桃園井田煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

李建樓，堵紫薇

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2．安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州，234000

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桃園井田煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

李建樓1,2，堵紫薇1

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2．安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州，234000

摘要：為了研究安徽省淮北煤田桃園井田煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征，采集了該井田71煤、82煤和10煤3個(gè)正在開(kāi)采煤層的煤樣，采用低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試了煤的孔隙比表面積、孔容和平均孔徑等物理參數(shù)，對(duì)孔隙形態(tài)發(fā)育特征進(jìn)行了初步判別，分析了7135工作面和1035工作面煤比表面積異常的原因。測(cè)試結(jié)果表明：桃園井田中三種類(lèi)型的孔隙普遍存在；7135工作面和1035工作面煤的孔隙比表面積和孔容明顯偏大，平均孔徑明顯偏小。分析表明， 7135工作面和1035工作面地史上受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿短期熱力作用的綜合影響，因而該地段煤的孔容和比表面積都增大，平均孔徑減小，墨水瓶狀或錐形瓶狀孔隙增多。

關(guān)鍵詞：煤；吸附；孔容；比表面積

煤是一種多孔介質(zhì)，可看作由孔隙和裂隙組成的雙重孔隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1-2]。煤層瓦斯主要以吸附態(tài)和游離態(tài)兩種狀態(tài)賦存在煤的孔隙和裂隙中，其中吸附態(tài)的瓦斯主要賦存在小孔和微孔中，占煤層瓦斯含量的絕大部分[3-4]?？紫兜拇笮?、形態(tài)及其組合特征影響煤層瓦斯的賦存和運(yùn)移特征。因此，研究煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)及瓦斯抽采過(guò)程中的運(yùn)移狀態(tài)具有重要的意義。為了厘清桃園井田煤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征及其影響因素，本文采用低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)比分析了7煤、8煤和10煤三個(gè)煤層煤的微觀孔隙結(jié)構(gòu)差異，可以為該井田煤層瓦斯的富集分布規(guī)律提供一定的理論參考。

1研究區(qū)煤田地質(zhì)概況

桃園井田位于淮北煤田東南部，宿縣礦區(qū)宿南向斜西翼的北段，地處宿北斷裂、光武—固鎮(zhèn)斷裂、豐縣—口孜集斷裂和固鎮(zhèn)—長(zhǎng)豐斷裂斷塊內(nèi)。礦井構(gòu)造受區(qū)域構(gòu)造的嚴(yán)格控制，為走向近南北、傾向東的單斜構(gòu)造。該井田所處區(qū)域構(gòu)造位置如圖1所示。

桃園井田含煤巖系為石炭-二疊系。其中，石炭系含煤6～8層，均為不可采煤層；二疊系含11個(gè)煤層組(1煤～11煤)，煤層總厚度21.75 m，可采煤層有32、4、52、61、63、71、72、82、10等9層，其中32、82、10三層煤較穩(wěn)定，4、52、61、63、71、72等6層不穩(wěn)定，較穩(wěn)定煤層儲(chǔ)量占礦井總儲(chǔ)量的48.4%。目前，正在開(kāi)采的有71煤、82煤和10煤，三個(gè)煤層的概況如下：

圖1　淮北煤田地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

71煤位于下石盒子組的下部，厚度范圍0～3.71 m，平均厚度1.08 m，以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)為主，煤層頂、底板以泥巖為主，含少量粉砂巖或砂巖。

82為主要可采煤層，位于下石盒子組下部，上距71煤平均24 m左右，厚度范圍0～4.10 m，平均厚度2.01 m，以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)為主，頂板以砂巖為主，含少量的泥巖或粉砂巖；底板以泥巖為主，含少量粉砂巖。

10煤層為主要可采煤層，位于山西組的中部，上距82煤層平均84 m左右。煤層厚度范圍0～5.52 m，平均厚度2.96 m。單一結(jié)構(gòu)煤較少，多含1層夾矸，夾矸一般為泥巖或炭質(zhì)泥巖。其大部分原生沉積較穩(wěn)定，但在礦井的南部，由于受巖漿侵蝕影響，穩(wěn)定性遭到破壞。煤層頂板以泥巖、粉砂巖和砂巖為主，底板以泥巖為主，含少量粉砂巖。

2實(shí)驗(yàn)樣品和測(cè)試方法

2.1實(shí)驗(yàn)樣品采集和處理

實(shí)驗(yàn)樣品取自桃園井田7135工作面、8281工作面、8201工作面機(jī)巷、8201工作面風(fēng)巷、1025工作面和1035工作面新鮮煤壁，合計(jì)取了6個(gè)工作面的代表性樣品。將采集的新鮮樣品分別放入塑料密封袋，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用橡皮錘進(jìn)行破碎成較小的顆粒，用60目和80目細(xì)篩進(jìn)行篩分，取顆粒直徑60～80目煤顆粒作為實(shí)驗(yàn)樣品備用。然后，取6支實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用試管，分別裝入6種實(shí)驗(yàn)樣品1.7 g左右，稱(chēng)重后記錄每個(gè)樣品的實(shí)際質(zhì)量；將裝有樣品的樣品管放入加熱裝置中，設(shè)置加熱裝置,加熱溫度為50℃，利用氮?dú)鈱悠泛屯饨缈諝飧綦x，防止加熱過(guò)程中煤發(fā)生氧化，干燥煤樣,直至脫去全部水分，再次稱(chēng)重，計(jì)算出每個(gè)樣品的含水率和干燥后的煤樣質(zhì)量。最后，將6支裝有樣品的樣品管靜置到室溫，等待測(cè)試。

2.2測(cè)試方法

采用美國(guó)麥克公司生產(chǎn)的Gemini VII 2390t全自動(dòng)比表面積和孔隙分析儀對(duì)煤樣進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試。該儀器測(cè)試固體顆粒孔隙結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)是吸附充填理論，即先對(duì)樣品抽真空，然后向樣品注入氮?dú)?，注入的氮?dú)庠谝旱獪囟认履鄢梢簯B(tài)，充填在煤的孔隙中。當(dāng)注入氮?dú)鈮毫^低時(shí)，氮?dú)馐紫仍谖⒖字心鄢涮?；隨著壓力的增加，微孔、小孔、中孔和大孔會(huì)依次被充填。因此，較小壓力測(cè)量得到的孔容、表面積及孔徑代表較小孔隙的特征，較大壓力反映的是較大孔隙的特征。按照設(shè)定參數(shù)測(cè)試完成后，儀器根據(jù)吸附量隨壓力變化繪制吸附-解吸曲線，并計(jì)算出孔容、比表面積和平均孔徑等參數(shù)值。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)試完成后，利用EXCEL繪制6個(gè)樣品的低溫氮吸附-解吸曲線,如圖2～7。

從圖2～7可以看出，同等溫度、壓力條件下，7135工作面和1035工作面煤的吸附量明顯高于其他工作面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。

由毛細(xì)凝聚理論可知，液氮的吸附-解吸曲線反映了一定的孔型結(jié)構(gòu)。煤的孔隙結(jié)構(gòu)大致可分為3類(lèi)[5-7]：第一類(lèi)，吸附-解吸曲線大致重合部分對(duì)應(yīng)的孔隙多為一端開(kāi)口、一端封閉的孔隙。第二類(lèi)，吸附-解吸曲線形成明顯的回線形態(tài)，這類(lèi)孔隙多為兩端開(kāi)放的孔隙。第三類(lèi)為特殊的孔隙，在解吸曲線上存在一個(gè)明顯的陡降點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的孔隙為近似墨水瓶狀或錐形瓶狀孔隙。

7135工作面、1035工作面以及8201工作面煤的解吸曲線上都存在明顯的陡降點(diǎn)，說(shuō)明它們都含有較多的墨水瓶狀孔隙。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，墨水瓶狀孔隙的大量發(fā)育與韌性變形糜棱煤密切相關(guān)。當(dāng)煤體經(jīng)歷不均勻擠壓產(chǎn)生韌性變形，孔隙形態(tài)往往不均勻變化，管狀孔隙或狹縫狀孔隙一部分演化成墨水瓶狀或錐形瓶狀；而原生結(jié)構(gòu)煤或碎裂煤中墨水瓶狀孔隙不明顯，碎粒煤兩端開(kāi)放型孔隙明顯較多。因此，綜合吸附量異常大和墨水瓶狀孔隙大量發(fā)育兩個(gè)特征，基本上可以說(shuō)明7135工作面和1035工作面煤孔隙受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造程度較高，8201工作面煤孔隙受改造程度較低。

8281工作面和1025工作面煤的解吸曲線沒(méi)有明顯的陡降點(diǎn)，且吸附量較低，說(shuō)明它們的構(gòu)造煤發(fā)育程度低。8281工作面煤的吸附-解吸曲線有明顯的回線，說(shuō)明它的煤中兩端開(kāi)放型孔隙較多，有利于煤層開(kāi)采時(shí)瓦斯的運(yùn)移；1025工作面煤的吸附-解吸曲線沒(méi)有形成特別明顯的回線，說(shuō)明它的煤中一端封閉、一端開(kāi)口的孔隙較多，不利于煤層開(kāi)采時(shí)瓦斯的運(yùn)移。

6種煤樣的物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　煤的物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果

3個(gè)煤層的元素分析及揮發(fā)分分析見(jiàn)表2。

表2　煤層元素及揮發(fā)分產(chǎn)率分析統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，對(duì)于桃園井田而言，隨著煤層的依次變老，含水率呈單調(diào)遞減；而比表面積、孔容和平均孔徑隨煤層新老變化規(guī)律不明確，說(shuō)明有其他重要因素控制著孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征。從表2可以看出，桃園井田的7煤、8煤和10煤的干燥無(wú)灰基碳含量均值都在85%左右，揮發(fā)分含量均值都在36%左右，處于煤化作用過(guò)程中第一次躍變(Cdaf=75%～80%，Vdaf=43%)和第二次躍變(Cdaf=87%，Vdaf=29%)之間，即處于氣煤階段[9-10]。這里需要指出的是，10煤雖然上距82煤平均有84 m，但變質(zhì)程度差異并不大。

對(duì)于中低變質(zhì)程度的煤，隨著變質(zhì)程度的增加，總的孔容和比表面積一般都減少[11-12]；隨煤體破壞程度的加強(qiáng)，煤的孔容和比表面積都增大[13-14]；巖漿巖的接觸變質(zhì)作用使煤的比表面積變小，而巖漿巖的遠(yuǎn)距離短期烘烤作用會(huì)導(dǎo)致煤的比表面積變大[15]。該礦井生產(chǎn)過(guò)程中揭露的地質(zhì)資料表明，南三采區(qū)煤層內(nèi)有巖漿巖侵入現(xiàn)象，而巖漿巖的侵入現(xiàn)象往往與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切；7135與1035兩個(gè)工作面都在南三采區(qū)，在地理位置上為同一局部區(qū)域，地史上經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)的改造，煤層孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了相似的變化。例如比表面積和孔容都明顯增大。7135工作面與1035工作面煤的比表面積和孔容比其他煤層明顯增大2倍以上，很有可能是巖漿短期熱作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)綜合改造的結(jié)果；而8201、8281和1025三個(gè)工作面煤的比表面積較小，說(shuō)明受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿作用改造弱，孔隙結(jié)構(gòu)主要受深成變質(zhì)作用的控制。

4結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)桃園井田地質(zhì)資料和孔隙結(jié)構(gòu)分析，三種類(lèi)型的孔隙形態(tài)在該井田三個(gè)煤層中普遍存在；其中，7135工作面與1035工作面煤的比表面積和微孔隙體積與其他工作面相比明顯增大，墨水瓶狀孔隙明顯發(fā)育，原因是在深成變質(zhì)作用背景上疊加了較強(qiáng)的構(gòu)造作用和巖漿短期熱作用的結(jié)果。8201工作面、8281工作面和1025工作面煤的比表面積和微孔體積不大，原因是這幾個(gè)工作面主要受深成變質(zhì)作用的控制，而受構(gòu)造作用和巖漿作用的影響很小。另外，煤層瓦斯含量和煤的比表面積關(guān)系十分密切，比表面積大的煤往往含量更多的瓦斯，因此，掘進(jìn)和采煤過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)煤比面積異常地段的監(jiān)測(cè)工作，防止瓦斯地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.07.030

收稿日期：2016-01-25

基金項(xiàng)目：宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心開(kāi)放課題(2014SZXTQP07)；安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心開(kāi)放課題(2014YKF02) 。

作者簡(jiǎn)介：李建樓(1973-)，安徽宿州人，博士，副教授，主要研究方向：煤礦瓦斯地質(zhì)災(zāi)害。

中圖分類(lèi)號(hào)：P611.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-2006(2016)07-0112-04