎬ吸附相对压力 (ｐ / ｐ０)较低时吸附量缓慢增大ꎬ当相对压力在 ０. ９
收稿日期:２０１９���０���１���０���７ 作者简介:范子伟(１９６４ － ) ꎬ男ꎬ山西长子人ꎬ高级工程师ꎬ从事煤矿安全管理工作ꎮ
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２０１９ 年 ３ 月 范子伟:不同变质程度煤孔隙结构特征研究 第 ２８ 卷第 ３ 期
(２≤Ｄ≤３) ꎬ分形维数越大ꎬ材料表面越粗糙ꎮ
采用式(１)对图 １ 低温液氮吸附曲线进行作图
( 如图 ３ 所示) ꎬ计算分形维数时ꎬ以相对压力 ０. ４５
为界限ꎬ当相对压力 ｐ / ｐ０ > ０. ４５ 时计算分形维数为 Ｄ１ ꎬ当相对压力 ｐ / ｐ０ < ０. ４５ 时计算分形维数为 Ｄ２ ꎬ 根据拟合直线的斜率即可求得分形维数ꎬ分形维数
左右时吸附量快速增大ꎮ 由图 １ 可知ꎬ无烟煤的吸附回线较大且没有闭 合ꎬ说明无烟煤存在开放型孔隙ꎻ贫瘦煤存在吸附回 线ꎬ但是吸附回线不大ꎬ当相对压力为 ０. ４ 时ꎬ脱附 曲线与吸附曲线发生闭合ꎬ说明存在大量的一端封 闭的孔隙ꎻ焦煤存在吸附回线ꎬ但是吸附回线不大ꎬ 当相对压力为 ０. ４ 时脱附曲线与吸附曲线发生闭 合ꎬ说明存在大量的一端封闭的孔隙ꎮ