煤層突出傾向與其孔隙結構的相關性研究

沈雪梅

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原030024；2.潞安職業技術學院，山西 長治046204）；

煤與瓦斯突出事故是礦井最為嚴重的事故之一，而有效的煤與瓦斯突出預測是防治煤與瓦斯突出的基礎工作之一，對礦井的安全生產具有重要意義。本文以潞安集團余吾煤礦為例，通過壓汞法測定該礦井樣品在微觀尺度下，不同孔徑范圍的孔容分布和孔比表面積，結合宏觀上煤對瓦斯的吸附和解吸實驗并利用吸附機理來分析煤層中瓦斯的賦存和解吸釋放特征，以及在開采過程中瓦斯突出危險性的分析。研究結果對沁水煤田新建礦井的煤與瓦斯突出危險性的預測具有一定參考價值。

1 煤樣孔隙分布測定實驗分析

孔隙分布測定實驗所用煤樣選自潞安集團余吾煤礦3＃煤層，并從他處另選一樣品作為對比試樣。所取煤樣質量控制在1.2～1.5g，選取煤樣的煤質如表1所示。

表1 煤樣的煤質分析

采用壓汞分析法來測定樣品的孔隙結構和孔隙率，孔隙測定儀選用美國麥克馬提克公司生產的9310型壓汞微孔測定儀，測試之前先將樣品置于DHG3200型恒溫鼓風干燥箱，恒溫90℃干燥12h，而后抽真空后開始實驗。由于汞是不浸潤流體，采用公式計算孔徑與進汞壓力的關系：

式中：γ為汞能壓入的孔隙半徑，單位m；б為汞的表面張力，等于0.4716N／m；α為汞對煤的浸潤角，等于142°；P為進汞壓力，Pa。

1.1 1＃、2＃煤樣不同孔徑范圍內的孔容分布

通過對比2塊樣品的進汞曲線（見圖1）可知：在相同的進汞壓力下，1＃煤樣的累計進汞量明顯高于2＃煤樣，每一孔隙階段前者的孔隙率大約是后者孔隙率的2倍；在退汞過程中，兩者的退汞率均在50%左右，說明進汞與退汞不是完全可逆的過程。綜合分析測定結果可知：1＃煤樣的總孔容是2＃煤樣的2倍。

圖1 1＃、2＃煤樣不同孔徑下的進泵、退泵曲線

1.2 1＃、2＃煤樣的孔徑分布規律

通過分析可知：在不同孔徑的百分比分布規律上，兩曲線出現交替上升的情形（見圖2），當大于100nm孔徑時，二者百分比幾乎相同；其次，當孔徑范圍在1～100nm之間時，1＃樣品所占百分比居多；最后，當孔徑小于1nm直至6nm時，2＃樣品所占百分比居多。其中，在孔徑小于100nm時，兩曲線的斜率均突然升高。綜合分析可知：兩者均以小于100nm的微孔隙為主，且由于兩曲線在不同點處的斜率大致是相近，2塊樣品的孔隙分布規律基本一致。

圖2 1＃、2＃煤樣孔徑分布對比曲線

1.3 1＃、2＃煤樣孔比表面積分布規律

通過分析1＃、2＃煤樣的累計孔隙內表面積隨實驗進行時的對比曲線可知（見圖3）：孔比表面積與孔隙率的關系在孔隙分布規律中成正比，2塊樣品的孔徑分布規律基本一致。兩曲線在孔徑小于100nm的范圍內，一直處于0附近，當孔徑達到50nm時，孔比表面積開始增加，且1＃煤樣的增長速率始終高于2＃煤樣，1＃煤樣的孔比表面積是2＃煤樣的2倍，可知：1＃煤樣的孔隙率、孔容和孔比表面積均是2＃煤樣的2倍。具體的孔容、孔比表面積在不同孔徑范圍內的分布規律見表2。

圖3 1＃、2＃煤樣不同孔徑的孔比表面積

表2 1＃、2＃煤樣不同孔徑范圍內的孔容和孔比表面積

2 煤層孔隙結構與瓦斯突出的關系

煤中瓦斯的賦存一般是游離態和吸附態兩種，在礦井的瓦斯壓力和開采深度影響下，吸附瓦斯占瓦斯總量的85%～90%，吸附和游離隨外界條件的變化而變化，是一個動態平衡的過程。煤對瓦斯的吸附作用是物理吸附，吸附模型采用國際上通用的廣泛被認可的Langmuir單分子層吸附模型，即單位質量的煤孔比表面積越大，吸附性越強。由于氣體分子的間距較大。因此，只要孔徑大于吸附氣體的分子直徑，瓦斯分子就可以被吸附到此孔隙中，CH4分子的直徑大約是3nm，因此在用壓汞法測定的孔隙范圍內，瓦斯分子均可被吸附至測量孔隙中。

余吾礦井3＃煤層距地面的距離為600m，地應力達到15MPa，賦存瓦斯壓力是0.86MPa，在較高的瓦斯壓力下，吸附量隨瓦斯壓力的變化范圍不大，按實驗室所得數值進行分析：余吾礦井的瓦斯涌出量是對比試樣的2倍，而實測結果是未進行有效瓦斯抽放的前提下，在開采過程中余吾礦井的相對瓦斯涌出量是20m3／t，對比礦井的相對瓦斯涌出量是11m3／t，瓦斯涌出量比值接近2，所以，用孔隙結構來分析瓦斯突出是科學的，結果與實測結果較為接近。

3 結語

通過典型煤樣的孔隙構造分布規律來預測煤層的突出危險性，有如下優點：

1）取樣方便，在礦井勘探取樣的過程中，采用取下的煤芯，就可以進行孔隙測定，通過孔隙分布規律預測此煤層的突出危險性。

2）測定結果較準確，只要保證取樣典型，就可以保證測定結果的科學性和可采用性。

3）預測性強，在礦井開采之前，預測其突出危險性，給日后礦井生產方式的選擇提供一定的參考。

余吾煤礦3＃煤層孔容和孔比表面積大約是對比煤層的2倍，瓦斯的賦存量和瞬時解吸量也是此比值，而礦井實測結果的相對瓦斯涌出量比值也大約是2，細觀孔隙規律的研究與實際瓦斯涌出值基本相同。用此方法可以對沁水煤田其它新建或規劃礦井的煤層突出危險性預測提供一定的參考。