基于孔容和内比表面积分析的焦煤孔隙结构性差异研究

李林军

（太原华润煤业有限公司原相煤矿，山西 太原 030299）

目前原相煤矿采用综合机械化采煤工艺回采02号、2号煤层，采用全部跨落法管理工作面顶板。原相煤矿经鉴定为煤与瓦斯突出矿井，02和2号煤层为其主采煤层，均为煤与瓦斯突出煤层，其最大瓦斯压力分别达到1.08MPa和1.15MPa。采用压汞法及低温氮吸附法相结合的手段来研究原相煤矿02、2号煤层原生煤和构造煤的孔隙结构，并获得煤的孔容、比表面积等重要孔隙结构信息来对构造煤和原生煤在瓦斯吸附解吸特性方面进行比较，为考察构造煤区域突出预测指标的临界值提供依据[1-2]。

1 孔隙结构差异性分析

煤的孔隙结构很复杂，从最小的微孔到较大的过渡孔直至最大的大孔，具有较宽泛的孔径分布范围，所对应的研究方法也很多[3]。

鉴于扫描电镜等观测手段只能观测表面孔隙，无法对煤内部孔隙的孔容、比表面积等进行定量分析，因此本次试验主要采用其他方法进行研究。

流体侵入法便于对孔容进行定量分析。流体侵入法中的压汞法操作方便，测定孔隙范围大，本报告孔容定量分析试验采用压汞法。

低温氮吸附法便于对孔隙内比表面积进行定量分析。该方法弥补了压汞法对煤孔隙结构稳定性影响较大的不足，且液氮和氮气相对价廉易得，无腐蚀性，不会对固体结构产生影响，本报告孔隙内比表面积分析试验采用低温氮吸附法。

采用压汞法及低温氮吸附法相结合的手段来研究原相煤矿02、2号煤层原生煤和构造煤的孔隙结构，通过试验获得煤的孔容、比表面积等重要孔隙结构信息。

构造煤及原生煤孔隙结构对比试验煤样取自原相煤矿02、2号煤层，取样具体情况见表1。

表1 02、2号原生煤、构造煤取样情况表

2 孔容对比分析

2.1 试验装置

压汞试验在煤炭科学技术研究院有限公司安全检测中心实验室完成，采用美国康塔公司生产的PoreMaster-GT型压汞仪。本仪器原则上可测量直径大约在100nm到7nm范围内变化的孔容。测试分为低压和高压两个部分，低压测试在低压仓中进行，压力范围为0～20000psi；高压部分在高压仓中进行，压力范围为20000～60000psi。当要测量孔径大于7μm或两位数的孔容，要使用低压测量和注汞站。低压检测站被用于向样品管内注汞，并能测量直径大约1000μm到4.3μm范围内变化的孔容。室内温度保持在15℃～40℃。

2.2 煤样制备

压汞法试验所用煤样制备过程：每组煤样取500g粉碎，过1～3mm标准筛，筛取1～3mm之间的煤粒，每个样品筛取重量不应少于50g，在真空干燥箱中以80℃条件下真空干燥6h，干燥后装入磨口瓶中加签密封备用。

2.3 数据分析

对于构造煤而言，各阶段孔容及总孔容是衡量煤体孔隙发育程度和构造破坏程度的重要指标之一。按照XOДOT的分类方法，测试煤样各阶段孔隙的孔容、总孔容的绝对数值，及其各阶段孔容所占百分比见表2。

表2 02、2号煤层构造煤与原生煤孔容测试结果

孔容结构特征方面，原生煤和构造煤的微孔和过渡孔的孔容均占全部孔容的大部分（80%～90%以上），但构造煤较原生煤来说，总孔孔容、微孔和过渡孔孔容的绝对数值显著增大，过渡孔孔容的相对占比有所增大。其中构造煤总孔容约为原生煤的1.6倍，构造煤过渡孔孔容约为原生煤的1.7倍，过渡孔孔容的相对占比构造煤约为原生煤的1.1倍。说明构造作用显著改变了煤的总孔容，尤其是过渡孔孔容。

将上述原相煤矿02、2号煤层煤样原生煤、构造煤孔容参数测定结果的平均值做柱状图，见图1。

3 比表面积对比分析

3.1 试验装置

低温氮吸附试验在煤炭科学技术研究院有限公司安全检测中心实验室完成，采用美国Quantachrome公司生产的Quadrasorb-SI型比表面积及孔径测定仪,最小可测定孔径0.4nm，最小测定比表面积为0.5×10-3m2/g。煤样测定前需进行真空干燥处理，干燥温度80℃，干燥时间为6h，样品质量为2.5～2.7g。通过试验得出各煤样比表面积等数据。

图1 原相煤矿02、2号煤层煤样孔容对比分析图

3.2 煤样制备

低温氮吸附试验所用煤样制备方法：按照氮吸附测定标准规定，取新鲜煤样250g，将其粉碎，筛分出0.2～0.25mm煤样，每个煤样取20～50g，在真空干燥箱中以80℃条件下真空干燥6h，干燥后装入磨口瓶中加签密封备用。

3.3 数据分析

对于构造煤而言，各阶段孔隙的比表面积及总比表面积是衡量煤体孔隙发育程度和构造破坏程度的另一个重要指标。按照XOДOT的分类方法，测试煤样各阶段孔隙的比表面积、总比表面积的绝对数值，及其各阶段孔隙比表面积所占百分比见表3。

表3 原相煤矿02、2号煤层煤样比表面积测试结果

可见，比表面积结构特征方面，原生煤和构造煤的微孔和过渡孔的比表面积均占全部比表面积的大部分（约90%），但构造煤较原生煤来说，总比表面积、过渡孔对应比表面积的绝对数值显著增大，过渡孔孔段对应的比表面积相对占比显著增大。其中总比表面积构造煤约为原生煤的1.2倍，构造煤过渡孔对应的比表面积约为原生煤的1.6倍，过渡孔孔段对应的比表面积的相对占比构造煤约为原生煤的1.4倍。说明构造作用显著改变了煤的总比表面积，尤其是过渡孔孔段对应的比表面积。

将上述原相煤矿02、2号煤层煤样原生煤、构造煤比表面积参数测定结果的平均值做柱状图，见图2。

图2 原相煤矿02、2号煤层煤样比表面积对比分析图

4 结论

原相煤矿02、2号煤层原生煤与构造煤，由于在孔隙结构特征（包括各孔段孔容分布、各孔段内比表面积分布）存在显著差异，导致其吸附和放散特征存在显著差异。构造作用对煤的中孔和大孔有明显的影响，而且可能产生新的微孔和小孔，从而对瓦斯的吸附解吸造成显著影响，增加了煤与瓦斯突出的危险，所以在进行工作面突出预测敏感指标及临界值确定时，采用构造煤煤样更符合安全生产需求。经过现场应用，通过采用构造煤煤样确定的工作面突出预测敏感指标及其临界值科学可靠，符合原相煤矿的生产实际。