桃园井田煤的孔隙结构特征研究

2016-08-08李建楼堵紫薇

宿州学院学报 2016年7期

关键词：孔容吸附

李建楼，堵紫薇

1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000；2．安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州，234000

桃园井田煤的孔隙结构特征研究

李建楼1,2，堵紫薇1

1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000；2．安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州，234000

摘要：为了研究安徽省淮北煤田桃园井田煤的孔隙结构特征，采集了该井田71煤、82煤和10煤3个正在开采煤层的煤样，采用低温氮吸附实验方法测试了煤的孔隙比表面积、孔容和平均孔径等物理参数，对孔隙形态发育特征进行了初步判别，分析了7135工作面和1035工作面煤比表面积异常的原因。测试结果表明：桃园井田中三种类型的孔隙普遍存在；7135工作面和1035工作面煤的孔隙比表面积和孔容明显偏大，平均孔径明显偏小。分析表明， 7135工作面和1035工作面地史上受构造运动和岩浆短期热力作用的综合影响，因而该地段煤的孔容和比表面积都增大，平均孔径减小，墨水瓶状或锥形瓶状孔隙增多。

关键词：煤；吸附；孔容；比表面积

煤是一种多孔介质，可看作由孔隙和裂隙组成的双重孔隙结构系统[1-2]。煤层瓦斯主要以吸附态和游离态两种状态赋存在煤的孔隙和裂隙中，其中吸附态的瓦斯主要赋存在小孔和微孔中，占煤层瓦斯含量的绝大部分[3-4]。孔隙的大小、形态及其组合特征影响煤层瓦斯的赋存和运移特征。因此，研究煤的孔隙结构特征对煤层瓦斯含量预测及瓦斯抽采过程中的运移状态具有重要的意义。为了厘清桃园井田煤的孔隙结构发育特征及其影响因素，本文采用低温氮吸附实验方法，对比分析了7煤、8煤和10煤三个煤层煤的微观孔隙结构差异，可以为该井田煤层瓦斯的富集分布规律提供一定的理论参考。

1研究区煤田地质概况

桃园井田位于淮北煤田东南部，宿县矿区宿南向斜西翼的北段，地处宿北断裂、光武—固镇断裂、丰县—口孜集断裂和固镇—长丰断裂断块内。矿井构造受区域构造的严格控制，为走向近南北、倾向东的单斜构造。该井田所处区域构造位置如图1所示。

桃园井田含煤岩系为石炭-二叠系。其中，石炭系含煤6～8层，均为不可采煤层；二叠系含11个煤层组(1煤～11煤)，煤层总厚度21.75 m，可采煤层有32、4、52、61、63、71、72、82、10等9层，其中32、82、10三层煤较稳定，4、52、61、63、71、72等6层不稳定，较稳定煤层储量占矿井总储量的48.4%。目前，正在开采的有71煤、82煤和10煤，三个煤层的概况如下：

图1　淮北煤田地质构造纲要图

71煤位于下石盒子组的下部，厚度范围0～3.71 m，平均厚度1.08 m，以简单结构为主，煤层顶、底板以泥岩为主，含少量粉砂岩或砂岩。

82为主要可采煤层，位于下石盒子组下部，上距71煤平均24 m左右，厚度范围0～4.10 m，平均厚度2.01 m，以简单结构为主，顶板以砂岩为主，含少量的泥岩或粉砂岩；底板以泥岩为主，含少量粉砂岩。

10煤层为主要可采煤层，位于山西组的中部，上距82煤层平均84 m左右。煤层厚度范围0～5.52 m，平均厚度2.96 m。单一结构煤较少，多含1层夹矸，夹矸一般为泥岩或炭质泥岩。其大部分原生沉积较稳定，但在矿井的南部，由于受岩浆侵蚀影响，稳定性遭到破坏。煤层顶板以泥岩、粉砂岩和砂岩为主，底板以泥岩为主，含少量粉砂岩。

2实验样品和测试方法

2.1实验样品采集和处理

实验样品取自桃园井田7135工作面、8281工作面、8201工作面机巷、8201工作面风巷、1025工作面和1035工作面新鲜煤壁，合计取了6个工作面的代表性样品。将采集的新鲜样品分别放入塑料密封袋，在实验室内使用橡皮锤进行破碎成较小的颗粒，用60目和80目细筛进行筛分，取颗粒直径60～80目煤颗粒作为实验样品备用。然后，取6支实验专用试管，分别装入6种实验样品1.7 g左右，称重后记录每个样品的实际质量；将装有样品的样品管放入加热装置中，设置加热装置,加热温度为50℃，利用氮气将样品和外界空气隔离，防止加热过程中煤发生氧化，干燥煤样,直至脱去全部水分，再次称重，计算出每个样品的含水率和干燥后的煤样质量。最后，将6支装有样品的样品管静置到室温，等待测试。

2.2测试方法

采用美国麦克公司生产的Gemini VII 2390t全自动比表面积和孔隙分析仪对煤样进行孔隙结构测试。该仪器测试固体颗粒孔隙结构的理论依据是吸附充填理论，即先对样品抽真空，然后向样品注入氮气，注入的氮气在液氮温度下凝聚成液态，充填在煤的孔隙中。当注入氮气压力较低时，氮气首先在微孔中凝聚充填；随着压力的增加，微孔、小孔、中孔和大孔会依次被充填。因此，较小压力测量得到的孔容、表面积及孔径代表较小孔隙的特征，较大压力反映的是较大孔隙的特征。按照设定参数测试完成后，仪器根据吸附量随压力变化绘制吸附-解吸曲线，并计算出孔容、比表面积和平均孔径等参数值。

3实验结果与分析

测试完成后，利用EXCEL绘制6个样品的低温氮吸附-解吸曲线,如图2～7。

从图2～7可以看出，同等温度、压力条件下，7135工作面和1035工作面煤的吸附量明显高于其他工作面2倍以上；其中，7135工作面煤的吸附量最大，其次是1035工作面，8281工作面和8201工作面煤的吸附量居中，1025工作面煤的吸附量最小。

由毛细凝聚理论可知，液氮的吸附-解吸曲线反映了一定的孔型结构。煤的孔隙结构大致可分为3类[5-7]：第一类，吸附-解吸曲线大致重合部分对应的孔隙多为一端开口、一端封闭的孔隙。第二类，吸附-解吸曲线形成明显的回线形态，这类孔隙多为两端开放的孔隙。第三类为特殊的孔隙，在解吸曲线上存在一个明显的陡降点，对应的孔隙为近似墨水瓶状或锥形瓶状孔隙。

7135工作面、1035工作面以及8201工作面煤的解吸曲线上都存在明显的陡降点，说明它们都含有较多的墨水瓶状孔隙。根据文献[7]，墨水瓶状孔隙的大量发育与韧性变形糜棱煤密切相关。当煤体经历不均匀挤压产生韧性变形，孔隙形态往往不均匀变化，管状孔隙或狭缝状孔隙一部分演化成墨水瓶状或锥形瓶状；而原生结构煤或碎裂煤中墨水瓶状孔隙不明显，碎粒煤两端开放型孔隙明显较多。因此，综合吸附量异常大和墨水瓶状孔隙大量发育两个特征，基本上可以说明7135工作面和1035工作面煤孔隙受后期构造运动改造程度较高，8201工作面煤孔隙受改造程度较低。

8281工作面和1025工作面煤的解吸曲线没有明显的陡降点，且吸附量较低，说明它们的构造煤发育程度低。8281工作面煤的吸附-解吸曲线有明显的回线，说明它的煤中两端开放型孔隙较多，有利于煤层开采时瓦斯的运移；1025工作面煤的吸附-解吸曲线没有形成特别明显的回线，说明它的煤中一端封闭、一端开口的孔隙较多，不利于煤层开采时瓦斯的运移。

6种煤样的物理参数测试结果见表1。

表1　煤的物理参数测试结果

3个煤层的元素分析及挥发分分析见表2。

表2　煤层元素及挥发分产率分析统计表

从表1可以看出，对于桃园井田而言，随着煤层的依次变老，含水率呈单调递减；而比表面积、孔容和平均孔径随煤层新老变化规律不明确，说明有其他重要因素控制着孔隙结构发育特征。从表2可以看出，桃园井田的7煤、8煤和10煤的干燥无灰基碳含量均值都在85%左右，挥发分含量均值都在36%左右，处于煤化作用过程中第一次跃变(Cdaf=75%～80%，Vdaf=43%)和第二次跃变(Cdaf=87%，Vdaf=29%)之间，即处于气煤阶段[9-10]。这里需要指出的是，10煤虽然上距82煤平均有84 m，但变质程度差异并不大。

对于中低变质程度的煤，随着变质程度的增加，总的孔容和比表面积一般都减少[11-12]；随煤体破坏程度的加强，煤的孔容和比表面积都增大[13-14]；岩浆岩的接触变质作用使煤的比表面积变小，而岩浆岩的远距离短期烘烤作用会导致煤的比表面积变大[15]。该矿井生产过程中揭露的地质资料表明，南三采区煤层内有岩浆岩侵入现象，而岩浆岩的侵入现象往往与构造运动关系密切；7135与1035两个工作面都在南三采区，在地理位置上为同一局部区域，地史上经历了印支运动和燕山运动的改造，煤层孔隙结构产生了相似的变化。例如比表面积和孔容都明显增大。7135工作面与1035工作面煤的比表面积和孔容比其他煤层明显增大2倍以上，很有可能是岩浆短期热作用和构造运动综合改造的结果；而8201、8281和1025三个工作面煤的比表面积较小，说明受构造运动和岩浆作用改造弱，孔隙结构主要受深成变质作用的控制。

4结语

根据桃园井田地质资料和孔隙结构分析，三种类型的孔隙形态在该井田三个煤层中普遍存在；其中，7135工作面与1035工作面煤的比表面积和微孔隙体积与其他工作面相比明显增大，墨水瓶状孔隙明显发育，原因是在深成变质作用背景上叠加了较强的构造作用和岩浆短期热作用的结果。8201工作面、8281工作面和1025工作面煤的比表面积和微孔体积不大，原因是这几个工作面主要受深成变质作用的控制，而受构造作用和岩浆作用的影响很小。另外，煤层瓦斯含量和煤的比表面积关系十分密切，比表面积大的煤往往含量更多的瓦斯，因此，掘进和采煤过程中应加强煤比面积异常地段的监测工作，防止瓦斯地质灾害的发生。

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