平山矿煤的微观结构分析

闫建浩,张 歌,付明明,梁广妍

(1.山西保利平山煤业股份有限公司,山西 沁水 048205; 2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083)

平山矿煤的微观结构分析

闫建浩1,张 歌2,付明明2,梁广妍2

(1.山西保利平山煤业股份有限公司,山西 沁水 048205; 2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083)

煤的微观结构影响着瓦斯的赋存,研究煤的微观结构有利于了解煤与瓦斯突出的规律。为了分析平山矿煤的微观结构,选取3号煤层为研究对象,通过扫描电镜和压汞实验分析煤中孔隙的形态和孔径大小,结果表明,孔隙形态有变质气孔、植物组织残留孔、颗粒间孔、胶体收缩孔、层间孔和矿物溶蚀孔,煤体呈碎屑状,微孔所占比例最大,各类孔隙都较发育。

煤的微观结构;孔隙;扫描电镜;压汞法

煤的孔隙特征的研究已经深入到大分子级别和纳米级别[1-2],人们以此来研究瓦斯的赋存规律,有利于预测煤与瓦斯突出以及加以控制[3-4]。

人们在以往的煤的孔隙特征的研究中,煤中孔径的分布通常采用中值孔径或者平均孔径来描述[5]。由于煤中孔隙的孔径大小存在较大差异,至今为止没有对孔径分布较为科学的定量描述。人们将孔径分为微孔、过渡孔、中孔和大孔,以此四种孔来区分几纳米到几千纳米的孔径。

本文采用扫描电镜法以及压汞法对平山矿3#煤层进行了研究,分析了煤的微观结构,得到了煤的孔隙形态和孔径分布。

1 煤的微观结构

煤中大小各异的孔隙形状结构复杂多变,相互连接形成通道,为瓦斯采煤中的渗流与扩散提供了场所。由于煤具有吸附作用,吸附瓦斯会改变自身的力学以及物理化学性质。

煤的孔隙的特征参数有比表面积、孔容、孔径分布、孔隙类型等,反映了孔隙的数量、分布特征、孔径以及连通程度的情况[6]。煤中孔隙的特征参数影响着煤的物理化学性质,并且对瓦斯的扩散、吸附、渗透有决定性的作用,这些参数在不同的煤中存在着巨大的差异,对瓦斯的突出与赋存有较大影响[7]。

微孔是在成煤的过程中形成的,煤的孔隙与裂隙是由封闭的和相互沟通的微孔构成的交错的网状结构。煤层的裂缝、节理、层理构成同样是在成煤过程中形成的煤的裂隙系统。裂隙系统的形成是地质构造运动作用的结果,当煤层由于强烈的挤压和错动作用而破碎时就形成了煤的裂隙系统。软煤层在开采过程中变成了只有细微裂隙的颗粒结构,像土壤一样看不出它的节理和层理。

煤的层次结构分析:煤中的大裂隙将煤层分割成煤块,煤块的裂隙结构是网状的,将煤块分成煤粒,煤粒有孔隙。

煤的孔隙存在状况和形式对煤的含瓦斯性、渗透性影响很大。孔隙率大,煤层中游离态的瓦斯含量就高,孔隙与孔隙之间连通性好,透气性强,瓦斯渗流的通道多,瓦斯不易保存在煤体中,煤层瓦斯含量低。根据不同的研究需要孔隙可分为以下几种类型,如表1所示。

表1 煤中孔隙类别

2 煤样的电镜扫描分析

本文使用日本JSM-6390LV钨灯丝数字化扫描电镜设备。样品中水分较多,进行真空干燥处理;为增加样品的导电性,在IB-3离子溅射镀膜仪中喷金镀膜,厚度大约为10 nm～20 nm;然后将样品放入电子枪20 kV、电子束流150 mA的SEM样品室内观察,同时照相记录二次电子图像。

通过扫描电镜可以观察到煤层中含有较多的孔隙,孔隙直径1 nm～100 nm。通过观察可以将这些孔隙归结为变质气孔、植物组织残留孔、颗粒间孔、胶体收缩孔、层间孔和矿物溶蚀孔六种类型。电镜照片分别见图1-图6,图中比例为1∶3000。

图1 煤样中的变质气孔 图2 煤样中的植物组织孔Fig.1 Metamorphic pores of coal samples Fig.2 Plant tissue residual pores of coal samples

图3 煤样间的颗粒间孔 图4 煤样中的胶体収缩孔Fig.3 Intergranular pores of coal samples Fig.4 Colloid shrink pores of coal samples

图5 煤样中的层间孔 图6 煤样中的矿物溶蚀孔Fig.5 Interlayer pores of coal samples Fig.6 Mineral dissolution pores of coal samples

由电镜照片可以看出,煤样有着发育较好的微观孔隙,内部的微孔是张开的,孔洞的直径由几微米到几百微米不等。孔隙沟通程度较好,连通性和连续性差别较大。

变质气孔:有机质强烈成烃作用和挥发作用形成的,有圆形、拉长、椭圆形和不规则形状,分布不均,气孔边缘不光滑,多出现于镜质体和树皮体中,较发育,连通性差。

植物组织孔:具有一定规则排列分布,由植物细胞组织内蛋白质、醇类等经生物地球化学作用强烈分解而残留的孔隙,连通性差。

颗粒间孔:分为两类,一是常发育在微碎裂煤或微角砾煤中的由破碎的纤维组成,二是发育在碎屑状原生结构煤中,连通性较好。

胶体收缩孔:从有形物质降解成胶体物质,胶体收缩并呈超微球聚合,形成基质镜体,连通性差。

层间孔:指成层状分布的煤岩组之间由于表面不平或有其它杂质存在,层面上下组分之间缝合不好,中间留下的孔隙,较发育,连通性差。

矿物溶蚀孔:孤立存在煤层中,连通性差。一是在成煤过程中或成煤后期地质作用中地下水对可溶性矿物的溶蚀作用所致;二是由于有机质在热演化过程中所形成的酸碱有机气体对可溶性矿物的溶蚀作用所致。

3 压汞实验

压汞法的原理基于毛细管阻力。毛细血管力取决于孔隙半径,外部压力克服毛细血管力,汞才能进入煤的孔隙,根据汞压力压入煤的体积,得出煤中大于某一半径孔隙的总体积。通过不同压力下压入煤中汞体积的测定,可以计算出煤中各种尺寸孔隙的分布。

煤层中的孔隙分布情况可通过测定煤样被压入的体积在不同的压力状况下的变化计算出来。仪器分辨率0.001 cm3,工作压力3.5 kPa～20 678 kPa,膨胀仪容积5.166 9 cm3,测量范围7.4 nm～241860.7 nm,测量方式为计算机程控方式点式测量。选择36个压力点,每个点的稳定时间是2 s,高压段是165.5 kPa～206 789 kPa。为了尽可能的消除煤层中的裂隙对所测数值的影响,样品的粒度选择1 mm～2 mm。

测试方法:取2 g～3 g的样品并放到烘箱内,温度调制70 ℃～80 ℃,持续干燥12 h,之后将样品放入膨胀仪中抽成真空状态,达到P≤6.6 Pa,进行测试。

测试样品:在平山矿3#煤层中选取3个测试点分别取样。1号样品取自11011回风侧与7#联络巷交叉口向东断层处;2#样品取自煤层回风巷与11013运输顺槽交叉口向东20 m处;11011运输槽与3#联络巷交叉口向东50 m处。每个样品分成两份进行测试。

测试结果如表2和表3所示。

表2 压汞法测出的孔容基本数据

表3 压汞法测出的孔表面积基本数据

对测试结果进行分析,可以知道:

1)平山矿3#煤层的总孔容和微孔段的孔容较大,变质程度高,挥发分少,各类孔隙均比较发育,有利于煤层瓦斯的赋存。

2)平山矿3#煤层各类孔径分布比例相差较大。各孔径段的孔容分布是:中孔<大孔<小孔<微孔。平山矿3#煤层中微孔所占比例大,因此孔隙结构对煤层瓦斯赋存规律影响显著,吸附瓦斯量多。

3)根据煤的孔隙半径及压汞仪测定数据进行计算,煤样的孔隙率在4.4%～5.7%之间,孔隙容积5.067 m3/t～6.222 m3/t,其中微孔约占66.667%～79.661%,小孔约占6.780%～21.053%,中孔约占5.714%～8.475%,大孔约占4.286%～7.143%。

4) 微孔和小孔占总孔隙的比率较大,阻碍瓦斯在煤层中的移动,有利于瓦斯的封存;大孔和中孔在煤层中占有的比例较小,瓦斯气体不容易从煤体中解吸,煤层瓦斯赋存量大,瓦斯压力大。

4 结论

通过对平山矿3#煤层进行扫描电镜和压汞实验分析,揭示了煤的微观孔隙形态和结构特性。孔隙形态具有变质气孔、植物组织残留孔、颗粒间孔、胶体收缩孔、层间孔和矿物溶蚀孔六种形式。煤体的碎屑状结构较为发育,煤层中存在很多孔隙,连通性较好,变质程度高,各类孔隙均比较发育。煤样的孔隙率在4.4%～5.7%之间,孔隙容积5.067 m3/t～6.222 m3/t。微孔和小孔占总孔隙的比率较大,阻碍瓦斯在煤层中的移动,有利于瓦斯的封存;大孔和中孔在煤层中占有的比例较小,瓦斯气体不容易从煤体中解吸,煤层瓦斯赋存量大,瓦斯压力大。

[1] 王魁军,程五一,高坤,等.矿井瓦斯涌出理论及预测技术[M].北京:煤炭工业出版社,2009.

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[3] 程五一,张序明,吴福昌.煤与瓦斯突出区域预测理论及技术[M].北京:煤炭工业出版社,2008.

[4] 郭国鹏.接触变质带煤的物理化学结构及瓦斯赋存特征研究[D].焦作:河南理工大学,2012.

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[6] 王怀勐,朱炎铭,李伍,等.煤层气赋存的两大地质控制因素[J]. 煤炭学报,2011, 36(7):1129-1134.

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[7] 降文萍,宋孝忠,钟玲文.基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出斯突出影响[J].煤炭学报,2011,36(4):609-614.

JIANG Wenping,SONG Xiaozhong,ZHONG Lingwen.Research on the Pore Properties of Different Coal Body Structure Coals and the Effects on Gas Outburst Based on the Low-temperature Nitrogen Adsorption Method [J].Journal of China Coal Society,2011,36(4):609-614.

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

闫建浩(1986-),男,山东菏泽人,硕士,工程师,从事防治煤与瓦斯突出的研究。

TQ531

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(编辑:杨 鹏)