煤的瓦斯放散过程是一个包含扩散-渗流两种运动状态的复杂过程[1]，瓦斯放散特征研究对于煤层瓦斯含量测试、煤与瓦斯突出危险性预测意义重大。瓦斯放散特征的国内外研究成果集中在理论和试验方面，BARRER[2]、杨其銮[3]、聂百胜[4]等认为瓦斯放散为扩散过程，AIREY[5]、渡边伊温[6]、秦跃平[7]等认为瓦斯放散为渗流过程，分别建立了瓦斯放散的数学模型，王佑安[8]、乌斯基诺夫等总结了瓦斯放散的经验公式，并未从理论上进行论证，针对与突出关系密切的构造煤，富向[9]、李云波[10]等通过试验表明构造煤在瓦斯解吸初期符合文特式，解吸速度大于原生结构煤，刘彦伟[11]发现煤的破坏类型越高，瓦斯放散速度越快，李志强等[12]等研究得到构造煤的扩散系数随时间增加而减小，提出了动扩散系数的概念。综上可知，构造煤与原生煤在瓦斯放散特征方面的差异已被初步证实，但适用于构造煤的瓦斯放散数学表达式及瓦斯放散宏观特征的内在机理等仍不明晰。笔者针对构造煤与原生煤瓦斯放散特征的差异性开展研究，并试图从孔隙分布角度解释这一差异性，对促进构造煤瓦斯放散规律的认识和相关现场应用提供借鉴。

1 构造煤的瓦斯放散试验

1.1 试验方法与煤样参数

恒温瓦斯放散试验装置由充气单元、脱气单元、

温度控制单元和吸附-解吸单元组成(图1)，试验煤样取自具有煤与瓦斯突出危险性的寺家庄煤矿，于15117回风巷、15106进风巷分别采集原生煤和构造煤，其中构造煤包含碎粒煤和糜棱煤两种，煤样基本参数见表1。

通过粉碎和筛分，制取粒度为1～3 mm的煤样，干燥后称取50 g装入煤样罐，密封后连接试验装置，抽真空至10 Pa，12 h压力无变化可视为气密性合格，向处于25 ℃水浴温度下的煤样罐中充入CH4至目标压力，待吸附平衡后(≥24 h)连通大气进行瓦斯放散，采用解吸仪记录自初始时刻起120 min的瓦斯解吸量，并按照式(1)将瓦斯解吸量换算成标准状况下的体积

表1 煤样基本参数
Table 1 Basic parameters of coal sample

(1)

式中,Qt为瓦斯解吸总量换算成标准状态下的体积，为解吸仪测得的瓦斯解吸总量，mL;tw为实验进行时的室温,℃;Patm为进行实验时的室内大气压力，Pa;hw为解吸仪内液柱高度，mm;P0为温度tw下的饱和水蒸汽压力，Pa。

1.2 试验结果分析

采用恒温瓦斯放散试验装置进行了构造煤和原生煤的恒温瓦斯放散试验，以时间为横坐标、单位质量的瓦斯解吸量和瓦斯解吸速度为纵坐标，分别作图2和3，为更直观的描述初期的瓦斯解吸速度，图3横坐标采用对数形式。

由图2和3可知，构造煤与原生煤的瓦斯放散规律具有相似性，瓦斯放散初期解吸速度最快，随时间增加解吸速度逐步降低，瓦斯解吸量呈现“快速增加—缓慢增加—稳定”的变化规律。同时，构造煤与原生煤的瓦斯放散过程存在较大差异，主要体现为3点:一是初期的瓦斯解吸速度，相同吸附平衡压力条件下初始1 min的瓦斯解吸量构造煤是原生煤的2.31～4.06倍，前10 min的瓦斯解吸量构造煤是原生煤的1.24～2.15倍;二是趋近极限瓦斯解吸量所需要的时间，构造煤为30 min以内，而原生煤大于120 min;三是原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤，对比120 min累积瓦斯解吸量，原生煤是构造煤的1.05～1.66倍。

1.3 构造煤的瓦斯放散数学表达式拟合

国内外学者在进行大量的试验和理论模型研究的基础上，提出了一系列瓦斯解吸规律经验公式，较为常用的表达式包括巴雷尔式、文特式、乌斯基诺夫式、王佑安式、孙重旭式、艾黎式、博特式、杨其銮式、指数式、秦跃平式等[13]，但由于部分公式存在其局限性，如巴雷尔式仅适用于瓦斯放散初期，乌斯基诺夫式是文特式的修正，对指数式进行积分可以得到博特式，文特式、艾黎式在时间为0处的速度趋近于无穷大，因而，选取乌斯基诺夫式、孙重旭式、王佑安式、杨其銮式、秦跃平式对煤样的瓦斯放散过程进行拟合，拟合用数学表达式见表2，以不同煤样的吸附平衡压力为1.0 MPa为例，拟合结果如图4所示。

表2 瓦斯放散的数学表达式
Table 2 Mathematical expression of gas emission

对于构造煤煤样，孙重旭式在瓦斯放散前期和中期均有较大偏离，杨其銮式在瓦斯放散中期有一定偏离，乌斯基诺夫式和王佑安式的拟合度最高;对于原生煤煤样，王佑安式在瓦斯放散前期和中期均有较大偏离，孙重旭式和杨其銮式在瓦斯放散后期有一定偏离，秦跃平式和乌斯基诺夫式的拟合度最高，综上，可采用乌斯基诺夫式较为准确的描述构造煤和原生煤的瓦斯放散过程。

乌斯基诺夫式由t=0时的瓦斯解吸速度v0和系数n确定，拟合结果表明构造煤的v0和n平均值分别为3.348 6和1.878 2，原生煤的v0和n平均值分别为0.799 8和0.865 3，构造煤在瓦斯放散初期的解吸速度v0和系数n分别是原生煤的4.19倍和2.17倍，表明了构造煤和原生煤在瓦斯放散特征方面的巨大差异。

2 构造煤瓦斯放散孔隙结构微观解释

2.1 构造煤的孔隙特征测试

采用美国康塔公司的Pore Master-60压汞法孔分析仪进行测试，测试样品约3 g，测试前将样品在105 ℃条件下恒温干燥12 h，进退汞曲线形态如图5所示。

由图5可知，构造煤与原生煤的孔隙特征存在明显差异。在压力小于0.1 MPa阶段，原生煤的累积孔体积迅速增加，构造煤则缓慢增加，这一阶段为微米级孔隙，表明原生煤中大孔的广泛发育;在压力处于0.1～10 MPa阶段，原生煤处于平稳状态，构造煤则持续增加，这一阶段孔隙的孔径由微米向纳米靠近，构造煤中此级别孔隙较为发育;在压力大于10 MPa阶段，原生煤与构造煤均呈现增加状态，这一阶段为纳米级孔隙，表明原生煤与构造煤中微孔的广泛发育，这一结果与姜家钰的研究结果一致[14]。

就整个进汞过程而言，构造煤的累积进汞量随压力升高呈缓慢增长特点，表明不同尺度孔径均有发育，而原生煤的累积进汞量随压力升高先急速增长，平稳一段时间后又有缓慢增加，表明原生煤的大孔更为发育而微孔、中孔所占比例较小。就进退汞效率而言，构造煤的进退汞曲线的体积差较大，而原生煤的体积差较小，表明原生煤的进退汞效率高于构造煤，这一现象可归因于原生煤孔隙的开放性以及构造煤内部“细瓶颈孔”的存在。

采用前苏联学者霍多特的孔径分类标准，即煤的孔隙分为大孔(大于1 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)、过渡孔(10～100 nm)、微孔(小于10 nm)，考虑到对煤的瓦斯吸附、放散影响紧密的是纳米级孔隙和微米级孔隙[15]，以及为消除人为因素对大孔的影响，仅考虑10 000 nm以内的孔容分布数据，统计结果见表3。

表3 煤样孔容测试结果
Table 3 Coal sample’s pore volume

注:V1=3.5～10 nm;V2=10～100 nm;V3=100～1 000 nm;V4=1000～10 000 nm，Vt=V1+ V2+ V3+ V4。

由表3可知，对同一变质环境下的煤样，构造煤较原生煤有更为发育的孔隙系统，不同孔径阶段孔容的差异集中在中孔和大孔，在构造作用影响下，中孔阶段孔容分别由0.002 5和0.003 2 cm3/g增加至0.025 9和0.039 2 cm3/g，大孔阶段孔容分别由0.000 2和0.000 9 cm3/g增加至0.011 7和0.018 1 cm3/g，构造煤在中孔阶段和大孔阶段的孔容分别增长至原生煤的10.36～12.25倍和20.11～58.50倍。

为研究构造作用对孔径为100 nm以下的纳米级孔隙的影响，对原生煤和构造煤进行低温氮吸附试验[16]，采用BET理论计算了煤样的比表面积，采用BJH模型计算了煤样纳米级孔隙的孔径分布。采用琚宜文提出的孔隙结构分类方法[17]，将煤的纳米级孔隙划分为过渡孔(15～100 nm)、微孔(5～15 nm)、亚微孔(2.5～5.0 nm)、极微孔(小于2.5 nm)，不同孔径的比表面积统计结果见表4。

表4 煤样纳米级孔隙比表面积测试结果
Table 4 Specific surface area test result of coal sample’s nanopore

注:S1=0～2.5 nm;S2=2.5～5 nm;S3=5～10 nm;S4=10～100 nm，St=S1+ S2+ S3+ S4。

由表4可知，就BET总比表面积而言，同一变质环境下构造煤的比表面积为原生煤的4.66～11.74倍，就BJH不同孔径的比表面积而言，构造作用对过渡孔、微孔、亚微孔和极微孔均产生了显著影响，同一变质环境下构造煤的过渡孔、微孔、亚微孔和极微孔比表面积分别为原生煤的3.38～17.67、5.50～9.00、5.75～5.92和9.82～11.17倍，构造煤的纳米级孔隙总比表面积是原生煤的6.89～9.20倍。

2.2 孔隙结构对瓦斯放散的影响分析

煤是一种典型的多孔介质，煤的孔隙系统是瓦斯吸附和流动的主要场所，其中纳米级孔隙以瓦斯吸附和扩散为主，微米级孔隙以瓦斯渗流为主。煤粒瓦斯放散包含解吸、扩散和渗流3个过程:甲烷分子在煤孔隙表面的吸附属于物理吸附，瓦斯吸附/解吸这一步骤所需时间非常短，可视为一个瞬间的过程;解吸后的瓦斯通过在纳米级孔隙中的扩散运动和在微米级孔隙中渗流运动放散至外部空间。

在构造作用下，煤的孔隙系统变得更为发育，尤其对于中孔及大孔范围内的孔隙，微米级孔隙的发育使得瓦斯在煤体中的渗流过程更为通畅，微米级孔隙中瓦斯的快速渗流促进纳米级孔隙中瓦斯的扩散速度提高，这一变化打破了瓦斯吸附-解吸平衡，导致瓦斯快速解吸的发生，最终造成了构造煤在瓦斯放散初期解吸速度的急剧增加。微米级孔隙作为瓦斯渗流过程的主要通道，对瓦斯解吸速度的制约作用明显，原生煤的孔隙连通性较好，但中孔、大孔的缺乏严重影响了其瓦斯解吸速度，这也导致了原生煤趋近极限瓦斯解吸量需要更长的时间。

3 结 论

(1)构造煤与原生煤的瓦斯放散规律存在显著差异，构造煤在瓦斯放散初期的解吸速度快，尤其体现于放散初始1 min的瓦斯解吸量，构造煤是原生煤的2.31～4.06倍，构造煤趋近极限瓦斯解吸量所需要的时间不足原生煤所需时间的25%，原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤。

(2)构造煤与原生煤的瓦斯放散数学表达式存在很大不同，乌斯基诺夫式和王佑安式能较好的描述构造煤瓦斯放散过程，乌斯基诺夫式、孙重旭式和杨其銮式能较好的描述原生煤瓦斯放散过程。

(3)构造煤的孔隙系统较原生煤更为发育，中孔及大孔的巨大差异是导致构造煤瓦斯放散初期解吸速度大的主要因素，同时也解释了原生煤趋近极限瓦斯解吸量需要更长的时间。

4 展 望

寺家庄原生煤的极限瓦斯解吸量高于构造煤，这一试验结果得到多组不同煤体结构相同吸附平衡压力下恒温瓦斯放散试验的证实，煤的瓦斯吸附-解吸属于物理过程，表明原生煤的瓦斯吸附能力高于构造煤，这与煤样的吸附常数测试结果相一致，原生煤的极限瓦斯吸附量是构造煤的约1.1倍，而这一结论与构造煤孔隙系统更为发育相矛盾，说明煤的瓦斯放散特征不仅受煤的孔隙结构控制，还受到大分子结构等因素的制约，这一现象的解释有待于进一步探索研究。

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