煤孔隙結(jié)構(gòu)隨埋深變化特征研究

王敬謀

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001）

1 引言

煤作為一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，其孔隙特征直接影響煤中瓦斯的吸附、流動(dòng)與突出[1]。隨著煤層開(kāi)采深度的增加，瓦斯壓力和地壓都會(huì)增加，煤的孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育特征也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，而瓦斯主要以吸附狀態(tài)存在于煤的孔隙中，這就會(huì)造成瓦斯吸附特征不同和瓦斯含量的不同[2]。因此研究不同埋深煤中的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯的防治工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以宿州桃園礦不同埋深煤的孔隙結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采集的樣品來(lái)自82煤工作面煤層、10 工作面煤層，以實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析不同深度條件下煤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征及其瓦斯含量，進(jìn)行相關(guān)性分析，并找出影響孔隙結(jié)構(gòu)的原因，為煤層氣開(kāi)采和礦井瓦斯防治提供理論參考。

2 煤孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試

2.1 不同深度煤樣的采集

根據(jù)研究分別采取了桃園煤礦8煤和10煤煤樣。因?yàn)橛绊懨嚎紫督Y(jié)構(gòu)特征的因素很多[3]，為盡可能排除其他因素的干擾（如構(gòu)造因素、區(qū)域巖漿巖、煤的顯微組分等），增加實(shí)驗(yàn)的可靠性，采用兩個(gè)地質(zhì)成分相同的同一采區(qū)不同工作面的煤樣作為實(shí)驗(yàn)的樣品，先對(duì)同一煤層不同埋深工作面的孔隙特征進(jìn)行分析，找出相關(guān)性，再進(jìn)而將不同煤層不同埋深的煤樣的孔隙特征作對(duì)比分析，所采煤樣分別來(lái)自8281、8283工作面煤和1025、1026工作面煤，如表1所示。

表1 煤樣信息

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

所用試驗(yàn)儀器為Gemini VII 2390全自動(dòng)快速比表面積與孔隙度分析儀，它可快速、可靠地得到精確和可重復(fù)的比表面積和孔隙度的分析結(jié)果。

2.3 不同埋深煤樣的比表面積結(jié)果分析

表2 低溫液氮比表面積測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表2和圖1可以看出，對(duì)于同一采區(qū)不同埋深的兩個(gè)工作面，82煤中的D1-D2煤樣，煤的BET比表面積從0.6538m2.g-1增加到1.3336m2.g-1，數(shù)值明顯增加，對(duì)于任意孔段，D2煤的比表面積均大于D1煤；10煤中的兩個(gè)工作面煤的BET比表面積沒(méi)有明顯的變化，在絕大部分孔段略有增加；而相對(duì)于不同采區(qū)不同埋深的煤，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著埋藏深度的增加，BET比表面積從最初的0.6538m2.g-1減少到0.3162m2.g-1，呈明顯的降低趨勢(shì)。煤的比表面積越大，其吸附瓦斯含量越多，隨著煤埋藏深度的增加，煤表面的的微孔隙比例是增加的，更利于瓦斯的聚集，所以在對(duì)煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，要注意瓦斯突出的不利影響，深部煤層尤其要注意，以確保安全。

圖1 不同埋深煤樣的比表面積與孔徑分布關(guān)系

2.4 不同埋深煤低溫液氮吸附回線曲線分析

通過(guò)圖2可以看出，D2和D1煤樣有明顯的吸附回線，D2煤的吸附回線較D1煤大，說(shuō)明煤樣中的孔大多是兩端開(kāi)放型的孔[4]，其孔結(jié)構(gòu)透氣性好，有利于瓦斯的抽放，同時(shí)D2煤相對(duì)壓力在0.5Pa時(shí)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，說(shuō)明其孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；X1和X2煤吸附解吸曲線基本重合，沒(méi)有明顯回線，說(shuō)明煤中的孔隙大多為透氣性較差的封閉型孔，這種孔不利于瓦斯的抽放與運(yùn)移，在煤層的開(kāi)采過(guò)程中要尤其注意瓦斯突出的危險(xiǎn)。相同煤層的不同工作面的煤隨著埋深的增加，D2煤樣N2的吸附量是大于D1煤樣的，X2煤樣N2的吸附量也是略大于X1煤樣，但是綜合比對(duì)兩個(gè)不同埋深的煤層，隨著埋深的增加，其N(xiāo)2的吸附量實(shí)明顯降低的。N2的吸附量越大，說(shuō)明其煤表面比表面積越大。以上結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了2.3的結(jié)論，隨煤埋深的增加，煤中孔隙越不利于瓦斯的抽放，在開(kāi)采時(shí)需多加注意瓦斯的安全。

圖2 不同埋深煤低溫液氮吸附回線曲線

2.5 不同深度樣品比孔容和孔徑測(cè)試

測(cè)試結(jié)果顯示，對(duì)于同一煤層埋深不同的幾個(gè)工作面煤樣，深度增加，煤樣的總比孔容積分別從0.00235cm3.g-1增加到0.00381cm3.g-1和0.00138cm3.g-1增加到0.00167cm3.g-1；而對(duì)于不同煤層埋深不同的煤樣，隨著深度的增加，其煤樣的總比孔容積從0.00235cm3.g-1減少到0.00167cm3.g-1，呈降低趨勢(shì)；通過(guò)圖3可以看出，該特征更加鮮明，D2煤樣在任意孔段其孔容都大于D1煤樣；而X2煤樣在絕大部分孔段其孔容也都大于X1煤樣；煤的孔容和其孔徑分布是呈正相關(guān)的，以微孔為主[5]，孔徑越小，孔容越小，而這種變化說(shuō)明煤中孔隙所占體積在不斷減少，使得煤質(zhì)變得更加緊密。本文取樣煤樣最深為地下645m，預(yù)計(jì)更深的煤層，其突出效果會(huì)更加明顯。

圖3 不同埋深煤樣的孔容與孔徑分布關(guān)系

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)桃園礦不同埋深煤的比表面積、孔容、孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)特征的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诳紫督Y(jié)構(gòu)特征上存在的差異。最后得出如下結(jié)論：

（1）桃園礦深部煤層煤中的孔隙大多為透氣性較差的封閉型孔，這種孔不利于瓦斯的抽放與運(yùn)移，所以在對(duì)深部煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，要注意瓦斯突出的不利影響。

（2）隨著煤埋藏深度越大，煤的孔容和比表面積是不斷減小的，其煤中孔隙所占體積不斷減少，煤層會(huì)越加緊密。

（3）煤的孔容和其孔徑分布是呈正相關(guān)的，孔隙類(lèi)型主要以微孔為主，孔徑越小，孔容越小，隨煤層埋深的增加，這種特征會(huì)尤其明顯。

[1]朱興珊.煤層孔隙特征對(duì)抽放煤層氣影響[J].中國(guó)煤層氣,1996,(01):37-39.

[2]孫波,王魁軍等.煤的分形孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究[J].煤礦安全,1999,1(01):38-40.

[3]鐘玲文.煤的吸附性能及影響因素[J].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,29(03):327-332.

[4]陳萍,唐修義.低溫氮吸附法與煤中微孔隙特征的研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2001(05):554-555.

[5]郝琦.煤的顯微孔隙形態(tài)特征及其成因探討[J].煤炭學(xué)報(bào),1987,12(04):51-57.