岩浆热事件对煤层变质程度和吸附-解吸特性的影响

2014-06-07程龙彪蔡春城

煤炭学报 2014年7期

王亮,程龙彪,蔡春城,徐超,王伟

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州 221116;3.上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿,江苏徐州 221600)

王亮1,2,程龙彪1,2,蔡春城3,徐超1,2,王伟1,2

为研究岩浆侵入热事件对煤层变质程度和吸附-解吸特性的作用机制,采用理论分析、实验室测定和现场验证的方法,对比分析了淮北矿区海孜井田岩浆岩侵入区和邻近临涣井田未受岩浆影响的煤层多元物性参数变化规律和孔隙特征,系统研究了采集煤样的等温吸附与吸附平衡条件下瓦斯解吸过程,揭示了岩浆岩床下伏煤层瓦斯赋存特征。结果表明:海孜井田岩浆热演化作用使煤层变质程度显著增加,煤层挥发分降低,岩浆岩覆盖区域煤层的最大镜质组反射率梯度为0.53%/100 m,远大于深成变质作用。岩浆热演化区孔径0.4～0.7 nm之间的微孔极为发育,其发育程度是未受岩浆岩覆盖区煤样的数倍,且越靠近岩浆岩的煤层,微孔发育程度越明显。岩浆热演化区内煤体的吸附能力增强,吸附瓦斯量增大,煤体的瓦斯放散初速度变大,初期解吸速度快且解吸总量大。由于岩浆岩床对下伏煤层的热变质和封存作用,易造成下伏各煤层的瓦斯压力和瓦斯含量增高,煤层的突出危险性增加。

岩浆热事件;变质程度;孔隙结构;吸附解吸;瓦斯赋存

岩浆侵入煤层后,受岩浆岩自身大小、产状以及侵入体和煤层距离远近的影响,一方面对煤层表现为不同程度的破坏作用,另一方面岩浆提供的高温、高压环境,促进了煤层的热演化,改变了煤体的变质程度、孔隙结构和吸附解吸特征[1-3]。岩浆侵入对煤层的热力作用往往造成了煤的变质程度增加,煤体中的微孔体积增加,比表面积增加,在焦煤至无烟煤阶段,瓦斯吸附量快速增加[4-9]。Gurba和Weber[10]、王红岩等[11-14]在研究岩浆热演化作用范围内的煤体吸附特性时发现,热演化区的煤体较正常区微孔发育,吸附能力增加。钟玲文[15]在测试干燥基煤样时发现随着镜质组反射率的增加吸附瓦斯量增加,煤对瓦斯的吸附能力与孔隙表面积、微孔表面积均呈正相关关系。Saghafi等[16]研究发现随着岩浆侵入对煤层变质程度的改变,瓦斯的吸附能力、瓦斯含量以及瓦斯的扩散率都会相应的增加,侵入体对煤层瓦斯可起到圈闭作用。淮北矿区岩浆岩发育[17],80%的矿井存在岩浆侵入煤层现象,其中海孜井田岩浆活动频繁,对矿井瓦斯赋存起到控制作用,井田内发生的11次煤与瓦斯突出事故均发生在岩浆岩床下[18]。笔者以海孜井田岩浆岩床下伏煤层和临涣井田未受岩浆侵蚀影响的煤层为研究对象,采用理论分析、实验室测定和现场验证的方法,系统研究了海孜井田岩浆岩热事件对煤层变质程度和吸附解吸特性的影响,进而揭示岩浆岩床下伏煤层瓦斯赋存特征,为该特殊地质条件下的煤层瓦斯治理和安全高效开采提供理论依据。

1 试验矿井地质背景

海孜井田处于宿北断裂以南,淮北煤田临涣矿区的北部。矿井含煤地层为二叠系,其中7,8,9,10煤层为矿井主要可采煤层,均具有煤与瓦斯突出危险性。燕山期早、中期,地壳深部的岩浆沿宿北断裂上涌并通过大刘家断层、吴坊断层和大马家断层及其派生断层向井田侵入,各煤层均受到不同程度的岩浆侵蚀影响。其中侵入5煤层的岩浆岩体以岩床形式覆盖于主采煤层之上,岩床最大厚度达到170 m,19线以西厚度大于140 m,以东则较小,如图1所示。

海孜井田深成变质作用使得煤层变质程度达气煤或肥煤[1],燕山期岩浆岩的热演化作用使煤层变质程度显著增加,发生“二次生烃”现象,生烃量约为340 m3/t,其岩体厚度控制着煤种的分布,随着岩浆岩床厚度的增大,7煤煤种从焦煤过渡至无烟煤,如图1所示。

2 煤样采集与试验方法

根据矿井采掘现状,选用了海孜井田8,9,10煤层和邻近临涣井田7,8,9煤层为主要研究对象。海孜井田采集5组煤样,其中岩浆岩覆盖区域4组(图1)。临涣井田选择了与海孜煤样采集点近似同标高的未受岩浆岩影响的7,8,9煤层各1组煤样进行对比测试分析。

笔者工业分析采用5E-MAG6600全自动工业分析仪进行测定。镜质组反射率及显微组分测定使用德国(ZEISS)显微镜光度计,粒径小于0.2 mm煤样用胶黏合后烘干,抛光,油浸,白色反射光。电镜扫描(SEM)采用日本生产的HITACHIS-3000N进行测定。煤的微孔分布采用低压CO2吸附法(0℃)进行测定,使用仪器为美国产AUTOSORB-1,实验结果分析采用NLDFT(非定域密度函数理论)分析模型。煤的坚固性系数测定采用常用的落锤破碎测定法。瓦斯放散初速度测定使用WT-Ⅰ型瓦斯放散初速度测定仪。煤的吸附常数(a,b值)和吸附试验采用HCA高压容量法瓦斯吸附装置进行测定。解吸试验采用瓦斯解吸仪进行测定。

3 岩浆热事件对煤层变质程度和孔隙结构的影响

3.1 岩浆热事件对下伏煤层的变质作用

采集煤样的工业分析、有机显微组分及最大镜质组反射率测定结果见表1(表中HZ代表海孜井田;LH代表临涣井田),根据实验结果做出海孜和临涣井田挥发分和最大镜质组反射率的变化曲线,如图2所示。

图1 海孜井田岩浆岩分布特征及7煤煤种分布Fig.1 Magmatic rock distribution and coal rank lines of the No.7 coal seam in the Haizim ine field

表1 煤样的多元物性参数测定结果Table 1 Multip le physical parameters testing results

图2 海孜和临涣井田挥发分和镜质组反射率测定结果Fig.2 The volatile and maximum vitrinite reflectance testing results of coal samples in the Haizi and Linhuanmine field

由表1和图2可知,海孜8,9,10煤层在岩浆岩的热力作用下,挥发分均比未受岩浆岩影响的临涣7,8,9煤层的挥发分小,海孜煤样的挥发分基本保持在16%以下,而临涣煤样挥发分都基本保持在20%左右。海孜井田岩浆岩下煤层挥发分(Vdaf)的变化趋势约为8.4%/100 m,其影响程度和煤层与岩浆岩的距离呈一定的线性关系。同时,海孜井田靠近岩浆岩,最大镜质组反射率(Ro,max)有增加的趋势,岩浆岩覆盖区域煤层间的Ro,max梯度为0.53%/100 m,远大于煤的深成变质作用引起的Ro,max梯度(0.1%/100 m)。可以认为海孜井田岩浆岩覆盖区域煤层在深成变质作用的基础上叠加了区域岩浆岩的热变质作用。

此外,由于镜质组主要成分为微孔结构,而惰质组主要为中孔及大孔结构[19],中等变质程度煤层的变质程度的持续增加,使得镜质组含量越来越大,惰质组含量开始减少[20]。靠近岩浆岩,煤层变质程度增加,微孔发育,下伏煤层镜质组含量有增加的趋势,而惰质组含量呈现略微减小的趋势。海孜井田受岩浆岩影响的8,9,10煤层镜质组含量达91%以上,而临涣井田7, 8,9煤层镜质组含量相对较小,均小于83%(表1)。

3.2 岩浆热事件对下伏煤层孔隙结构特征的影响

扫描电镜结果如图3所示,海孜8煤层煤样有大量反映岩浆热演化作用的热解气孔,气孔分布密集,且气孔间相连形成花朵状气孔群,热解气孔最大直径约30μm;海孜9煤层煤样也出现较多的热解气孔,但分布密度略小于8煤层,热解气孔最大直径约20μm;岩浆覆盖区10(Ⅱ102采区)煤层煤样出现极少量热解气孔,且热解气孔最大直径非常小,约为4μm。临涣7,8,9煤层扫描电镜的照片中并未有发现热解气孔,但由于临涣井田地质构造复杂,煤体受应力作用发生破裂,形成棱角清晰的较大碎粒,之后在应力作用下形成平均直径较小、大小分布均匀、较为圆滑的碎粒。扫描电镜结果表明,靠近岩浆岩的煤层由于热演化作用较强,煤化过程叠加生烃时产生的大量热解气孔,且热解气孔的直径大分布密集。

图3 煤样电镜扫描照片Fig.3 Scanningmicroscope photographs of each coalmine

微孔的分布特征直接影响煤体对CH4的吸附能力,笔者采用NLDFT模型对煤样CO2吸附实验获得的微孔(0.35～1.50 nm)孔径分布特征进行了分析,如图4所示。可以看出海孜、临涣井田试验煤样孔径为0.4～0.7 nm的微孔发育,且在0.35～1.50 nm均具有连续的孔径分布。海孜煤样由于受到岩浆岩的热力作用,0.4～0.7 nm的微孔发育程度是临涣煤样的数倍,且越靠近岩浆岩的煤层,微孔发育程度越明显。基于NLDFT模型对试验煤样微孔结构参数进行了分析,NLDFT微孔孔容和NLDFT微孔比表面积与岩浆岩关系如表1和图5所示。

图4 基于CO2吸附等温线的NLDFT模型孔径分布Fig.4 Pore size distribution based on the NLDFTmodel of CO2adsorption isotherm

图5 海孜、临涣井田煤样孔隙特征参数变化规律Fig.5 Pore characteristics parameters variation of coal samples in the Haizi and Linhuanmine field

从表1和图5可以看出,取自海孜井田岩浆岩下伏煤层煤样表现出靠近岩浆岩,微孔累积比表面积和累积孔容有增加的趋势,其中距离岩浆岩最近的8煤(HZ1,距岩浆岩64 m)微孔累积比表面积最大为148.5 m2/g,微孔累积孔容为0.044 27 cm3/g;而距离岩浆岩较远的10煤HZ4(距岩浆岩156 m)的累积比表面积降至74.45 m2/g,累积孔容也降至0.021 91 cm3/g,整体下将幅度较大。临涣井田7,8,9煤层煤样的微孔累积比表面积变化趋势相对于海孜井田煤层较小,基本表现出与煤体的变质程度成正相关。

4 海孜井田岩浆下伏煤层吸附/解吸特性

煤对瓦斯的吸附特性通常采用等温吸附试验得到的Langmuir方程表征[4,7],煤样测定结果如图6(a),(b)所示。煤样吸附平衡压力条件下瓦斯解吸量与时间的关系曲线如图6(c),(d)所示。

图6 煤样吸附解吸实验结果分析Fig.6 Variation curves of isothermal adsorption and desorption testing results

可以发现,海孜煤样呈现靠近岩浆岩,吸附能力有增加的趋势;临涣井田各煤层等温吸附曲线都比较缓慢,极限吸附量也都比较小,如图6(a),(b)所示。等温吸附试验结果与前文测定的煤体微孔累积比表面积和累积孔容的结果相符合,表明岩浆岩的热力作用使得煤中孔隙结构发生变化,微孔大量增加,为瓦斯的吸附提供了很大的内表面积,最终使得煤体的吸附能力增强,吸附瓦斯量增加。

试验结果表明(图6(c),(d)),同一吸附平衡压力下,海孜井田岩浆覆盖区煤样解吸速度和同一时刻累积解吸瓦斯量远大于正常区HZ5煤样及临涣井田煤样。其中HZ1在各个平衡压力下其解吸速度都是最快的,同一时刻累计解吸瓦斯量也是最大的,而LH3(临涣9煤)由于该试验煤样呈构造煤特性,硬度较低,煤体破碎严重,同一时刻瓦斯解吸速度和解吸量要大于LH1和LH2。可以认为,靠近岩浆岩,煤体吸附瓦斯量大,初期解吸速度快且解吸瓦斯总量大。

煤样吸附常数a和瓦斯放散初速度Δp测定结果如表1和图7所示。

图7 煤的吸附常数a及瓦斯的最初速度Δp测定结果Fig.7 Result of coal gas adsorption constants a anda initial speed of gas diffusionΔp

由表1和图7可以看出,海孜井田岩浆岩影响区域煤层的极限吸附常数a值与瓦斯放散初速度Δp均随着远离岩浆岩而呈现下降趋势,其中靠近岩浆岩的HZ1煤样a值最大为44.59 m3/t,瓦斯放散初速度为Δp为44.45;而未受岩浆岩影响的HZ5和临涣井田各煤层a值基本都在20 m3/t左右,远小于受岩浆岩影响的煤层。结果表明在岩浆岩热力作用下煤样的吸附能力增强,解吸初期瓦斯放散能力强。各煤层测得的坚固性系数f值均在0.5以下,煤体抵抗破坏能力差。

5 海孜井田岩浆岩下煤层瓦斯赋存特点

为了研究海孜井田煤层瓦斯赋存特征,采用地面和井下勘察相结合的方法分析岩浆岩下煤层瓦斯赋存的变化规律,如图8所示。

图8 海孜地面勘察孔和井下实测瓦斯基本参数情况Fig.8 Gas parameters in surface prospecting holes and measured in the underground

如图8(a)所示,靠近岩浆岩,瓦斯中的CH4成分增加,煤层瓦斯含量增大,且CH4和CO2含量均增加,岩床下部7煤(距岩浆岩44 m)CH4含量达8.88 m3/t,之后逐渐远离岩浆岩的8煤(距岩浆岩约64 m)、9煤(距岩浆岩约70 m)CH4含量仍然保持在较高水平,8,9煤CH4含量分别为8.97 m3/t和12.24 m3/t。矿井生产期间井下煤层瓦斯含量和瓦斯压力实测结果显示(图8(b)),岩浆岩覆盖区域7, 8(9),10煤层的瓦斯压力梯度呈现远离岩浆岩逐渐下降的趋势,中组煤(7,8煤)瓦斯含量远高于10煤层。

通过上述分析,可以发现岩浆岩下伏煤层受岩浆岩热变质作用,煤体裂解生烃,造成瓦斯含量(CH4和CO2含量)增加,同时岩浆岩渗透性低,覆在煤层上方的岩浆岩对各煤层生成的瓦斯起到了较好的封存作用,从而造成岩浆岩下伏各煤层的瓦斯含量较高,岩浆的热变质演化作用、推挤作用和圈闭作用往往控制着煤与瓦斯突出危险性[18,21]。

6 结论

(1)海孜井田岩浆岩下伏煤层在岩浆热演化作用下,表现出靠近岩浆岩,煤层挥发分逐渐降低,镜质组含量增加,最大镜质组反射率增加,岩浆岩覆盖区域煤层Ro,max梯度为0.53%/100 m,远大于深成变质作用梯度,表明海孜井田岩浆岩覆盖区域煤层演化过程是在深成变质作用的基础上叠加了区域岩浆岩的热变质作用。同时,靠近岩浆岩,微孔发育程度越明显,煤体中热解气孔的直径大且分布密集。

(2)靠近岩浆岩的煤层微孔发育,增加了微孔的比表面积,为甲烷气体的吸附提供了很大的内表面积,使得煤体的吸附瓦斯能力增强,极限吸附常数a值增大,吸附瓦斯量增加;同时靠近岩浆岩,煤体的瓦斯放散初速度大,同一时刻累积解吸瓦斯量和解吸速度快且解吸总量大。

(3)岩浆岩床下伏煤层受侵入岩浆的热变质作用,煤体裂解生烃,煤层瓦斯含量增大,且煤层瓦斯中的CH4和CO2含量显著增加;同时由于岩浆岩渗透性低,以岩盖形式对下伏煤层瓦斯起到了较好的封存作用,造成下伏各煤层的瓦斯压力和瓦斯含量增高,煤层的突出危险性增加。

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Influence of therm al events ofm agm a intrusion on coal seam smetamorphic grade and adsorption and desorption characteristics

WANG Liang1,2,CHENG Long-biao1,2,CAIChun-cheng3,XU Chao1,2,WANGWei1,2

(1.Faculty ofSafety Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.National Engineering Research Center forCoal&Gas Control,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.Kongzhuang Coal Mine ofShanghai Datun Energy Corporation Limited,Xuzhou 221600,China)

In order to research the influence of thermal events ofmagma intrusion on coal seamsmetamorphic grade and adsorption-desorption characteristics,based on theoretical analysis,laboratory testing and field verification,the author compared and analyzed multiple physical parameters testing results and pore characteristics of coal samples collected from the Haizimine field covered bymagmatic rock and the Linhuanmine field withoutmagma intrusion in the Huaibeimining area.The coal samples isothermal adsorption process and gas desorption process under adsorption equilibrium pressure were systematically studied,and gas occurrence characteristics of underlying coal seams were revealed.The results show that themetamorphic grade of coal seam increases significantly in magma thermal evolution area,and the coalmaximum vitrinite reflectance gradient is 0.53%/100 m undermagmatic rock which is far largerthan on the coal originalmetamorphism affected by the burial depth.Microspores between 0.4-0.7 nm in diameter are extremely developed in the thermal evolution areawhich ismore obviouswhen gets closer themagmatic rocks,andmicrospore development degree is several times larger than that in areawithoutmagmatic rock covering.In the thermalevolution area,coal adsorption ability is enhanced,the amount of adsorbed gas and coal gas emission initial velocity are enlarged,and initial desorption speed and desorption amount increase.Under the thermalmetamorphism and sealing effect ofmagmatic rock,gas pressure and gas contentof underlying coal seams become higherwhich increase coal and gas outburst risk.

magma thermal events;metamorphism degree;pore structure;adsorption and desorption;gas occurrence

煤矿科技规范名词与废弃名词比对(10)

TD712

0253-9993(2014)07-1275-08

王亮,程龙彪,蔡春城,等.岩浆热事件对煤层变质程度和吸附-解吸特性的影响[J].煤炭学报,2014,39(7):1275-1282.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0815

Wang Liang,Cheng Longbiao,Cai Chuncheng,etal.Influence of thermal events ofmagma intrusion on coal seamsmetamorphic grade and adsorption and desorption characteristics[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1275-1282.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0815

2013-07-02 责任编辑:毕永华

国家自然科学基金资助项目(51004106);中国博士后基金资助项目(2012M510145,2014T70561)

王亮(1982—),男,江苏东海人,副教授。Tel:0516-83885948,E-mail:liangw1982@126.com