不同溫度煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

安雪梅，王福生，董憲偉

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

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不同溫度煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

安雪梅，王福生，董憲偉

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

孔隙結(jié)構(gòu)：氧化反應(yīng)：壓汞

不同種類的煤在不同溫度下會呈現(xiàn)不同的孔隙結(jié)構(gòu)特征。通過對不同煤樣進行壓汞試驗，可以得出各種煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)，在低溫氧化過程中會遵循著一致的變化規(guī)律，即：在長焰煤煤巖體系中，以大孔和中孔為主，對長焰煤煤樣的氧化反應(yīng)貢獻最大；氣煤煤樣中孔和過渡孔在整個氧化反應(yīng)中變化較大，這2種類型的孔隙對氣煤煤樣的氧化反應(yīng)貢獻最大；在整個低溫氧化過程中，各類型孔隙對1/3焦煤煤樣的氧化反應(yīng)均有所貢獻；對肥煤煤樣來說，過渡孔和微孔對氧化反應(yīng)的進行貢獻最大；焦煤煤樣中過渡孔對氧化反應(yīng)的貢獻最大；貧煤煤樣在整個氧化過程中，貢獻最大的為過渡孔和微孔。

煤是一種多孔的巖石，煤巖結(jié)構(gòu)中的孔隙在煤體內(nèi)部的分布縱橫交錯，紛亂復(fù)雜。煤的化學(xué)性質(zhì)決定了煤巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不均勻性，這些特性與成煤過程息息相關(guān)[1]。不同種類的煤具有不同的結(jié)構(gòu)分布特點，因此，不同溫度下煤體氧化結(jié)果的外部表現(xiàn)也各不相同。為了直觀的展現(xiàn)低溫條件下溫度對煤體物理結(jié)構(gòu)的影響，分別對在50℃、80℃和110℃溫度下氧化后錫林浩特某礦(長焰煤)、東歡坨煤礦(氣煤)、黑龍江鶴崗某礦(1/3焦煤)、錢家營礦(肥煤)、唐山礦(焦煤)和山西金星某礦(貧煤)煤樣進行壓汞試驗。

1試驗過程

壓汞試驗采用的儀器是由美國麥克儀器公司生產(chǎn)的AutoPore IV9510型壓汞儀。壓力設(shè)定最大可達410 MPa，孔徑分析可達5.5 nm。試驗儀器如圖1所示。

圖1　AutoPoreIV9510型全自動壓汞儀

壓汞試驗前對煤樣的處理有如下注意事項：(1)先將待測煤樣在恒溫干燥箱中進行充分的干燥；(2)為排除水分對試驗結(jié)果的干擾，將恒溫干燥箱進行抽真空處理[1]。

2試驗數(shù)據(jù)分析

煤由很多的孔隙和煤巖基質(zhì)組成，是一種多孔介質(zhì)，不同直徑的孔隙是隨機分布的，在煤體內(nèi)部它們形成錯綜復(fù)雜的連通網(wǎng)絡(luò)，因此需要將煤巖孔隙進行分類，分別對不同數(shù)量級的孔隙進行討論，在低溫氧化過程中分析不同類別的孔隙的變化和貢獻。按照B.B.霍多特對于煤孔隙分布來分類[2]，煤孔隙分布的分類如表1所示。

表1　煤孔隙分布的分類

根據(jù)壓汞試驗將數(shù)據(jù)進行整理，依據(jù)煤孔隙分布分類方法進行計算，在煤巖孔隙結(jié)構(gòu)中可以得到不同孔隙所占的比例。表2～表7為50 ℃、80 ℃、110 ℃溫度下，錫林浩特某礦(長焰煤)、東歡坨煤礦(氣煤)、黑龍江鶴崗某礦(1/3焦煤)、錢家營礦(肥煤)、唐山礦(焦煤)和山西金星某礦(貧煤)煤樣中各類孔占整體孔隙體積的百分比。從概率學(xué)的角度，體積百分比可以解釋不同變質(zhì)程度的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況，并解釋煤巖孔隙低溫氧化過程中隨溫度的變化情況[3-5]。

表2　長焰煤煤樣孔隙體積百分數(shù)

從表2中可以看出，長焰煤煤樣的煤巖孔隙以大孔為主，中孔次之，這2種類型的孔隙體積占總體積的91.08%，構(gòu)成了煤巖孔隙的主要部分，可以認為該煤樣的煤巖孔隙為毫米級。溫度從50～80 ℃，大孔的數(shù)量驟減，中孔數(shù)量增多，過渡孔和微孔數(shù)量也有所增加，在這個過程中仍以大孔和中孔為主，約占總體孔隙體積的84.79%；溫度在80～110 ℃，大孔和中孔數(shù)量的總和有所下降，約占總體孔隙體積的76.95%，過渡孔和微孔的數(shù)量總和有所增加，但在整個煤巖體系中，仍以大孔和中孔為主，對長焰煤煤樣的氧化反應(yīng)貢獻最大。

表3　氣煤煤樣煤巖各類孔隙體積百分數(shù)

從表3中可以看出，大孔和中孔在氣煤煤樣孔隙中是主要的，約占孔隙總體積的60.56%；小孔和微孔的數(shù)量在氣煤煤樣孔隙中較少，約占孔隙總體積的39.44%。當溫度在50～80 ℃發(fā)生變化時，大孔和中孔的體積百分數(shù)總和呈現(xiàn)減少的規(guī)律，而小孔和微孔的體積百分數(shù)總和表現(xiàn)出先增大；當溫度在80～110 ℃發(fā)生變化時，大孔和中孔的體積百分數(shù)總和增大，相反，小孔和微孔的體積百分數(shù)總和呈現(xiàn)減少?？紫对谡麄€升溫過程中其分布規(guī)律為：大孔和中孔的數(shù)量呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢，而小孔和微孔的數(shù)量呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢。總之，中孔和過渡孔在整個氧化反應(yīng)中變化特點較大，可以認為這2種類型的孔隙對氣煤煤樣的氧化反應(yīng)貢獻最大。

表4　1/3焦煤煤樣煤巖各類孔隙體積百分數(shù)

從表4中可以看出，1/3焦煤煤樣煤巖孔隙分布較為均勻。大孔、過渡孔和微孔數(shù)量分布較一致，中孔分布較少。溫度在50～80 ℃，大孔和中孔的數(shù)量有小幅度的減少，過渡孔和微孔的數(shù)量總和呈上升的趨勢；溫度在80～110 ℃，大孔和中孔的數(shù)量總和較在80 ℃時有所增加，但在整個低溫氧化過程中變化仍呈下降的趨勢。各類型孔隙對1/3焦煤煤樣的氧化反應(yīng)均有所貢獻。

表5　肥煤煤樣煤巖各類孔隙體積百分數(shù)

從表5中可以看出，過渡孔和微孔體積和約為整體孔隙體積的69.54%，在肥煤煤樣孔隙中為主，大孔次之，中孔數(shù)量最少，孔隙體積主要是納米級。當溫度在50～80 ℃區(qū)間時，比較而言，大孔體積有較大幅度減小，過渡孔和微孔體積卻有較大程度的增加，中孔體積幾乎沒有什么改變；當溫度在80～110 ℃區(qū)間時，大孔體積小幅度減少，而中孔體積增加較多，過渡孔和微孔體積大幅度的減少?？梢妼Ψ拭好簶觼碚f，過渡孔和微孔對氧化反應(yīng)的進行貢獻最大。

表6　焦煤煤樣煤巖各類孔隙體積百分數(shù)

從表6中可以看出，焦煤煤樣孔隙以中孔和過渡孔為主，約占整體孔隙體積的71.76%，體積大部分為中間數(shù)量級，大孔和微孔的數(shù)量較少。當溫度在50～80 ℃區(qū)間時，中孔體積分數(shù)有所增加，而過渡孔的體積分數(shù)有所下降，大孔和微孔體積分數(shù)變化就非常小；當溫度在80～110 ℃之間變化時，中孔的體積分數(shù)下降，而過渡孔的體積分數(shù)有一定的增加，大孔和微孔均有少量的減少。在整個低溫氧化的過程中，除了過渡孔體積分數(shù)有所增加外，其他類型的孔隙均呈現(xiàn)下降的趨勢，由此可見，焦煤煤樣中過渡孔對氧化反應(yīng)的貢獻最大。

表7　貧煤煤樣煤巖各類孔隙體積百分數(shù)

從表7中可以看出，貧煤煤樣煤巖孔隙中過渡孔的體積分數(shù)最大，為整體孔隙體積的50.90%，孔隙分布為納米級，以過渡孔和微孔為主，毫米級的大孔和中孔分布較少。溫度在50～80 ℃區(qū)間時，大孔和中孔的體積分數(shù)和有了較大的增加，由12.83%增加到了35.05%，而過渡孔和微孔的體積和呈明顯的減少趨勢；溫度在80～110℃區(qū)間時，大孔和中孔的體積分數(shù)總和還是有所增加的，對應(yīng)過渡孔和微孔的體積總和也有所減少，但在整個氧化過程中，貢獻最大的仍為過渡孔和微孔。

3結(jié)論

在長焰煤煤巖體系中以大孔和中孔為主，對長焰煤煤樣的氧化反應(yīng)貢獻最大。中孔和過渡孔在氣煤煤樣中氧化反應(yīng)中變化較大，在氣煤煤樣中，這2種類型的孔隙所起的氧化反應(yīng)貢獻最大。在整個低溫氧化過程中，各類型孔隙對1/3焦煤煤樣的氧化反應(yīng)均有所貢獻。對肥煤煤樣來說，過渡孔和微孔對氧化反應(yīng)的貢獻最大。焦煤煤樣中過渡孔對氧化反應(yīng)的貢獻最大。貧煤煤樣在整個氧化過程中，貢獻最大的為過渡孔和微孔。

[1]張嬿妮.煤氧化自燃微觀特征及其宏觀表征研究[D].西安:西安科技大學(xué),2012.

[2]郭品坤.煤與瓦斯突出層裂發(fā)展機制研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2014.

[3]孟磊.含瓦斯煤體損傷破壞特征及瓦斯運移規(guī)律研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2013.

[4]王偉民,邊秀房,秦敬玉,等. 簡單液體徑向分布函數(shù)的Gauss分解[J].中國科學(xué)(E輯), 1999, 29(6):481-486.

[5]戴廣龍.煤低溫氧化過程中自由基濃度與氣體產(chǎn)物[J].煤炭學(xué)報,2012, 37(1):122-123.

Analysis of Characteristics of Pore Structure of Coal Samples at Different Temperatures

AN Xue-mei,WANG Fu-sheng,DONG Xian-wei

(College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009, China)

pore structure;oxidation reaction;mercury injection

Different kinds of coal show different pore structure characteristics at different temperatures. By mercury injection experiment of different coal samples, the pore structure of a variety of coal samples can be obtained during the process of oxidation at low temperature, which follows a same change law, namely, in the long flame coal and rock, macropores and mesopores are the main,which contribute more to the long-flame coal oxidation reaction of coal samples. Mesopores and transitional pores have larger changes in the oxidation reaction in gas coal samples, the two types of pores contribute the most to the samples of gas coal during the process of oxidation reaction. For 1/3 coking coal, all kinds of pores make contribution during oxidation reaction at low temperature. For fat coal samples, micropores and transitional pores contribute the most to oxidation reaction. For coking coal samples, transitional pores contribute the most to oxidation reaction. For lean coal, transitional pores and micro pores contribute the most to oxidation reaction.

2095-2716(2015)04-0065-04

TQ533.9

A