煤層采樣化驗技術研究

李浩浩

（山西省節能中心有限公司，山西 太原 030045）

0 引言

煤炭應用于燃燒、氣化和液化等過程以及制造冶金焦炭的碳化。煤及其衍生產品也用作其他材料的前體和化學品生產。有兩個特征會影響煤炭的使用：其成分和等級；反過來，煤炭成分由兩個基本獨立的因素表示類型和等級[1]。煤炭是一種非均質材料，對煤炭類型的評價可以從宏觀和微觀兩個不同的層面進行，兩者都是煤炭巖石學的一部分。根據煤的變質作用，它涉及從泥炭到煙煤再到無煙煤和偏無煙煤到石墨的物理和化學轉化。煤炭等級是一段時間內作用的熱量和壓力的產物，其特征是水分和揮發性官能團逐漸減少，因此煤的碳含量增加。另一方面，煤礦開采，尤其是地下礦山，經常遇到多種地質限制，其中大塊堅硬的頂板和瓦斯是最嚴重的威脅，易導致頂板塌陷、礦井爆炸和瓦斯污染等災難性影響[2]。因此，為了提高井下煤礦的安全，在詳細勘探過程中識別上述約束是非常必要的。煤田的可開采煤層通常與豐富的煤層氣含量有關，這提高了它們的經濟重要性，但氣體含量以及穩定砂巖頂板的存在同時在開采過程中引發了挑戰。煤層氣還對環境造成危害，導致溫室效應。因此，本文通過實驗室灰、燃燒灰和燃煤沉積物的熱化學分析和利用高壓電脈沖技術對煤層中含水率和滲透率進行分析，助于獲取煤層儲量、頂板特性和氣體含量相關的技術參數，以了解具有經濟重要性的煤田的煤炭儲量的地質和工作環境。

1 煤層的基本情況

6 個主要煤層的儲量分布和化學性質基本一致，這些煤層由優質儲量組成，熱值高、有機物含量高、雜質含量低，具有較低空化度的穩定頂板覆蓋，其形式為具有中等彈性和強度的厚硬中粒砂巖層。除南部的斷層外，煤層構造剖面穩定，沒有任何突然間斷。一些較高等級的煤層也含有潛在的煤層氣含量。

2 實驗室灰、燃燒灰和燃煤沉積物的熱力學分析

煤中的礦物雜質形成灰分，一部分飛灰在粉煤燃燒爐中形成沉積物。了解煤中的礦物質轉化為粉煤灰和沉積物的形成，并幫助工業工程師更好地處理與灰燼相關的問題。根據標準化程序測試通過熱機械分析（TMA）測量的灰熔融性已被廣泛用于比較和預測各種煤的結渣潛力[3]。目前的研究旨在了解TMA 分析對煤燃燒沉積物的物理、化學和形態特性的敏感性。在研究燃燒殘留物，包括在815 ℃的實驗室烘箱中制備的灰燼，在中試規模爐中收集的飛灰和從一種煤炭產生的公用爐中收集的沉積物用于TMA 分析。

煤的最終用途主要取決于礦物的組成、分布、出現方式及其與有機物的結合。因此，充分了解礦物、微量元素及其引燃行為對于后續煤炭在各個方面的利用是不可避免的。在這里，闡述了兩種高灰分非焦煤（AH和BL）的比較表征和燃燒研究，干基灰分質量分數分別為42.42%、45%，總熱值分別為15.15、14.08 MJ/kg。兩種煤都富含鏡質體，具有中度的褐煤，且惰質體的體積百分比相對低于鏡質體。這兩種煤都富含鋁硅酸鹽礦物，Fe 和Ti 氧化物的含量適中。它們具有離散晶界的結晶形式，這使得它們易于選礦。兩種煤的結渣和結垢潛力低、二氧化硅含量高、堿酸比低等分餾特性表明，這兩種煤在火力發電廠中的連續利用是可行的。BL 煤的峰值溫度和燃盡溫度比AH 煤低。BL 樣品的揮發性物質也相對較多。兩種煤都具有較高的灰熔融溫度，但BL 煤灰由高比例的難熔礦物組成，例如SiO2高硅比和低堿酸比，表明這兩種煤在火力發電廠中的連續利用是可行的。兩種煤都具有較高的灰熔融溫度，但BL 煤灰由高比例的難熔礦物組成，例如SiO2、Al2O3和TiO2。因此，BL 煤具有更好的易點火性，其燃燒特性有望比AH 煤改善。

使用自動掃描電子顯微鏡逐個顆粒地表征飛灰，然后使用主成分分析（PCA）分析粒子數據，以發現20種不同飛灰的粒子化學成分之間的相互關系。在20種飛灰中觀察到一致的趨勢。每個粒子分為四大類，化學成分有限。這四組在所調查的不同飛灰中的占比不同。用這些飛灰制成的混凝土混合物測量了抗壓強度和表面電阻率，這四組與混凝土的性能相關。這一發現是開發基于單個顆粒組成的更一般的飛灰分類的重要一步，這有助于優化混合物設計，并通過提高工業副廢物使用的有效性而有利于形成可持續混凝土。

通過不同的研磨性能獲得不同鐵含量的灰樣品，通過將灰與石英、高嶺石和鋁土礦混合制備不同硅和氧化鋁含量的灰樣品。結果表明，煤灰的TMA 測量值對鐵含量非常敏感，可用于指示燃煤鍋爐中與鐵相關的結渣問題。對于灰燼沉積物，其均質/非均質性質和灰燼化學等物理特性都會影響TMA 測量[4]。通過將灰與石英、高嶺石和鋁土礦混合來制備具有不同硅和氧化鋁含量的灰樣品。結果表明，煤灰的TMA 測量值對鐵含量非常敏感，可用于指示燃煤鍋爐中與鐵相關的結渣問題。對于灰燼沉積物，其均質/非均質性質和灰燼化學等物理特性都會影響TMA 測量。通過灰與石英、高嶺石和鋁土礦混合來制備具有不同硅和氧化鋁含量的灰樣品。煤灰的TMA 測量值對鐵含量非常敏感，可用于指示燃煤鍋爐中與鐵相關的結渣問題。對于灰燼沉積物，其均質/非均質性質和灰燼化學等物理特性都會影響TMA 測量。

3 含水率及滲透性分析

本研究對不同水分含量煤樣的擊穿電壓進行了測試，建立了平均擊穿場強與煙煤樣品水分含量之間的指數函數關系。結合掃描電子顯微鏡和核磁共振，研究了孔隙結構的變化，以更好地了解不同煤層含水率的孔隙結構演化特征。此外，采用傅里葉變換紅外光譜得到不同水分含量煙煤樣品經高壓電脈沖后化學結構的變化。結果表明，在高壓電脈沖作用下，煤體內形成了許多中孔和大孔，中孔和大孔之間的連通性很好。煤體含水率越高，電脈沖擊穿過程中形成的孔隙和裂縫就越多。1%、1.5%、2%含水率煤樣電脈沖擊穿后總孔隙率明顯高于0%、0.5%含水率煤樣。因此，高含水率有利于提高煤體的透氣性。光譜分析表明，在不同含水量煤樣的分解過程中，等離子體通道表面發生氧化。此外，煤中水分含量的增加有利于產生更多的含氧官能團，這將有利于甲烷的解吸。

煤中孔隙系統具有高度非均質性，是煤層氣的主要賦存空間和輸送通道。電脈沖壓裂已被認為是改善煤物理性質以更好地生產煤層氣的有效方法。這是通過首先分析吸附不同陽離子煤的擊穿場響應過程，然后使用分水嶺法確定孔隙和表面粗糙度的動態變化來實現的。隨著陽離子價數的增加，粘附力的不均勻分布被量化。化驗結果表明，中高檔煤對陽離子的吸附能力表現為Fe3+＞Ca2+＞K+，這是由于隨著離子化合價的增加水合離子半徑減小。當電場作用于煤樣的兩端時，煤中的等離子體通道產生巨大的能量，導致孔隙裂縫和喉道溫度升高。受電脈沖壓裂影響，孔隙率從4.1%增加到27.4%，反映了煤層高度從右偏正態分布到左偏正態分布的變化。

4 結語

通過煤層取樣進行實驗室灰、燃燒灰和燃煤沉積物的熱力學分析，可以有效獲取煤中的礦物質轉化為粉煤灰和沉積物的形成過程，并幫助工業工程師更好地處理與灰燼相關的問題，有效的儲層增產是提高煤層氣采收率的關鍵。超聲波處理為傳統的水力壓裂從煤層抽氣提供了一種新的替代方法，更好地理解超聲對煤結構的影響以及通過煤的氣體解吸和傳輸行為對于勢場實施至關重要。這些結果可以對煤炭質量的檢測和瓦斯抽采和煤層氣生產過程中的瓦斯輸送產生積極影響。