煤的微觀結構對瓦斯放散特性的影響研究

王月紅，陳慶亞

(河北聯(lián)合大學，河北 唐山 063009)

0 引言

煤是由植物遺體經(jīng)過復雜的生物化學、物理化學作用轉變而成的，在經(jīng)過變質作用，褐煤變?yōu)闊熋褐翢o煙煤，而腐泥煤變質程度不斷增高[3]。煤是一種無序的非均質孔隙介質[4]。煤中的孔隙從納米級到毫米級均有分布。煤層的孔隙性是煤層儲集層最根本的特征[5-6]。

為了研究瓦斯突出的影響因素，從全國范圍內有選擇性地采集了不同變質程度的典型煤樣，進行了各種實驗得出煤的微觀結構對瓦斯放散特性的影響，得出了相關的結論：揮發(fā)分是衡量煤的變質程度的指標之一，揮發(fā)分含量越大，瓦斯放散初速度越小，越不容易發(fā)生瓦斯突出；隨著碳氫比的增加，瓦斯放散初速度呈指數(shù)式增長，對瓦斯突出的影響起著重要作用；在不同變質程度的煤中，中孔的百分含量較少，對瓦斯突出的影響不大。大孔、過渡孔、微孔百分含量較多，對瓦斯突出的影響起著主導作用。

1 瓦斯放散特性的影響因素研究

影響瓦斯放散特性的因素有很多，故用工業(yè)分析參數(shù)、元素分析參數(shù)、顯微結構、孔隙結構和瓦斯放散初速度進行對比分析，得出對瓦斯突出的影響因素。

1.1 實驗設備及目的

瓦斯放散特性實驗采用的是WFC-2型瓦斯放散初速度測定儀。實驗對所采煤樣進行瓦斯放散特性實驗，測得瓦斯放散初速度ΔP，可以根據(jù)其大小來判斷出瓦斯突出程度。

煤的瓦斯放散初速度指標是煤自身的煤質指標之一，表征了煤的微觀結構。它不僅反映了煤的放散瓦斯能力，還反映出瓦斯?jié)B透流動的規(guī)律，在突出區(qū)域預測中起著重要的作用。突出煤體處于原始高壓瓦斯吸附飽和狀態(tài)時，積蓄著高壓瓦斯?jié)撃堋．斖饬Φ淖饔猛蝗唤议_煤層時，煤體內大量瓦斯在壓力梯度的作用下，短時間內從煤內部高壓區(qū)向采掘空間低壓區(qū)放散出來，瓦斯?jié)撃艿玫结尫拧Ｃ旱倪@種放散瓦斯的能力大小與突出的發(fā)生有直接的關系。

通過瓦斯放散初速度的實驗測定得出瓦斯放散初速度，通過分析實驗指標來得出影響瓦斯突出的因素。

表1 瓦斯放散初速度數(shù)據(jù)

1.2 瓦斯放散特性的影響因素

1.2.1 工業(yè)分析參數(shù)對瓦斯放散初速度的影響

1) 水分Mad對ΔP的影響

圖1 水分與ΔP的關系

從上圖中可以知道隨著水分的增加，瓦斯放散初速度不斷減小。通過線性回歸得出水分與瓦斯放散初速度大致呈線性關系，線性方程為：

y=-2.3837x+13.526

(1)

1#煤樣可能由于煤樣自身賦存瓦斯量大導致瓦斯放散初速度較大，煤樣點離曲線較遠。

2) 揮發(fā)分Vad對ΔP的影響

圖2 揮發(fā)分與ΔP的關系

從上圖中可以看出隨著煤的揮發(fā)分的增加，煤的瓦斯放散初速度大體呈減小趨勢，經(jīng)過線性回歸可得出揮發(fā)分對瓦斯放散初速度呈指數(shù)式關系，方程如下：

y=30.871e-0.047xr2=0.5241

(2)

揮發(fā)分越小，瓦斯放散初速度越大，越容易引起瓦斯突出，因為7#煤樣自身的賦存狀況導致點距曲線較遠。

3) 灰分Aad對ΔP的影響

圖3 灰分與ΔP的關系

從上圖中可以看出隨著煤樣灰分的增加，煤的瓦斯放散初速度先減小后增大。經(jīng)過線性回歸得出灰分對瓦斯放散初速度的影響呈二次曲線關系，線性方程：

y=0.1463x2-3.2259x+23.953

(3)

當灰分大于10時，隨著灰分的增加，瓦斯突出危險傾向性就越大，越容易引起瓦斯突出。

1.2.2 元素分析參數(shù)對瓦斯放散初速度的影響

隨著煤的變質程度的增加，碳氫元素的變化較明顯，故使用碳氫比和瓦斯放散初速度進行對比。

圖4 碳氫比與ΔP的關系

煤樣編號1#2#3#4#5#6#7#碳氫比(C/H)28.23419.55819.17915.8416.06916.29618.021煤樣編號8#9#10#11#12#13#14#碳氫比(C/H)16.40015.74115.34615.27313.70016.07214.253

從上圖中可以看出隨著碳氫比的增加，瓦斯放散初速度也增加，經(jīng)過線性回歸得出碳氫比與瓦斯放散初速度呈指數(shù)關系，其指數(shù)方程：

y=1.4699e0.0981xr2=0.4432

(4)

瓦斯放散初速度隨著碳氫比的變化較大，對瓦斯突出起重要作用。

1.2.3 煤的顯微結構對瓦斯放散初速度的影響

煤的巖相組分中鏡質組和惰質組含量占組分中的大多數(shù)，所以主要研究鏡質組和惰質組對瓦斯放散初速度的影響。

1) 鏡質組含量對ΔP的影響

圖5 鏡質組含量與ΔP的關系

從上圖可以看出隨著鏡質組含量的增大，瓦斯放散初速度先增加后減少，經(jīng)過線性回歸得出，鏡質組含量與瓦斯放散初速度大體呈現(xiàn)二次曲線的關系，其公式為：

y=-0.0052x2+0.7577x-19.462

(5)

可能因為煤樣中所含均質鏡質體和基質鏡質體的含量不同或者是實驗誤差原因，使得部分煤樣點離趨勢線較遠。

2) 惰質組中半絲質體含量對ΔP的影響

由于在惰質組中，半絲質體含量占大多數(shù)，更加容易進行影響性分析，故用半絲質體含量與瓦斯放散初速度進行分析。

圖6 半絲質體含量與ΔP的關系

從上圖可以看出半絲質體含量對瓦斯放散初速度的影響大體呈二次曲線式，但是曲線趨于平緩，煤樣點較分散，對瓦斯放散初速度影響不大，故對瓦斯突出的影響也不大。

1.2.4 煤的孔隙結構對瓦斯放散初速度的影響

目前，對煤中孔隙的分類，還很不統(tǒng)一，一般采用XoдoT的劃分方法，將孔分為四個級別：大孔(>1000 nm)、中孔(100 nm～1000 nm)、過渡孔(10 nm～100 nm)、微孔(<10nm)[7-8]。

1) 大孔含量對ΔP的影響

隨著大孔的比重增加，瓦斯放散初速度減小，經(jīng)過線性回歸得出煤的瓦斯放散初速度呈指數(shù)式關系，指數(shù)方程為：

y=21.616e-0.0282xr2=0.3656

(6)

圖7 大孔含量與ΔP的關系

煤的瓦斯放散初速度隨著大孔所占的體積數(shù)的增加而減少，可見大孔所占的體積數(shù)對于瓦斯放散初速度的影響起主導作用，可能由于煤樣自身的賦存瓦斯量大導致有些煤樣點離曲線較遠。

2) 中孔含量對ΔP的影響

圖8 中孔含量與ΔP的關系

從上圖可以看出煤的瓦斯放散初速度與中孔所占體積數(shù)大體呈線性關系，但趨于平緩，煤樣點較分散，又因為中孔所占體積數(shù)也不大，對瓦斯放散初速度的影響不大，對瓦斯突出危險傾向性的影響不起主導作用。

3) 過渡孔含量對ΔP的影響

圖9 過渡孔含量與ΔP的關系

從上圖可以看出隨著過渡孔所占體積數(shù)的增加，瓦斯放散初速度也增加，經(jīng)過線性回歸得出過渡孔比重與瓦斯放散初速度呈線性關系，其公式為：

y=0.176x+4.5584

(7)

過渡孔所占體積數(shù)集中在30%～45%之間，對瓦斯放散初速度的影響起主導作用，故對瓦斯突出危險傾向性的影響也起主導作用。

4) 微孔含量對ΔP的影響

圖10 微孔含量與ΔP的關系

從圖10可以看出隨著微孔所占體積數(shù)的增加，煤的瓦斯放散初速度逐漸增加，經(jīng)過線性回歸得出煤的瓦斯放散初速度與微孔所占體積數(shù)呈線性關系，其線性方程為：

y=0.1387x+6.4223

(8)

微孔所占體積數(shù)集中在15%-35%之間，對瓦斯放散初速度的影響起著重要的作用，對瓦斯突出的影響也就起著重要的作用。

2 結論

通過一系列的實驗研究對煤的孔隙結構、煤的自身基本性質和煤巖組分與瓦斯突出的影響研究得出以下結論：

1) 揮發(fā)分是衡量煤的變質程度的指標，隨著煤的變質程度的增加，揮發(fā)分不斷減小，而瓦斯放散初速度隨著揮發(fā)分的減少呈指數(shù)式遞增。也就是說揮發(fā)分越大，瓦斯放散初速度越小，越不容易發(fā)生瓦斯突出。

水分與瓦斯放散初速度大體呈線性關系，但是圖中煤樣點離趨勢線較遠，故對瓦斯突出的影響不大?；曳峙c瓦斯放散初速度呈二次曲線關系，隨著灰分的增加，瓦斯放散初速度會先減小后增加，對瓦斯突出有一定的影響。

2) 在煤樣中，碳元素含量較多但是變化不規(guī)律，故用碳氫比作為實驗指標，隨著碳氫比的增加，瓦斯放散初速度呈指數(shù)式增長，對瓦斯突出的影響起著重要作用。

3) 鏡質組含量與瓦斯放散初速度呈良好的二次曲線，而惰質組含量比較分散，故鏡質組對瓦斯突出的影響比惰質組的大。

4) 大孔的百分含量與瓦斯放散初速度有著良好的指數(shù)式關系；而中孔的百分含量在煤中較少，與煤的瓦斯放散初速度大體呈線性關系，但趨于平緩，對瓦斯放散初速度的影響不大，對瓦斯突出危險傾向性的影響不起主導作用；過渡孔的百分含量與瓦斯放散初速度呈線性關系，隨著過渡孔含量的增加，放散初速度也增加；微孔的百分含量與瓦斯放散初速度的影響呈良好的線性關系，隨著微孔含量的增加，瓦斯放散初速度也不斷增加。在不同變質程度的煤中，中孔的百分含量較少，對瓦斯突出的影響不大。大孔、過渡孔、微孔百分含量較多，對瓦斯突出的影響起著主導作用。

[1] 趙文軍.煤巖分析技術在煤質控制中的應用[J].煤質技術，2008，1(1):15-18.

[2] 韓德馨.中國煤巖學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1996.

[3] 閻秀璋.煤礦地質學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2002.

[4] Meyers R A. Coal structure[M]. New York: Academic Press,1982.

[5] 馬東民,謝勇強,溫興宏.層氣儲層滲透率的影響因素分析[J]. 西安科技大學學報,2005，2(2):4-6.

[6] Gamson P,Beamish B,Johnson David. Effect of coal microstructure and secondary mineralization on methane [J]. Geological Special Publication,1998.

[7] 郭立穩(wěn),肖藏巖,陳樹召. 煤層孔隙結構對CO吸附量的影響[J]. 湖南科技大學學報,2008，(3):18-22.

[8] 鐘文玲,張慧,員爭榮，等.煤的比表面積、孔體積及其對煤的吸附能力的影響[J].煤田地質與勘探，2002,30(3):26-28.