基于壓汞法、掃描電鏡法對無煙煤孔隙特征的研究
——以青東礦為例

張海濤，趙景宇，邵 政

(宿州學院 1.資源與土木工程學院；2.安徽省煤礦勘探工程技術研究中心；安徽 宿州 234000)

無煙煤是由高等植物通過泥炭化作用并埋藏在地下一定深度處經過高溫高壓的作用形成的一種變質程度最高的煤。該煤的含碳量高，孔隙發育、比表面積較大，與煤層氣成藏、瓦斯突出、礦井透水事故等息息相關[1-2]，針對其孔隙特征研究是重中之重。程迎慶[3]通過對產煤地區原煤的孔隙大小，成因分類等總結了目前廣泛使用的孔隙分類方法。降文萍[4]通過研究煤的孔隙特征來解決煤礦上常見的瓦斯吸附與突出等問題。目前國際上研究孔隙特征的科學技術手段眾多，但是不同的技術方法可適用的孔徑范圍不同，只運用一種技術方法是不能準確體現出無煙煤的孔隙結構和微觀孔隙特征，必須結合多種技術手段方法進行測定[5]。擬以安徽省青東礦區無煙煤作為研究的對象，在對其進行初步孔隙識別的基礎上，利用壓汞儀定量測量孔徑大小、掃描電子顯微鏡定性表征孔隙結構形貌，兩種方法綜合研究其孔隙特征，為無煙煤煤炭資源的評價指標與開采方法提供科學有效的理論儲備。

1 區域地質概況

青東礦隸屬于淮北礦業集團，位于濉溪縣李小廟至大劉家一帶，距宿州、淮北兩市均為45km。坐標位于東經116°25′43″～116°34′43″之間，北緯33°36′33″～33°40′28″之間[6]。井田在構造上位于淮北煤田的中央地帶，整體處于斷層的夾塊之中，屬于斷塊狀控煤構造，具體東臨大劉家斷層，西至F9斷裂，北部有宿北斷裂，南部有孟集斷層，其中井田內發育的主要含煤地層為二疊系的上、下石盒子組以及山西組。

2 實驗原理

2.1 壓汞法

壓汞法即運用壓汞儀來測定孔徑大小的常用方法。基本原理：汞在25℃、101kPa狀態下呈現液態形式，對一般的固體也不潤濕，如果要將液態汞擠入孔隙中需要克服液態汞的表面張力，此時需要施加一定值的進汞壓力才能將液態汞壓進孔隙，當所施加的進汞壓力越大時，液態汞能夠進入樣品的孔隙直徑越小，則進入孔隙的液態汞量越多[7-8]。假設樣品孔隙的理想形態是圓柱狀，則孔隙直徑與進汞壓力之間的關系為：

式中：d為孔隙直徑(μm)；γ為液態汞的表面張力系數(N/m)，通常為0.485N/m；θ為接觸角，即液態汞進入孔隙時與樣品之間的夾角，一般取值范圍在125°～135°，本次試驗取值為130°；p為進汞壓力(MPa)。

2.2 掃描電鏡法

該種方法是操作高分辨率的電子顯微鏡(SEM)對樣品表面結構特征實現定性觀測與分析的常見技術手段[9]。首先電子光學系統中電子槍激發出的細小電子束轟擊以重金屬粉末為導電膜的樣品塊體表面后會產生二級電子，然后二級電子會被信號檢測放大系統中的電子檢測器所檢測集中，最終會轉化為電信號并形成與掃描電子束同步的表面掃描圖像。通過觀察樣品的掃描電鏡圖像，對其孔隙特征進行定性描述和歸納。

3 結果與分析

3.1 壓汞數據分析

由于無煙煤的孔隙類型與結構比較復雜，國際上的專家學者對于孔徑的劃分與類型也尚未形成統一的國際標準，例如IUPAC將孔徑分為三類：微孔(<2nm)、中孔(2～50nm)、大孔(>50nm)；又有十進制孔隙分類方法將其分為四類：微孔(<0.01μm)、過渡孔(0.01～0.1μm)、中孔(0.1～1μm)、大孔(>1μm)[10]。為便于對無煙煤的孔隙分布特征的研究，將采用十進制分類法。利用壓汞法所測得的數據繪制成如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 樣品M1累計進汞體積圖

圖2 樣品M1階段進汞體積圖

圖3 樣品M2累計進汞體積圖

圖4 樣品M2階段進汞體積圖

圖1和圖3為累計進汞量與其孔隙直徑大小之間關系的曲線圖，圖2和圖4則是階段進汞量與其孔隙直徑大小之間關系的曲線圖，將2個不同煤樣的累計進汞體積與階段進汞體積進行對照分析。如圖1和圖3所示，曲線為一條平滑的下降曲線，表現為累計進汞量與孔徑大小基本呈反比例的關系。當孔徑越小時，所需要克服的表面壓力強度越大，則所施加的外加壓力就越大，進入孔隙的累計進汞量就越多；當孔徑越大時，所需要施加的壓力就越小，而進入孔隙的累計進汞量就越少，這也大體上吻合理論方程Washburn孔徑計算公式，即所施加的外力值與其孔徑大小成反比。根據圖1和圖3可知，無煙煤樣品其孔徑分布范圍在0.001～200μm之間，微孔、過渡孔、中孔、大孔均有發育，最大孔徑約為180.65μm，最小孔徑約為0.003μm。當孔徑<0.01μm時，曲線近似為一條直線且斜率比較大，隨著孔徑逐步增大，曲線上的散點分布疏松，累計進汞量的陡降表明進入該孔徑范圍孔隙的液態汞明顯減少；而當孔徑>0.01μm時，隨著孔徑的逐步增大，曲線近似為一條水平線，而且大部分散點集中分布于這個區域，表明進入該孔徑范圍孔隙的液態汞量基本保持不變。綜合分析可知，所施加的外力作用越大時，則進入樣品孔隙的液態汞體積量越多，而相對應的孔隙直徑越小。當孔隙直徑<0.01μm時，注入的液態汞體積最多，而當孔隙直徑>0.01μm時，則注入的液態汞體積則越來越少，表明孔徑<0.01μm的孔隙在該無煙煤樣品中非常發育且所占比例最大。階段進汞量隨孔徑大小改變而變化的規律如圖2和圖4所示，此時曲線不再呈平滑的下降趨勢，而是似山峰般起伏不平，在每個孔徑劃分范圍內均有一個高峰值，其中最明顯的高峰值分布在孔徑<0.01μm處(微孔)，而孔徑在0.01～100μm范圍內的孔隙進入的液態汞量很少且幾乎觀察不到峰值，因此判定孔徑<0.01μm的孔隙在樣品中最為發育。最后綜合累計進汞量與階段進汞量的定量分析結果，可得知該無煙煤樣品孔隙的直徑主要集中分布在<0.01μm的范圍內，屬于十進制孔隙劃分法中的微孔結構。

3.2 掃描電鏡分析

圖5 煤樣M1掃描電鏡圖

圖6 煤樣M2掃描電鏡圖

圖5和圖6為煤樣在S-4800電子顯微鏡形成的清晰圖像。在兩圖中，白色物質為黏土礦物，含量較多，形態各異，多呈片狀，在外力作用下形成了貝殼狀的斷口破裂面。深灰色為煤樣表面，黑色為煤樣孔隙，微孔數量眾多，中孔、大孔數量少且呈不規則的圓形或者橢圓形，內無其它填充物，也不存在定向排列，多呈現雜亂散點分布，孔隙直徑大小不一，而且煤樣在構造作用下發生斷裂形成了不規則交錯的裂隙網絡。產生這種現象的原因可能是在埋藏過程中受到高溫高壓作用使其變質等級逐步提高，對應的孔隙率總體上也隨之越來越大，但并非是呈現同步增減的正比例關系。在煤形成的初級階段，煤本來結構疏松，微粒接觸松散且連接微弱，孔隙率較大，后來在一定埋藏深度土體自重應力作用下開始壓密，顆粒相互靠攏并且排列變得緊密，孔隙率減小。隨著煤的變質程度進一步提高，煤層在隔絕空氣的相對密封環境下受熱分解能夠形成許多微小孔隙，并生成焦炭、焦爐氣等干餾產物，使其比表面積逐漸增大，到無煙煤時其孔隙率在所有變質程度煤種中達到最大值。

4 結論

在初步識別青東礦無煙煤孔隙的基礎上，結合多種科學技術手段(壓汞法、掃描電子顯微鏡法)進行進一步的分析，取得了如下結果。

(1)經過壓汞法分析得知青東礦無煙煤孔隙集中分布在孔徑<0.01μm的范圍內，與安徽地區甚至全國地區無煙煤總體孔隙大小類似，屬于微孔結構。

(2)在掃描電鏡下觀察發現無煙煤樣品微孔發育，大小不一，黏土礦物分布較多，不規則的裂隙交錯分布。

(3)綜合分析可知青東礦無煙煤孔隙特征是由該地區強烈的巖漿活動形成的，地下水攜帶的礦物質沉淀在裂隙里導致無煙煤中黏土礦物富集。