高瓦斯煤层的物性参数研究

赵文利

(大同煤炭职业技术学院)



高瓦斯煤层的物性参数研究

赵文利

(大同煤炭职业技术学院)

摘要煤与瓦斯突出是一种复杂的多因子瓦斯动力灾害，主要与煤体的瓦斯吸附解吸特征及突出危险性结构组成、力学特性、瓦斯赋存等一系列因素有关。为了研究煤体瓦斯的吸附解吸特性及突出危险性，通过对某煤矿4个采样点取样，并进行了工业性分析、煤岩学分析与孔隙结构分析，测定了煤样的瓦斯特征参数，为研究煤层瓦斯赋存状况、确定煤与瓦斯突出危险性敏感指标提供借鉴。

关键词高瓦斯煤层多元物性参数压汞法瓦斯特征

在煤与瓦斯突出中，主要是含瓦斯煤的力学特性、渗透特性及蠕变特性作用的结果。因此，深入研究高瓦斯煤的特性参数，对进一步提示煤中瓦斯的移运规律、煤与瓦斯突出机理具有重要作用。

1高瓦斯煤层煤样物性参数研究

1.1煤体取样

煤体的物性参数是对煤体主要属性的多角度描述，包括煤体的组成结构、孔隙分布、瓦斯吸附能力等一系列参数[1-2]。为了对煤层的研究更为准确，依据《GB/T19222—2003煤岩样品采取方法》，结合某矿井下环境、水文地质等条件，在4个地点进行取样。取样地点如表1所示。

表1　某煤矿煤层取样

1.2煤样的工业分析

采用5E-MAG6600型全自动工业分析仪[4]，将各煤层煤样分为两组，分别进行了测定，结果如表2所示。

表2煤样的工业分析结果

%

从测试结果看，该矿各煤样的水分含量均在1%以下，属于低水分煤，4#煤层灰分比3#煤层大；挥发分含量3#煤层为22.10%，4#煤层略低，为21.11%；固定碳含量4#煤层平均值为66.71%，略小于3#煤层。

1.3煤样的煤岩学分析

对4个煤样进行最大平均镜质组反射率测定、有机显微组分，结果如表3所示。图1为4个煤样的有机显微组分照片。

表3煤样的有机显微组分、

最大平均镜质组反射率测定结果

%

图1　煤样有机显微照片

各煤层煤样测得的平均最大镜质组反射率R0,max为1.411 1%～1.526 7%，煤的变质程度差别不大，均为中变质烟煤,可以判定，煤变质程度与工业分析的判定结果基本一致。

从显微组分测定的结果来看，镜质组所占的比例最大，可达79.27%～91.04%，其中主要为均质镜质体和基质镜质体。4#煤层煤样镜质组含量达90%以上，高于3#煤层煤样；各煤样惰质组含量为5.62%～18.64%，其中大部分为粗粒体，少量为丝质体，该矿4#煤层的惰质组含量明显低于3#煤层；在样品中均未观测到壳质组的存在，这是由于煤样的煤级较高。最大平均镜质组反射率R0,max均在1.4% 以上，根据研究经验可知，当R0,max>1.3%时，显微照片上就会出现壳质组消失现象。无机组分主要成分为黏土类和硫化物，黏土类成分类型为黑色，细分散状，以条带状为主，少量团块状；硫化物成分类型为亮黄色，细粒，细分散状，呈充填状；均未见碳酸盐类。

2煤样孔隙结构测试

压汞试验可分为进汞和退汞两个阶段，对应形成进汞和退汞曲线。受孔隙开放性特征影响，退汞曲线通常滞后于进汞曲线，从而形成“滞后环”，根据“滞后环”的形态特征可简单判断测试煤体中孔隙的形态[5]，见图2。

从图2中可看出，各煤样的进汞曲线位置略低于退汞曲线，说明累计退汞量比相同压力下累计进汞量略大，滞后特征不甚明显。这是由于煤体内的孔隙形态主要以半开放孔为主，致使在进汞和退汞过程中的压力基本相等，进退汞量变化差异不大。

相对于煤体来说，汞属于非润湿相，汞液渗透进煤体孔隙内就必须要克服孔隙喉道产生的毛细管阻力。毛细管阻力与孔隙的半径成负相关，根据汞液在不同压力下的进汞量，计算出相应的毛细管压力，不同压力下汞液所进入孔隙的喉道大小即为孔径的大小。

由图2给出的各煤层煤样在不同孔径下的进汞量，依据B.B.XOДOT提出的孔径划分标准，得出各煤层的孔容分布特征及总孔容，如表4所示。图3为各个孔径下孔容占总孔容的比值。

从测试数据来看，各煤层煤样的总孔容(总进汞量)为0.029 3～0.032 7 mL/g，3#煤层的3个煤样总孔容比较接近，平均为0.032 5 mL/g，4#煤的较低，仅为0.029 3 mL/g。各煤样以小于10 nm以下的微孔发育为主，在孔容中的贡献值基本在55%左右；其次发育的为小孔，为23.9%～28.3%；再次为大孔为11.6%～19.9%；中孔最不发育，均在5%以下。比较各煤层的孔隙分布情况可以看出，该矿井田内的煤层孔径分布基本一致，结构差异性不大。

根据累计量得到各孔径下的比表面积分布，如表5所示。图4为各煤样的累计比表面积曲线，图5统计了各个孔径下比表面积占总比表面积的比值。对数据分析可知，各煤样比表面积从大到小顺序与孔容排序呈现相同的规律，总比表面积为15.184～ 16.701 m2/g，平均为16.09 m2/g。总比表面积主要由微孔和小孔贡献，占总比表面积的99.8%以上，其中又以微孔最高，达88%以上。

图2　不同煤样的累计进、退汞量曲线

表4煤样分类孔径下的孔容分布

mL/g

图3　各类孔径孔容百分比

结合微孔孔容分布和比表积面分布特征可以发现，该矿各煤层煤样孔隙结构以微孔为主，微孔的大量发育使得煤体在相同体积的情况下，比表面积大大增加，在微观上为瓦斯吸附提供了充足空间，在宏观上则表现为煤体吸附瓦斯量较高。

3煤样的瓦斯特征参数测定

煤的瓦斯特征参数主要包括：吸附常数a、b值、煤的坚固性系数以及瓦斯放散初速度[6]，分别反映了煤体瓦斯吸附量大小、煤体的自身强度及解吸初期煤体瓦斯放散速率。各煤层煤样的瓦斯特征参数测定结果如表6所示。

表5煤样分类孔径下的孔隙比表面积分布

m2/g

图4　不同煤样累计比表面积曲线

图5　各类孔径比表面积百分比

煤层取样地点吸附常数a/(m3/t)b/MPa-1坚固性系数瓦斯放散初速度/mmHg3#三采区皮带巷正前28.63080.61970.4311.43#3313材巷27.12930.75880.3910.43#3312预抽巷26.88190.55760.429.34#3313底抽巷21.36510.64760.5510.8

从表6可看出，该矿3#煤层的a值接近，4#煤层的煤样a值较低，这与之前测定的孔容和比表面积结果相符合，表明不同煤层的煤体对瓦斯吸附能力的强弱，在实际生产中，则表现为不同煤层在相同瓦斯压力下瓦斯含量的差异；各煤样的瓦斯放散初速度为9.3～11.4 mmHg，整体偏大；3#煤层坚固性系数测得的值均在0.5以下，超出《规定》中的临界值，煤体的强度较小，抵抗破坏能力差，4#煤层坚固性系数大于0.5。

4结论

通过测定，获得了该煤矿高瓦斯煤层煤样的多元物性参数。该煤矿各煤层煤样孔隙结构以微孔为主，微孔的大量发育使得煤体在相同体积的情况下，比表面积大大增加，在微观上为瓦斯吸附提供了充足空间，在宏观上则表现为煤体吸附瓦斯量较高；该矿各煤层的a值范围为21.4～28.6 m3/t，各煤样的瓦斯放散初速度为9.3～11.4 mmHg，整体偏大；3#煤层坚固性系数值均在0.5以下，超出《规定》中的临界值，煤体的强度较小，抵抗破坏能力差，4#煤层坚固性系数大于0.5。

参考文献

[1]陈向军,程远平,王林.外加水分对煤中瓦斯解吸抑制作用试验研究[J].采矿与安全工程学报,2013(2):58-63.

[2]赵东,冯增朝,赵阳升.高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响试验研究[J].岩石力学与工程学报,2011(3):125-132.

[3]刘曰武,苏中良,方虹斌，等.煤层气的解吸/吸附机理研究综述[J].油气井测试,2010(6):24-29.

[4]降文萍,张庆玲,崔永君.不同变质程度煤吸附二氧化碳的机理研究[J].中国煤层气,2010(4):224-228.

[5]程远平,俞启香.中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展[J].采矿与安全工程学报,2007(4):223-229.

[6]李志胜.孟津煤矿二2煤层突出危险性研究[J].煤炭技术,2009(12)：100-102.

(收稿日期2015-10-10)

Study of the Physical Parameters of High Coal Seam

Zhao Wenli

(Datong Coal Vocational and Technical College)

AbstractCoal and gas outburst is a complicated multi-factor gas dynamic disaster, it mainly related to the coal ore-body factors of gas adsorption,desorption characteristics, outburst dangerous, structural composition, mechanical properties and gas occurrence.In order to analyze the gas adsorption and desorption characteristics and outburst dangerous of coal ore-body, the samples are obtained from the four sampling points of a coal mine, the samples are conducted industrial analysis, coal petrology analysis and pore structure analysis, the gas characteristics parameters of coal samples are obtained to provide reference for studying the gas occurrence conditions of coal seam and determining the sensitive indicators of the coal and gas outburst dangerous.

KeywordsHigh gas coal seam, Multiple physical parameters, Mercury intrusion method, Gas characteristics

赵文利(1982—)，男，讲师,注册安全工程师，硕士,037003 山西省大同市。