0 引言
瓦斯气体的聚集和运移主要发生在煤的孔隙中，孔隙结构特征对瓦斯的吸附、解吸、扩散及渗流都有直接影响[1-2]。为了进行煤层气开发与评价，首先应对其孔隙结构进行分析与研究[3]。目前，国内外学者对煤的孔隙结构特征进行了大量分析，王海龙等[4]分析了韩城矿区煤样，认为煤样压汞孔径分布具有多重分形特征，多重分形参数能有效反映煤储层孔径分布特征，其变化是由构造变形增强所致。顾熠凡等[5]用压汞法对软硬煤孔隙结构进行分析，表明2种煤都存在开放型透气性孔，软煤连通性比硬煤差，所以更易发生煤与瓦斯突出。杨光等[6]用低温液氮吸附法对新疆西山窑组低变质程度煤进行研究，发现低变质程度煤中小孔和微孔占比较大，孔隙形态以一端封闭型孔和“墨水瓶”孔为主。
低温液氮吸附法和压汞法因测试范围广、精度高而被广泛应用，但由于受到测试原理的限制，2种方法都只能测量某一尺度范围的孔隙分布。低温液氮吸附法可测量的孔径范围为1.7～200 nm，压汞法可测量的孔径范围为6.4 nm～426 μm。使用压汞法时，在加压过程中煤孔隙会发生变形，造成纳米级孔隙测量不准确，利用低温液氮吸附法可弥补压汞法的这一不足。
不同区域不同变质程度煤样的孔隙结构特征差异较大。新疆阜康矿区属于高瓦斯矿区，辖区内的28座矿井中有13座为高瓦斯矿井[7]，随着矿井规模和开采深度的不断增加，阜康矿区面临严重的瓦斯灾害。自2005年阜康“7.11”特大煤矿瓦斯爆炸事故以来，该矿区相继发生过多起瓦斯爆炸事故[8]，经济损失巨大，社会影响恶劣。为了研究阜康矿区煤的孔隙结构特征，采用压汞法和低温液氮吸附法对阜康矿区典型矿井进行孔隙结构测定实验。
1 阜康矿区概况
阜康矿区煤层赋存于侏罗系下统八道湾组地层(J1b)及侏罗系中统西山窑组地层(J2x)中。其中侏罗系下统八道湾组地层(J1b)厚度大于 0.30 m的煤层45层，主要可采煤层有7 层，煤层平均总厚度为68.48 m，含煤系数为7.28%；煤层结构简单，大部分比较稳定；各煤层物理性质基本相似，煤的普氏系数较大，密度较小，各主要煤层平均密度为1.30～1.41 t/m3。矿区侏罗系中统西山窑组地层(J2x)厚度大于 0.30 m的煤层17层，可采煤层有4层，煤层平均总厚度为44.31 m，含煤系数为9.70%；各煤层物理性质基本相似，煤的普氏系数较小，但密度较大，各主要煤层平均密度为1.35～1.44 t/m3。
阜康矿区的东部和西部矿井瓦斯含量相对较高，开采西山窑组煤层的生产矿井均为低瓦斯矿井，而开采八道湾组煤层的主要生产矿井均为高瓦斯矿井，瓦斯含量较高，且随着矿井逐步向深部开拓，瓦斯含量有增大的趋势。西山窑组主要可采煤层瓦斯含量为0.16 m3/t，其中CH4为0.068 m3/t，CO2为0.106 m3/t，瓦斯分带为CO2-N2带。八道湾组区内主要可采煤层最大瓦斯含量为5.631 m3/t，瓦斯垂直分带在170～450 m，450 m以浅基本为CO2-N2带，450 m以下为N2-瓦斯带[9]。
2 煤样选取及实验方案
2.1 煤样选取
对阜康矿区典型矿井进行取样，煤样采集地点及编号见表1。
表1 煤样采集地点及编号
Table 1 Collection locations and numbers of coal samples
采用MSPⅡ显微光度计对煤样进行镜质组反射率测定，以判断煤样变质程度，得出1—4号煤样镜质组平均最大反射率分别为0.66，0.70，0.66，1.99,4号煤样为高变质程度煤样。
2.2 实验方案
为了更好地说明气煤结构特点，选定合阳矿的高变质程度煤样做对比实验。
2.2.1 压汞法
压汞法原理：通过外加压力使汞克服表面张力进入气孔，从而测定气孔孔径和气孔分布。测量一定范围内不同汞压下的进汞量，绘制压力与进汞量曲线，运用Washburn方程即可得相应孔径。Washburn方程为
(1)
式中：p为毛细管力，N/m2；σ为表面张力，取0.48 N/m；θ为汞的湿润接触角，取140°；r为孔隙半径，cm。
将样品在干燥箱中干燥后称重，再进行压汞实验。实验采用AutoPoreIV 9510型全自动压汞仪，压缩气体为N2，测量压力为0.42 MPa。
2.2.2 低温液氮吸附法
低温液氮吸附法原理：利用N2的等温吸附特性测定孔径分布，将进入孔隙的气体量当作孔的体积。由毛细凝聚理论可知，半径小于凯尔文半径的孔中皆发生N2吸附，吸附质压力与发生凝聚的孔直径一一对应。凯尔文半径rk计算公式为
(2)
式中：P表示温度为t时半径为rk的液滴蒸气压，Pa；P0表示平面液体在温度为t时的饱和蒸气压，Pa。
采用ASAP2020氮气吸附仪测定煤样比表面积。样品制备：将样品粉碎后进行筛分，取粒径为0.3 mm左右的样品5～10 g，在80 ℃下烘干8 h。
3 实验结果分析
3.1 压汞法测定结果及分析
3.1.1 压汞曲线
根据进退汞压力及其对应的进退汞量得到压汞曲线，如图1所示。该曲线形状反映了孔隙连通性特征[10]。
(a) 1号煤样
(b) 2号煤样
(c) 3号煤样
(d) 4号煤样
图1 煤样进退汞曲线
Fig.1 Advance and return mercury curves of coal samples
从图1可看出，在低压段，进汞量快速上升，这是由于在压力较小时，汞很容易进入到煤的较大孔隙中，根据Washburn方程，此时汞压对应的孔径在24 800 nm以上，这与文献[5,11]的相关研究一致；在压力达20 MPa后，对应的孔径小于60 nm，进汞量快速上升，汞大量进入孔隙中，说明孔径在这一范围内的孔隙较多。
不同煤样的进退汞曲线形状不同，代表其孔隙的连通性不同。1—3号煤样进退汞曲线在压力较小时不重合，存在滞后环，进退汞滞后环反映孔隙基本形态和联通性[12-13]。在低压阶段，1—3号煤样退汞曲线平滑、无拐点，表明较大孔隙中含有大量开放性孔隙，连通性好；进入高压段后，进退汞曲线基本重合，说明较小孔隙以封闭和半封闭的孔隙为主，连通性较差。而4号煤样在整个压力段进退汞曲线基本重合，没有滞后环，说明4号煤样各个孔隙以封闭和半封闭性孔隙为主，连通性较差。
3.1.2 孔径分布特征
国内外学者根据不同的实验方法和研究目的对孔隙大小进行分类，本文选用霍多特(XOJIOT)的划分方式，结果见表2。霍多特认为，气体在微孔中以毛细管凝聚、物理吸附形式存在，在大孔中以层流和紊流流动。
表2 孔隙分类
Table 2 Pore classification nm
对压汞法实验数据进行处理，得到各类孔隙孔容占比，见表3。
表3 各类孔隙孔容占比
Table 3 Pore volume ratio of different pores
由表3可知，1—3号煤样大孔孔容占比为25.69%～29.05%，中孔孔容占比为3.79%～8.41%，小孔孔容占比为16.51%～22.31%，微孔孔容占比为45.85%～46.72%。4号煤样大孔孔容占比为30.36%，中孔孔容占比为3.26%，小孔孔容占比为19.54%，微孔孔容占比为46.84%，微孔孔容占比最大。4号煤样与1—3号煤样在孔容分布上具有相同的特征。1—3号煤样的总孔容大于4号高变质程度煤样，由于大孔和微孔分别是瓦斯运移通道和赋存场所，所以,1—3号煤样的孔隙结构有利于瓦斯赋存和放散。
3.2 低温液氮吸附法测定结果及分析
3.2.1 N2吸附-脱附等温线
N2吸附-脱附等温线如图2所示。
(a) 1号煤样
(b) 2号煤样
(c) 3号煤样
(d) 4号煤样
图2 N2吸附-脱附等温线
Fig.2 Nitrogen adsorption-desorption isotherms
从图2可以看出，不同煤样的吸附曲线在低压段都缓慢上升。在相对压力达到一定值后急剧上升，大量液氮进入孔隙中，在煤样较大孔内发生了毛细冷凝现象。由于孔隙内液氮凝聚和蒸发所需压力不同，导致不同煤样N2吸附曲线都出现滞后环，其形状代表着孔隙形状[12-13]。实验煤样吸附-脱附等温线在低压阶段相交，部分出现重合，可见孔径较小的孔隙由一端封闭的圆筒孔、平行板孔、尖劈形孔组成；在相对压力大于0.5时出现滞后环，1—3号煤样回线没有拐点，此时孔径较大的孔隙由两端开口的圆筒形孔及四边开放的平行板孔组成；4号煤样回线在相对压力约为0.5时出现明显拐点，孔隙属于典型的“墨水瓶”结构。
3.2.2 低温液氮吸附法孔径分布特征
对低温液氮吸附法实验数据进行处理，得到各孔径段比表面积占比，见表4。
表4 各孔径段比表面积占比
Table 4 Specific surface area ratio of pores in different aperture segments
由表4得，1—3号煤样小孔的比表面积占很大比例，因此，小孔是阜康矿区气煤瓦斯吸附的主要场所。1—3号煤样的总比表面积小于4号煤样，因此，1—3号煤样比4号煤样的瓦斯吸附能力低。
4 压汞法与低温液氮吸附法对比分析
(1) 采用低温液氮吸附法与压汞法所测煤孔隙结构符合程度不是很高，这是由2种方法的原理及模型差异所致。压汞法的测试范围较广，为了让汞顺利进入孔隙内，必须不断增加压力，在不断加压过程中，许多孔特别是较小的孔会发生坍塌或变形，变成中孔或大孔，使大孔比例增加；压汞法的理论模型假设所有的孔都是圆柱，且孔都是延伸至样品外表面的“开孔”，但实际上孔是不规则的，而且在加压过程中，会打开许多没有延伸至样品外表面的“闭孔”，将其计算成“开孔”，使结果偏差，所以用压汞法测量纳米级的孔较不准确。低温液氮吸附法测定的孔径范围是1.7～200 nm，根据毛细冷凝原理，小于凯尔文半径的孔发生毛细冷凝聚，所以低温液氮吸附法适用于含大量微孔和中孔的材料。
(2) 根据文献[14]，低变质程度煤孔隙主要由小孔、中孔组成，微孔占比很小，所以吸附能力较差。中、高变质程度煤孔隙主要为微孔和小孔，所以吸附能力比低变质程度煤强。而本文压汞实验却得出气煤孔隙主要由大孔、小孔和微孔组成，其原因如下：实验用1—3号煤样变质程度低，普氏系数小，在不断加压过程中，煤内部基质被破坏，原有的孔隙结构被改变。因此，小孔是阜康矿区气煤瓦斯吸附的主要场所。
(3) 根据压汞实验，1—3号煤样孔隙的总孔容大于4号煤样，去除压汞法对微孔的破坏影响，1—3号煤的大孔、中孔、小孔的孔容也大于4号煤样，由此可见阜康矿区气煤的孔容较大，这为瓦斯提供了足够的储存空间。通过低温液氮吸附法实验得到气煤孔隙以小孔为主，小孔是瓦斯吸附的主要场所。虽然气煤的总比表面积小于4号高变质煤样，但其仍具有一定的瓦斯吸附能力。
5 结论
(1) 使用压汞法测量纳米级孔隙较不准确，而低温液氮吸附法基于毛细冷凝原理，适用于含大量微孔和中孔的材料，因此，利用压汞法测量煤的孔容，利用低温液氮吸附法测量煤的比表面积，两者结合使用，能够详细说明各个孔的分布情况。
(2) 阜康矿区气煤的孔径分布主要集中于大孔和微孔，孔径较大的孔隙由两端开口的圆筒形孔及四边开放的平行板孔组成，孔径较小的孔隙由一端封闭的圆筒孔、平行板孔、尖劈形孔组成，说明阜康矿区煤层孔隙结构整体开发性较好，有利于瓦斯抽采利用。
(3) 阜康矿区气煤具有较大孔容，可为瓦斯提供足够的储存空间；气煤又为瓦斯吸附提供较为可观的比表面积，可以推断出其具有存储大量瓦斯的能力，煤层瓦斯可以抽采利用。
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