平山礦煤的微觀結(jié)構(gòu)分析

閆建浩,張 歌,付明明,梁廣妍

(1.山西保利平山煤業(yè)股份有限公司,山西 沁水 048205; 2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

平山礦煤的微觀結(jié)構(gòu)分析

閆建浩1,張 歌2,付明明2,梁廣妍2

(1.山西保利平山煤業(yè)股份有限公司,山西 沁水 048205; 2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

煤的微觀結(jié)構(gòu)影響著瓦斯的賦存,研究煤的微觀結(jié)構(gòu)有利于了解煤與瓦斯突出的規(guī)律。為了分析平山礦煤的微觀結(jié)構(gòu),選取3號(hào)煤層為研究對(duì)象,通過掃描電鏡和壓汞實(shí)驗(yàn)分析煤中孔隙的形態(tài)和孔徑大小,結(jié)果表明,孔隙形態(tài)有變質(zhì)氣孔、植物組織殘留孔、顆粒間孔、膠體收縮孔、層間孔和礦物溶蝕孔,煤體呈碎屑狀,微孔所占比例最大,各類孔隙都較發(fā)育。

煤的微觀結(jié)構(gòu);孔隙;掃描電鏡;壓汞法

煤的孔隙特征的研究已經(jīng)深入到大分子級(jí)別和納米級(jí)別[1-2],人們以此來研究瓦斯的賦存規(guī)律,有利于預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出以及加以控制[3-4]。

人們?cè)谝酝拿旱目紫短卣鞯难芯恐?煤中孔徑的分布通常采用中值孔徑或者平均孔徑來描述[5]。由于煤中孔隙的孔徑大小存在較大差異,至今為止沒有對(duì)孔徑分布較為科學(xué)的定量描述。人們將孔徑分為微孔、過渡孔、中孔和大孔,以此四種孔來區(qū)分幾納米到幾千納米的孔徑。

本文采用掃描電鏡法以及壓汞法對(duì)平山礦3#煤層進(jìn)行了研究,分析了煤的微觀結(jié)構(gòu),得到了煤的孔隙形態(tài)和孔徑分布。

1 煤的微觀結(jié)構(gòu)

煤中大小各異的孔隙形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,相互連接形成通道,為瓦斯采煤中的滲流與擴(kuò)散提供了場(chǎng)所。由于煤具有吸附作用,吸附瓦斯會(huì)改變自身的力學(xué)以及物理化學(xué)性質(zhì)。

煤的孔隙的特征參數(shù)有比表面積、孔容、孔徑分布、孔隙類型等,反映了孔隙的數(shù)量、分布特征、孔徑以及連通程度的情況[6]。煤中孔隙的特征參數(shù)影響著煤的物理化學(xué)性質(zhì),并且對(duì)瓦斯的擴(kuò)散、吸附、滲透有決定性的作用,這些參數(shù)在不同的煤中存在著巨大的差異,對(duì)瓦斯的突出與賦存有較大影響[7]。

微孔是在成煤的過程中形成的,煤的孔隙與裂隙是由封閉的和相互溝通的微孔構(gòu)成的交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。煤層的裂縫、節(jié)理、層理構(gòu)成同樣是在成煤過程中形成的煤的裂隙系統(tǒng)。裂隙系統(tǒng)的形成是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果,當(dāng)煤層由于強(qiáng)烈的擠壓和錯(cuò)動(dòng)作用而破碎時(shí)就形成了煤的裂隙系統(tǒng)。軟煤層在開采過程中變成了只有細(xì)微裂隙的顆粒結(jié)構(gòu),像土壤一樣看不出它的節(jié)理和層理。

煤的層次結(jié)構(gòu)分析:煤中的大裂隙將煤層分割成煤塊,煤塊的裂隙結(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀的,將煤塊分成煤粒,煤粒有孔隙。

煤的孔隙存在狀況和形式對(duì)煤的含瓦斯性、滲透性影響很大?？紫堵蚀?煤層中游離態(tài)的瓦斯含量就高,孔隙與孔隙之間連通性好,透氣性強(qiáng),瓦斯?jié)B流的通道多,瓦斯不易保存在煤體中,煤層瓦斯含量低。根據(jù)不同的研究需要孔隙可分為以下幾種類型,如表1所示。

表1 煤中孔隙類別

2 煤樣的電鏡掃描分析

本文使用日本JSM-6390LV鎢燈絲數(shù)字化掃描電鏡設(shè)備。樣品中水分較多,進(jìn)行真空干燥處理;為增加樣品的導(dǎo)電性,在IB-3離子濺射鍍膜儀中噴金鍍膜,厚度大約為10 nm～20 nm;然后將樣品放入電子槍20 kV、電子束流150 mA的SEM樣品室內(nèi)觀察,同時(shí)照相記錄二次電子圖像。

通過掃描電鏡可以觀察到煤層中含有較多的孔隙,孔隙直徑1 nm～100 nm。通過觀察可以將這些孔隙歸結(jié)為變質(zhì)氣孔、植物組織殘留孔、顆粒間孔、膠體收縮孔、層間孔和礦物溶蝕孔六種類型。電鏡照片分別見圖1-圖6,圖中比例為1∶3000。

圖1 煤樣中的變質(zhì)氣孔 圖2 煤樣中的植物組織孔Fig.1 Metamorphic pores of coal samples Fig.2 Plant tissue residual pores of coal samples

圖3 煤樣間的顆粒間孔 圖4 煤樣中的膠體収縮孔Fig.3 Intergranular pores of coal samples Fig.4 Colloid shrink pores of coal samples

圖5 煤樣中的層間孔 圖6 煤樣中的礦物溶蝕孔Fig.5 Interlayer pores of coal samples Fig.6 Mineral dissolution pores of coal samples

由電鏡照片可以看出,煤樣有著發(fā)育較好的微觀孔隙,內(nèi)部的微孔是張開的,孔洞的直徑由幾微米到幾百微米不等。孔隙溝通程度較好,連通性和連續(xù)性差別較大。

變質(zhì)氣孔:有機(jī)質(zhì)強(qiáng)烈成烴作用和揮發(fā)作用形成的,有圓形、拉長(zhǎng)、橢圓形和不規(guī)則形狀,分布不均,氣孔邊緣不光滑,多出現(xiàn)于鏡質(zhì)體和樹皮體中,較發(fā)育,連通性差。

植物組織孔:具有一定規(guī)則排列分布,由植物細(xì)胞組織內(nèi)蛋白質(zhì)、醇類等經(jīng)生物地球化學(xué)作用強(qiáng)烈分解而殘留的孔隙,連通性差。

顆粒間孔:分為兩類,一是常發(fā)育在微碎裂煤或微角礫煤中的由破碎的纖維組成,二是發(fā)育在碎屑狀原生結(jié)構(gòu)煤中,連通性較好。

膠體收縮孔:從有形物質(zhì)降解成膠體物質(zhì),膠體收縮并呈超微球聚合,形成基質(zhì)鏡體,連通性差。

層間孔:指成層狀分布的煤巖組之間由于表面不平或有其它雜質(zhì)存在,層面上下組分之間縫合不好,中間留下的孔隙,較發(fā)育,連通性差。

礦物溶蝕孔:孤立存在煤層中,連通性差。一是在成煤過程中或成煤后期地質(zhì)作用中地下水對(duì)可溶性礦物的溶蝕作用所致;二是由于有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中所形成的酸堿有機(jī)氣體對(duì)可溶性礦物的溶蝕作用所致。

3 壓汞實(shí)驗(yàn)

壓汞法的原理基于毛細(xì)管阻力。毛細(xì)血管力取決于孔隙半徑,外部壓力克服毛細(xì)血管力,汞才能進(jìn)入煤的孔隙,根據(jù)汞壓力壓入煤的體積,得出煤中大于某一半徑孔隙的總體積。通過不同壓力下壓入煤中汞體積的測(cè)定,可以計(jì)算出煤中各種尺寸孔隙的分布。

煤層中的孔隙分布情況可通過測(cè)定煤樣被壓入的體積在不同的壓力狀況下的變化計(jì)算出來。儀器分辨率0.001 cm3,工作壓力3.5 kPa～20 678 kPa,膨脹儀容積5.166 9 cm3,測(cè)量范圍7.4 nm～241860.7 nm,測(cè)量方式為計(jì)算機(jī)程控方式點(diǎn)式測(cè)量。選擇36個(gè)壓力點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)的穩(wěn)定時(shí)間是2 s,高壓段是165.5 kPa～206 789 kPa。為了盡可能的消除煤層中的裂隙對(duì)所測(cè)數(shù)值的影響,樣品的粒度選擇1 mm～2 mm。

測(cè)試方法:取2 g～3 g的樣品并放到烘箱內(nèi),溫度調(diào)制70 ℃～80 ℃,持續(xù)干燥12 h,之后將樣品放入膨脹儀中抽成真空狀態(tài),達(dá)到P≤6.6 Pa,進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試樣品:在平山礦3#煤層中選取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別取樣。1號(hào)樣品取自11011回風(fēng)側(cè)與7#聯(lián)絡(luò)巷交叉口向東斷層處;2#樣品取自煤層回風(fēng)巷與11013運(yùn)輸順槽交叉口向東20 m處;11011運(yùn)輸槽與3#聯(lián)絡(luò)巷交叉口向東50 m處。每個(gè)樣品分成兩份進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。

表2 壓汞法測(cè)出的孔容基本數(shù)據(jù)

表3 壓汞法測(cè)出的孔表面積基本數(shù)據(jù)

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,可以知道:

1)平山礦3#煤層的總孔容和微孔段的孔容較大,變質(zhì)程度高,揮發(fā)分少,各類孔隙均比較發(fā)育,有利于煤層瓦斯的賦存。

2)平山礦3#煤層各類孔徑分布比例相差較大。各孔徑段的孔容分布是:中孔<大孔<小孔<微孔。平山礦3#煤層中微孔所占比例大,因此孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)煤層瓦斯賦存規(guī)律影響顯著,吸附瓦斯量多。

3)根據(jù)煤的孔隙半徑及壓汞儀測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,煤樣的孔隙率在4.4%～5.7%之間,孔隙容積5.067 m3/t～6.222 m3/t,其中微孔約占66.667%～79.661%,小孔約占6.780%～21.053%,中孔約占5.714%～8.475%,大孔約占4.286%～7.143%。

4) 微孔和小孔占總孔隙的比率較大,阻礙瓦斯在煤層中的移動(dòng),有利于瓦斯的封存;大孔和中孔在煤層中占有的比例較小,瓦斯氣體不容易從煤體中解吸,煤層瓦斯賦存量大,瓦斯壓力大。

4 結(jié)論

通過對(duì)平山礦3#煤層進(jìn)行掃描電鏡和壓汞實(shí)驗(yàn)分析,揭示了煤的微觀孔隙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特性?？紫缎螒B(tài)具有變質(zhì)氣孔、植物組織殘留孔、顆粒間孔、膠體收縮孔、層間孔和礦物溶蝕孔六種形式。煤體的碎屑狀結(jié)構(gòu)較為發(fā)育,煤層中存在很多孔隙,連通性較好,變質(zhì)程度高,各類孔隙均比較發(fā)育。煤樣的孔隙率在4.4%～5.7%之間,孔隙容積5.067 m3/t～6.222 m3/t。微孔和小孔占總孔隙的比率較大,阻礙瓦斯在煤層中的移動(dòng),有利于瓦斯的封存;大孔和中孔在煤層中占有的比例較小,瓦斯氣體不容易從煤體中解吸,煤層瓦斯賦存量大,瓦斯壓力大。

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MicrostructureAnalysisontheCoalinPingshanMine

YANJianhao1,ZHANGGe2,FUMingming2,LIANGGuangyan2

(1.PingshanCoalCo.,Ltd.,Qinshui048205,China;2.KeyLaboratoryofHighEfficiencyMiningandSafetyofMinistryofEducation,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Coal microstructure affects gas occurrence.The study on the coal microstructure could improve the understanding of the coal and gas outburst.Taking No.3 coal seam as the research object, scanning electron microscope and mercury intrusion porosimetry were used to study the shape and size of the pores of the coal in Pingshan Mine. The results show that there are various pores, such as metamorphic pore, residual pores of plant tissue, intergranular pores, colloid shrink pores, interlayer pores, and mineral dissolution pores. In addition, the coal is fragmented with largest proportion of micropores and all types of pores are well developed.

coal microstructure;porosity;scanning electron microscope;mercury intrusion porosimetry

1672-5050(2017)02-0036-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.010

2016-12-04

閆建浩(1986-),男,山東菏澤人,碩士,工程師,從事防治煤與瓦斯突出的研究。

TQ531

A

(編輯:楊 鵬)