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古汉山矿二1煤瓦斯吸附解吸特征及对瓦斯抽采的影响

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大量事实已证明瓦斯突出事故主要发生在构造煤发育区，突出点发生在由构造煤组成的煤层或煤分层里。古汉山矿为煤与瓦斯突出矿井，从1990年至今发生过多次煤与瓦斯突出事故，主采二 1煤层瓦斯含量高，压力大，在构造挤压和剪切作用下，在底板处形成一层破坏严重的软分层，软分层的存在导致煤体强度减弱，渗透性变差，瓦斯向底板运移难度增大，易形成高能瓦斯富集带，增加了突出的危险性。所以为了有效防治古汉山矿二 1煤层瓦斯灾害事故和提高瓦斯资源的有效利用。本文以“古汉山矿二1煤瓦斯吸附解吸特征及对瓦斯抽采的影响”为主要研究主题，通过实验研究、理论分析，分别研究二 1煤层软煤和硬煤的孔隙结构特征和吸附解吸特征，重点分析软煤和硬煤吸附解吸的差异性，并从孔隙结构的层面分析造成差异的原因。根据软煤和硬煤吸附解吸的差异性，分析对瓦斯抽采的影响。本文得出的主要结论如下： （1）通过压汞实验和液氮吸附实验分析了软煤和硬煤的孔隙结构特征，利用液氮吸附实验和压汞实验测量孔径范围的不同，在孔径 D>33nm 时采用压汞实验所测得的结果，D≤33nm 时采用液氮吸附实验所测得的结果，将两者的测定结果汇总，综合分析了软硬煤的孔隙结构特征。汇总后显示软煤的微孔、小孔、中孔和大孔孔容及比表面积均比硬煤大。分别利用压汞实验和液氮吸附实验的数据分析了软煤和硬煤的分形维数，结果表明，液氮吸附实验获得的硬煤的分形维数小于软煤，而压汞实验获得的硬煤的分形维数大于软煤，说明相比于硬煤，软煤微孔和小孔的表面粗糙度和不规则程度更大，而中孔和大孔的表面粗糙度较小。 （2）通过不同初始吸附压力下的等温吸附实验，探究了软煤和硬煤的瓦斯吸附特征及差异性，在相同初始吸附压力下，随着吸附时间的增加，软煤和硬煤的累积吸附量逐渐增大，并最终趋于稳定，吸附速率则逐渐减小。达到吸附平衡后，软煤的累积吸附量和初始吸附速率均大于硬煤，分别为硬煤的1.46~1.61倍和1.81~1.91倍。随着初始吸附压力的增加，软煤和硬煤的累积吸附量和初始吸附速率也在增大，相比于硬煤，软煤的累积吸附量和初始吸附速率随初始吸附压力的增大以更大的速度在增加。 （3）进行了不同吸附平衡压力下的解吸实验，研究了软煤和硬煤的瓦斯解吸特征及差异性，在相同吸附平衡压力下，软煤和硬煤的累积解吸量随时间的增加而增大，解吸速率随时间的增大而减小，软煤的第1分钟累积解吸量、极限解吸量和第1分钟的解吸速率要大于硬煤，分别为硬煤的1.91~4.04倍，1.25~1.65倍和1.70~3.27倍，而第30min和第120min的解吸速率要小于硬煤。不同吸附平衡压力下，软煤和硬煤的累积解吸量和解吸速率随压力的增加而增大，软煤的第1分钟的累积解吸量、极限解吸量、第1分钟的解吸速率随平衡压力的增加以更大的速度增大，而硬煤的第30分钟和第120分钟的解吸速率随平衡压力的增加以更大的速度增大。 （4）基于第三章对软煤和硬煤的孔隙结构特征的实验研究，选取了煤样的微孔孔容、BET比表面积和分形维数作为煤的孔隙结构特征参数，分析了其对吸附解吸特征的影响规律，相比于硬煤，软煤的BET 比表面积、微孔孔容和分形维数更大，为煤体表面吸附瓦斯提供了更多的吸附位，更大的瓦斯运移通道和更强的瓦斯吸附能力，因此相同条件下，软煤的瓦斯吸附量更大，在解吸时，软煤的初始浓度梯度更高，累积解吸量和初始解吸速率更大。 （5）煤层卸荷之后，软煤由于吸附能力强，瓦斯含量高，相应的解吸量大，解吸初期的解吸速度更快，所以瓦斯抽采初期，抽采浓度和抽采流量更大；相比于软煤，硬煤的解吸是一个逐步的过程，在解吸的初期，解吸速度小于软煤，但解吸到后期，解吸速率反而比软煤大，所以在抽采的后期，主要是硬煤影响瓦斯抽采。由于硬煤解吸速度衰减的慢，解吸时间长，可能造成瓦斯抽采周期过长，影响生产接替。

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