基于壓汞法、掃描電鏡法對(duì)無煙煤孔隙特征的研究
——以青東礦為例

張海濤，趙景宇，邵 政

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

無煙煤是由高等植物通過泥炭化作用并埋藏在地下一定深度處經(jīng)過高溫高壓的作用形成的一種變質(zhì)程度最高的煤。該煤的含碳量高，孔隙發(fā)育、比表面積較大，與煤層氣成藏、瓦斯突出、礦井透水事故等息息相關(guān)[1-2]，針對(duì)其孔隙特征研究是重中之重。程迎慶[3]通過對(duì)產(chǎn)煤地區(qū)原煤的孔隙大小，成因分類等總結(jié)了目前廣泛使用的孔隙分類方法。降文萍[4]通過研究煤的孔隙特征來解決煤礦上常見的瓦斯吸附與突出等問題。目前國(guó)際上研究孔隙特征的科學(xué)技術(shù)手段眾多，但是不同的技術(shù)方法可適用的孔徑范圍不同，只運(yùn)用一種技術(shù)方法是不能準(zhǔn)確體現(xiàn)出無煙煤的孔隙結(jié)構(gòu)和微觀孔隙特征，必須結(jié)合多種技術(shù)手段方法進(jìn)行測(cè)定[5]。擬以安徽省青東礦區(qū)無煙煤作為研究的對(duì)象，在對(duì)其進(jìn)行初步孔隙識(shí)別的基礎(chǔ)上，利用壓汞儀定量測(cè)量孔徑大小、掃描電子顯微鏡定性表征孔隙結(jié)構(gòu)形貌，兩種方法綜合研究其孔隙特征，為無煙煤煤炭資源的評(píng)價(jià)指標(biāo)與開采方法提供科學(xué)有效的理論儲(chǔ)備。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

青東礦隸屬于淮北礦業(yè)集團(tuán)，位于濉溪縣李小廟至大劉家一帶，距宿州、淮北兩市均為45km。坐標(biāo)位于東經(jīng)116°25′43″～116°34′43″之間，北緯33°36′33″～33°40′28″之間[6]。井田在構(gòu)造上位于淮北煤田的中央地帶，整體處于斷層的夾塊之中，屬于斷塊狀控煤構(gòu)造，具體東臨大劉家斷層，西至F9斷裂，北部有宿北斷裂，南部有孟集斷層，其中井田內(nèi)發(fā)育的主要含煤地層為二疊系的上、下石盒子組以及山西組。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 壓汞法

壓汞法即運(yùn)用壓汞儀來測(cè)定孔徑大小的常用方法?；驹恚汗?5℃、101kPa狀態(tài)下呈現(xiàn)液態(tài)形式，對(duì)一般的固體也不潤(rùn)濕，如果要將液態(tài)汞擠入孔隙中需要克服液態(tài)汞的表面張力，此時(shí)需要施加一定值的進(jìn)汞壓力才能將液態(tài)汞壓進(jìn)孔隙，當(dāng)所施加的進(jìn)汞壓力越大時(shí)，液態(tài)汞能夠進(jìn)入樣品的孔隙直徑越小，則進(jìn)入孔隙的液態(tài)汞量越多[7-8]。假設(shè)樣品孔隙的理想形態(tài)是圓柱狀，則孔隙直徑與進(jìn)汞壓力之間的關(guān)系為：

式中：d為孔隙直徑(μm)；γ為液態(tài)汞的表面張力系數(shù)(N/m)，通常為0.485N/m；θ為接觸角，即液態(tài)汞進(jìn)入孔隙時(shí)與樣品之間的夾角，一般取值范圍在125°～135°，本次試驗(yàn)取值為130°；p為進(jìn)汞壓力(MPa)。

2.2 掃描電鏡法

該種方法是操作高分辨率的電子顯微鏡(SEM)對(duì)樣品表面結(jié)構(gòu)特征實(shí)現(xiàn)定性觀測(cè)與分析的常見技術(shù)手段[9]。首先電子光學(xué)系統(tǒng)中電子槍激發(fā)出的細(xì)小電子束轟擊以重金屬粉末為導(dǎo)電膜的樣品塊體表面后會(huì)產(chǎn)生二級(jí)電子，然后二級(jí)電子會(huì)被信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)中的電子檢測(cè)器所檢測(cè)集中，最終會(huì)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并形成與掃描電子束同步的表面掃描圖像。通過觀察樣品的掃描電鏡圖像，對(duì)其孔隙特征進(jìn)行定性描述和歸納。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓汞數(shù)據(jù)分析

由于無煙煤的孔隙類型與結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，國(guó)際上的專家學(xué)者對(duì)于孔徑的劃分與類型也尚未形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，例如IUPAC將孔徑分為三類：微孔(<2nm)、中孔(2～50nm)、大孔(>50nm)；又有十進(jìn)制孔隙分類方法將其分為四類：微孔(<0.01μm)、過渡孔(0.01～0.1μm)、中孔(0.1～1μm)、大孔(>1μm)[10]。為便于對(duì)無煙煤的孔隙分布特征的研究，將采用十進(jìn)制分類法。利用壓汞法所測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制成如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 樣品M1累計(jì)進(jìn)汞體積圖

圖2 樣品M1階段進(jìn)汞體積圖

圖3 樣品M2累計(jì)進(jìn)汞體積圖

圖4 樣品M2階段進(jìn)汞體積圖

圖1和圖3為累計(jì)進(jìn)汞量與其孔隙直徑大小之間關(guān)系的曲線圖，圖2和圖4則是階段進(jìn)汞量與其孔隙直徑大小之間關(guān)系的曲線圖，將2個(gè)不同煤樣的累計(jì)進(jìn)汞體積與階段進(jìn)汞體積進(jìn)行對(duì)照分析。如圖1和圖3所示，曲線為一條平滑的下降曲線，表現(xiàn)為累計(jì)進(jìn)汞量與孔徑大小基本呈反比例的關(guān)系。當(dāng)孔徑越小時(shí)，所需要克服的表面壓力強(qiáng)度越大，則所施加的外加壓力就越大，進(jìn)入孔隙的累計(jì)進(jìn)汞量就越多；當(dāng)孔徑越大時(shí)，所需要施加的壓力就越小，而進(jìn)入孔隙的累計(jì)進(jìn)汞量就越少，這也大體上吻合理論方程Washburn孔徑計(jì)算公式，即所施加的外力值與其孔徑大小成反比。根據(jù)圖1和圖3可知，無煙煤樣品其孔徑分布范圍在0.001～200μm之間，微孔、過渡孔、中孔、大孔均有發(fā)育，最大孔徑約為180.65μm，最小孔徑約為0.003μm。當(dāng)孔徑<0.01μm時(shí)，曲線近似為一條直線且斜率比較大，隨著孔徑逐步增大，曲線上的散點(diǎn)分布疏松，累計(jì)進(jìn)汞量的陡降表明進(jìn)入該孔徑范圍孔隙的液態(tài)汞明顯減少；而當(dāng)孔徑>0.01μm時(shí)，隨著孔徑的逐步增大，曲線近似為一條水平線，而且大部分散點(diǎn)集中分布于這個(gè)區(qū)域，表明進(jìn)入該孔徑范圍孔隙的液態(tài)汞量基本保持不變。綜合分析可知，所施加的外力作用越大時(shí)，則進(jìn)入樣品孔隙的液態(tài)汞體積量越多，而相對(duì)應(yīng)的孔隙直徑越小。當(dāng)孔隙直徑<0.01μm時(shí)，注入的液態(tài)汞體積最多，而當(dāng)孔隙直徑>0.01μm時(shí)，則注入的液態(tài)汞體積則越來越少，表明孔徑<0.01μm的孔隙在該無煙煤樣品中非常發(fā)育且所占比例最大。階段進(jìn)汞量隨孔徑大小改變而變化的規(guī)律如圖2和圖4所示，此時(shí)曲線不再呈平滑的下降趨勢(shì)，而是似山峰般起伏不平，在每個(gè)孔徑劃分范圍內(nèi)均有一個(gè)高峰值，其中最明顯的高峰值分布在孔徑<0.01μm處(微孔)，而孔徑在0.01～100μm范圍內(nèi)的孔隙進(jìn)入的液態(tài)汞量很少且?guī)缀跤^察不到峰值，因此判定孔徑<0.01μm的孔隙在樣品中最為發(fā)育。最后綜合累計(jì)進(jìn)汞量與階段進(jìn)汞量的定量分析結(jié)果，可得知該無煙煤樣品孔隙的直徑主要集中分布在<0.01μm的范圍內(nèi)，屬于十進(jìn)制孔隙劃分法中的微孔結(jié)構(gòu)。

3.2 掃描電鏡分析

圖5 煤樣M1掃描電鏡圖

圖6 煤樣M2掃描電鏡圖

圖5和圖6為煤樣在S-4800電子顯微鏡形成的清晰圖像。在兩圖中，白色物質(zhì)為黏土礦物，含量較多，形態(tài)各異，多呈片狀，在外力作用下形成了貝殼狀的斷口破裂面。深灰色為煤樣表面，黑色為煤樣孔隙，微孔數(shù)量眾多，中孔、大孔數(shù)量少且呈不規(guī)則的圓形或者橢圓形，內(nèi)無其它填充物，也不存在定向排列，多呈現(xiàn)雜亂散點(diǎn)分布，孔隙直徑大小不一，而且煤樣在構(gòu)造作用下發(fā)生斷裂形成了不規(guī)則交錯(cuò)的裂隙網(wǎng)絡(luò)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在埋藏過程中受到高溫高壓作用使其變質(zhì)等級(jí)逐步提高，對(duì)應(yīng)的孔隙率總體上也隨之越來越大，但并非是呈現(xiàn)同步增減的正比例關(guān)系。在煤形成的初級(jí)階段，煤本來結(jié)構(gòu)疏松，微粒接觸松散且連接微弱，孔隙率較大，后來在一定埋藏深度土體自重應(yīng)力作用下開始?jí)好埽w粒相互靠攏并且排列變得緊密，孔隙率減小。隨著煤的變質(zhì)程度進(jìn)一步提高，煤層在隔絕空氣的相對(duì)密封環(huán)境下受熱分解能夠形成許多微小孔隙，并生成焦炭、焦?fàn)t氣等干餾產(chǎn)物，使其比表面積逐漸增大，到無煙煤時(shí)其孔隙率在所有變質(zhì)程度煤種中達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

在初步識(shí)別青東礦無煙煤孔隙的基礎(chǔ)上，結(jié)合多種科學(xué)技術(shù)手段(壓汞法、掃描電子顯微鏡法)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，取得了如下結(jié)果。

(1)經(jīng)過壓汞法分析得知青東礦無煙煤孔隙集中分布在孔徑<0.01μm的范圍內(nèi)，與安徽地區(qū)甚至全國(guó)地區(qū)無煙煤總體孔隙大小類似，屬于微孔結(jié)構(gòu)。

(2)在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)無煙煤樣品微孔發(fā)育，大小不一，黏土礦物分布較多，不規(guī)則的裂隙交錯(cuò)分布。

(3)綜合分析可知青東礦無煙煤孔隙特征是由該地區(qū)強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)形成的，地下水?dāng)y帶的礦物質(zhì)沉淀在裂隙里導(dǎo)致無煙煤中黏土礦物富集。