趙文利

(大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

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高瓦斯煤層的物性參數(shù)研究

趙文利

(大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

摘要煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的多因子瓦斯動(dòng)力災(zāi)害，主要與煤體的瓦斯吸附解吸特征及突出危險(xiǎn)性結(jié)構(gòu)組成、力學(xué)特性、瓦斯賦存等一系列因素有關(guān)。為了研究煤體瓦斯的吸附解吸特性及突出危險(xiǎn)性，通過對(duì)某煤礦4個(gè)采樣點(diǎn)取樣，并進(jìn)行了工業(yè)性分析、煤巖學(xué)分析與孔隙結(jié)構(gòu)分析，測(cè)定了煤樣的瓦斯特征參數(shù)，為研究煤層瓦斯賦存狀況、確定煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性敏感指標(biāo)提供借鑒。

關(guān)鍵詞高瓦斯煤層多元物性參數(shù)壓汞法瓦斯特征

在煤與瓦斯突出中，主要是含瓦斯煤的力學(xué)特性、滲透特性及蠕變特性作用的結(jié)果。因此，深入研究高瓦斯煤的特性參數(shù)，對(duì)進(jìn)一步提示煤中瓦斯的移運(yùn)規(guī)律、煤與瓦斯突出機(jī)理具有重要作用。

1高瓦斯煤層煤樣物性參數(shù)研究

1.1煤體取樣

煤體的物性參數(shù)是對(duì)煤體主要屬性的多角度描述，包括煤體的組成結(jié)構(gòu)、孔隙分布、瓦斯吸附能力等一系列參數(shù)[1-2]。為了對(duì)煤層的研究更為準(zhǔn)確，依據(jù)《GB/T19222—2003煤巖樣品采取方法》，結(jié)合某礦井下環(huán)境、水文地質(zhì)等條件，在4個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行取樣。取樣地點(diǎn)如表1所示。

表1　某煤礦煤層取樣

1.2煤樣的工業(yè)分析

采用5E-MAG6600型全自動(dòng)工業(yè)分析儀[4]，將各煤層煤樣分為兩組，分別進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如表2所示。

表2煤樣的工業(yè)分析結(jié)果

%

從測(cè)試結(jié)果看，該礦各煤樣的水分含量均在1%以下，屬于低水分煤，4#煤層灰分比3#煤層大；揮發(fā)分含量3#煤層為22.10%，4#煤層略低，為21.11%；固定碳含量4#煤層平均值為66.71%，略小于3#煤層。

1.3煤樣的煤巖學(xué)分析

對(duì)4個(gè)煤樣進(jìn)行最大平均鏡質(zhì)組反射率測(cè)定、有機(jī)顯微組分，結(jié)果如表3所示。圖1為4個(gè)煤樣的有機(jī)顯微組分照片。

表3煤樣的有機(jī)顯微組分、

最大平均鏡質(zhì)組反射率測(cè)定結(jié)果

%

圖1　煤樣有機(jī)顯微照片

各煤層煤樣測(cè)得的平均最大鏡質(zhì)組反射率R0,max為1.411 1%～1.526 7%，煤的變質(zhì)程度差別不大，均為中變質(zhì)煙煤,可以判定，煤變質(zhì)程度與工業(yè)分析的判定結(jié)果基本一致。

從顯微組分測(cè)定的結(jié)果來看，鏡質(zhì)組所占的比例最大，可達(dá)79.27%～91.04%，其中主要為均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體。4#煤層煤樣鏡質(zhì)組含量達(dá)90%以上，高于3#煤層煤樣；各煤樣惰質(zhì)組含量為5.62%～18.64%，其中大部分為粗粒體，少量為絲質(zhì)體，該礦4#煤層的惰質(zhì)組含量明顯低于3#煤層；在樣品中均未觀測(cè)到殼質(zhì)組的存在，這是由于煤樣的煤級(jí)較高。最大平均鏡質(zhì)組反射率R0,max均在1.4% 以上，根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)R0,max>1.3%時(shí)，顯微照片上就會(huì)出現(xiàn)殼質(zhì)組消失現(xiàn)象。無機(jī)組分主要成分為黏土類和硫化物，黏土類成分類型為黑色，細(xì)分散狀，以條帶狀為主，少量團(tuán)塊狀；硫化物成分類型為亮黃色，細(xì)粒，細(xì)分散狀，呈充填狀；均未見碳酸鹽類。

2煤樣孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試

壓汞試驗(yàn)可分為進(jìn)汞和退汞兩個(gè)階段，對(duì)應(yīng)形成進(jìn)汞和退汞曲線。受孔隙開放性特征影響，退汞曲線通常滯后于進(jìn)汞曲線，從而形成“滯后環(huán)”，根據(jù)“滯后環(huán)”的形態(tài)特征可簡(jiǎn)單判斷測(cè)試煤體中孔隙的形態(tài)[5]，見圖2。

從圖2中可看出，各煤樣的進(jìn)汞曲線位置略低于退汞曲線，說明累計(jì)退汞量比相同壓力下累計(jì)進(jìn)汞量略大，滯后特征不甚明顯。這是由于煤體內(nèi)的孔隙形態(tài)主要以半開放孔為主，致使在進(jìn)汞和退汞過程中的壓力基本相等，進(jìn)退汞量變化差異不大。

相對(duì)于煤體來說，汞屬于非潤濕相，汞液滲透進(jìn)煤體孔隙內(nèi)就必須要克服孔隙喉道產(chǎn)生的毛細(xì)管阻力。毛細(xì)管阻力與孔隙的半徑成負(fù)相關(guān)，根據(jù)汞液在不同壓力下的進(jìn)汞量，計(jì)算出相應(yīng)的毛細(xì)管壓力，不同壓力下汞液所進(jìn)入孔隙的喉道大小即為孔徑的大小。

由圖2給出的各煤層煤樣在不同孔徑下的進(jìn)汞量，依據(jù)B.B.XOДOT提出的孔徑劃分標(biāo)準(zhǔn)，得出各煤層的孔容分布特征及總孔容，如表4所示。圖3為各個(gè)孔徑下孔容占總孔容的比值。

從測(cè)試數(shù)據(jù)來看，各煤層煤樣的總孔容(總進(jìn)汞量)為0.029 3～0.032 7 mL/g，3#煤層的3個(gè)煤樣總孔容比較接近，平均為0.032 5 mL/g，4#煤的較低，僅為0.029 3 mL/g。各煤樣以小于10 nm以下的微孔發(fā)育為主，在孔容中的貢獻(xiàn)值基本在55%左右；其次發(fā)育的為小孔，為23.9%～28.3%；再次為大孔為11.6%～19.9%；中孔最不發(fā)育，均在5%以下。比較各煤層的孔隙分布情況可以看出，該礦井田內(nèi)的煤層孔徑分布基本一致，結(jié)構(gòu)差異性不大。

根據(jù)累計(jì)量得到各孔徑下的比表面積分布，如表5所示。圖4為各煤樣的累計(jì)比表面積曲線，圖5統(tǒng)計(jì)了各個(gè)孔徑下比表面積占總比表面積的比值。對(duì)數(shù)據(jù)分析可知，各煤樣比表面積從大到小順序與孔容排序呈現(xiàn)相同的規(guī)律，總比表面積為15.184～ 16.701 m2/g，平均為16.09 m2/g?？偙缺砻娣e主要由微孔和小孔貢獻(xiàn)，占總比表面積的99.8%以上，其中又以微孔最高，達(dá)88%以上。

圖2　不同煤樣的累計(jì)進(jìn)、退汞量曲線

表4煤樣分類孔徑下的孔容分布

mL/g

圖3　各類孔徑孔容百分比

結(jié)合微孔孔容分布和比表積面分布特征可以發(fā)現(xiàn)，該礦各煤層煤樣孔隙結(jié)構(gòu)以微孔為主，微孔的大量發(fā)育使得煤體在相同體積的情況下，比表面積大大增加，在微觀上為瓦斯吸附提供了充足空間，在宏觀上則表現(xiàn)為煤體吸附瓦斯量較高。

3煤樣的瓦斯特征參數(shù)測(cè)定

煤的瓦斯特征參數(shù)主要包括：吸附常數(shù)a、b值、煤的堅(jiān)固性系數(shù)以及瓦斯放散初速度[6]，分別反映了煤體瓦斯吸附量大小、煤體的自身強(qiáng)度及解吸初期煤體瓦斯放散速率。各煤層煤樣的瓦斯特征參數(shù)測(cè)定結(jié)果如表6所示。

表5煤樣分類孔徑下的孔隙比表面積分布

m2/g

圖4　不同煤樣累計(jì)比表面積曲線

圖5　各類孔徑比表面積百分比

煤層取樣地點(diǎn)吸附常數(shù)a/(m3/t)b/MPa-1堅(jiān)固性系數(shù)瓦斯放散初速度/mmHg3#三采區(qū)皮帶巷正前28.63080.61970.4311.43#3313材巷27.12930.75880.3910.43#3312預(yù)抽巷26.88190.55760.429.34#3313底抽巷21.36510.64760.5510.8

從表6可看出，該礦3#煤層的a值接近，4#煤層的煤樣a值較低，這與之前測(cè)定的孔容和比表面積結(jié)果相符合，表明不同煤層的煤體對(duì)瓦斯吸附能力的強(qiáng)弱，在實(shí)際生產(chǎn)中，則表現(xiàn)為不同煤層在相同瓦斯壓力下瓦斯含量的差異；各煤樣的瓦斯放散初速度為9.3～11.4 mmHg，整體偏大；3#煤層堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)得的值均在0.5以下，超出《規(guī)定》中的臨界值，煤體的強(qiáng)度較小，抵抗破壞能力差，4#煤層堅(jiān)固性系數(shù)大于0.5。

4結(jié)論

通過測(cè)定，獲得了該煤礦高瓦斯煤層煤樣的多元物性參數(shù)。該煤礦各煤層煤樣孔隙結(jié)構(gòu)以微孔為主，微孔的大量發(fā)育使得煤體在相同體積的情況下，比表面積大大增加，在微觀上為瓦斯吸附提供了充足空間，在宏觀上則表現(xiàn)為煤體吸附瓦斯量較高；該礦各煤層的a值范圍為21.4～28.6 m3/t，各煤樣的瓦斯放散初速度為9.3～11.4 mmHg，整體偏大；3#煤層堅(jiān)固性系數(shù)值均在0.5以下，超出《規(guī)定》中的臨界值，煤體的強(qiáng)度較小，抵抗破壞能力差，4#煤層堅(jiān)固性系數(shù)大于0.5。

參考文獻(xiàn)

[1]陳向軍,程遠(yuǎn)平,王林.外加水分對(duì)煤中瓦斯解吸抑制作用試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013(2):58-63.

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[3]劉曰武,蘇中良,方虹斌，等.煤層氣的解吸/吸附機(jī)理研究綜述[J].油氣井測(cè)試,2010(6):24-29.

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[6]李志勝.孟津煤礦二2煤層突出危險(xiǎn)性研究[J].煤炭技術(shù),2009(12)：100-102.

(收稿日期2015-10-10)

Study of the Physical Parameters of High Coal Seam

Zhao Wenli

(Datong Coal Vocational and Technical College)

AbstractCoal and gas outburst is a complicated multi-factor gas dynamic disaster, it mainly related to the coal ore-body factors of gas adsorption,desorption characteristics, outburst dangerous, structural composition, mechanical properties and gas occurrence.In order to analyze the gas adsorption and desorption characteristics and outburst dangerous of coal ore-body, the samples are obtained from the four sampling points of a coal mine, the samples are conducted industrial analysis, coal petrology analysis and pore structure analysis, the gas characteristics parameters of coal samples are obtained to provide reference for studying the gas occurrence conditions of coal seam and determining the sensitive indicators of the coal and gas outburst dangerous.

KeywordsHigh gas coal seam, Multiple physical parameters, Mercury intrusion method, Gas characteristics

趙文利(1982—)，男，講師,注冊(cè)安全工程師，碩士,037003 山西省大同市。