煤孔隙结构随埋深变化特征研究

2018-01-19王敬谋

山东工业技术 2018年3期

王敬谋

（安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232001）

1 引言

煤作为一种复杂的多孔介质，其孔隙特征直接影响煤中瓦斯的吸附、流动与突出[1]。随着煤层开采深度的增加，瓦斯压力和地压都会增加，煤的孔隙结构的发育特征也会相应发生变化，而瓦斯主要以吸附状态存在于煤的孔隙中，这就会造成瓦斯吸附特征不同和瓦斯含量的不同[2]。因此研究不同埋深煤中的孔隙结构对瓦斯的防治工作具有重要的现实意义。

本文以宿州桃园矿不同埋深煤的孔隙结构为研究对象，采集的样品来自82煤工作面煤层、10 工作面煤层，以实验和数据为基础，分析不同深度条件下煤的孔隙结构发育特征及其瓦斯含量，进行相关性分析，并找出影响孔隙结构的原因，为煤层气开采和矿井瓦斯防治提供理论参考。

2 煤孔隙结构测试

2.1 不同深度煤样的采集

根据研究分别采取了桃园煤矿8煤和10煤煤样。因为影响煤孔隙结构特征的因素很多[3]，为尽可能排除其他因素的干扰（如构造因素、区域岩浆岩、煤的显微组分等），增加实验的可靠性，采用两个地质成分相同的同一采区不同工作面的煤样作为实验的样品，先对同一煤层不同埋深工作面的孔隙特征进行分析，找出相关性，再进而将不同煤层不同埋深的煤样的孔隙特征作对比分析，所采煤样分别来自8281、8283工作面煤和1025、1026工作面煤，如表1所示。

表1 煤样信息

2.2 实验仪器

所用试验仪器为Gemini VII 2390全自动快速比表面积与孔隙度分析仪，它可快速、可靠地得到精确和可重复的比表面积和孔隙度的分析结果。

2.3 不同埋深煤样的比表面积结果分析

表2 低温液氮比表面积测试结果

通过表2和图1可以看出，对于同一采区不同埋深的两个工作面，82煤中的D1-D2煤样，煤的BET比表面积从0.6538m2.g-1增加到1.3336m2.g-1，数值明显增加，对于任意孔段，D2煤的比表面积均大于D1煤；10煤中的两个工作面煤的BET比表面积没有明显的变化，在绝大部分孔段略有增加；而相对于不同采区不同埋深的煤，对比发现，随着埋藏深度的增加，BET比表面积从最初的0.6538m2.g-1减少到0.3162m2.g-1，呈明显的降低趋势。煤的比表面积越大，其吸附瓦斯含量越多，随着煤埋藏深度的增加，煤表面的的微孔隙比例是增加的，更利于瓦斯的聚集，所以在对煤层进行开采时，要注意瓦斯突出的不利影响，深部煤层尤其要注意，以确保安全。

图1 不同埋深煤样的比表面积与孔径分布关系

2.4 不同埋深煤低温液氮吸附回线曲线分析

通过图2可以看出，D2和D1煤样有明显的吸附回线，D2煤的吸附回线较D1煤大，说明煤样中的孔大多是两端开放型的孔[4]，其孔结构透气性好，有利于瓦斯的抽放，同时D2煤相对压力在0.5Pa时出现明显的拐点，说明其孔隙结构相对复杂；X1和X2煤吸附解吸曲线基本重合，没有明显回线，说明煤中的孔隙大多为透气性较差的封闭型孔，这种孔不利于瓦斯的抽放与运移，在煤层的开采过程中要尤其注意瓦斯突出的危险。相同煤层的不同工作面的煤随着埋深的增加，D2煤样N2的吸附量是大于D1煤样的，X2煤样N2的吸附量也是略大于X1煤样，但是综合比对两个不同埋深的煤层，随着埋深的增加，其N2的吸附量实明显降低的。N2的吸附量越大，说明其煤表面比表面积越大。以上结果进一步验证了2.3的结论，随煤埋深的增加，煤中孔隙越不利于瓦斯的抽放，在开采时需多加注意瓦斯的安全。

图2 不同埋深煤低温液氮吸附回线曲线

2.5 不同深度样品比孔容和孔径测试

测试结果显示，对于同一煤层埋深不同的几个工作面煤样，深度增加，煤样的总比孔容积分别从0.00235cm3.g-1增加到0.00381cm3.g-1和0.00138cm3.g-1增加到0.00167cm3.g-1；而对于不同煤层埋深不同的煤样，随着深度的增加，其煤样的总比孔容积从0.00235cm3.g-1减少到0.00167cm3.g-1，呈降低趋势；通过图3可以看出，该特征更加鲜明，D2煤样在任意孔段其孔容都大于D1煤样；而X2煤样在绝大部分孔段其孔容也都大于X1煤样；煤的孔容和其孔径分布是呈正相关的，以微孔为主[5]，孔径越小，孔容越小，而这种变化说明煤中孔隙所占体积在不断减少，使得煤质变得更加紧密。本文取样煤样最深为地下645m，预计更深的煤层，其突出效果会更加明显。