火成岩侵入条件下煤体微观结构变化研究

唐 辉

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

煤炭自燃是在物理、化学以及周围环境综合影响下的过程[1]。煤从微观角度来说，煤有机大分子结构、活化能、煤氧反应热等方面对煤氧符合、低温氧化等都有影响，但影响其动力学参数的根本原因是煤孔隙变化和煤本身分子结构的变化[2]。因此研究煤的孔隙率和煤微观结构变化对研究煤低温氧化具有重要的指导意义。

铁法煤田属于火成岩侵入影响较大的煤田，目前国内外关于火成岩侵入对煤体氧化影响的系统性研究较少[3]，但仍取得了一定的研究成果。如火成岩的高温会在侵入煤体时对煤产生变质作用，且变质程度呈近高远低的趋势[4]；煤的水分和挥发分也遵从这一趋势，而灰分则正好相反[5]；从自然发火机理上来说，部分学者认为火成岩的侵入造成煤的变质程度增大，直接造成煤的自燃倾向性变低，煤的自然发火概率大大降低[6]。因而，铁法煤田大型火成岩的侵入在特定的条件下阻止了煤氧复合，有利于抑制煤的自然发火。但另一方面由于大型火成岩的侵入使煤炭中的孔隙率变大，煤氧复合后煤容易自然发火[7]，由于煤自然发火是一个复杂的多元素作用条件下的过程，因此需要从多角度、多种因素条件下去判别对煤自然发火的影响[8]。为此，通过对火成岩侵入下煤孔隙率变化研究，结合煤氧复合理论，得出火成岩侵入后对煤自然发火的影响[9-11]，为解决火成岩侵入条件下煤自然发火提供技术支撑。

1 微观结构分析

1.1 实验部分

按照GB/T 482—2008 煤层煤样采取方法中的相关要求, 选取铁法矿区某矿南五902 工作面原煤样和火成岩侵入后的变质煤样作为试验样品。为防止火成岩侵入后的煤样受到氧化，在取样的过程中将受到氧化部分煤样去除，然后用煤岩罐或者密封袋对煤样进行密封，并且从取样到送入实验室的时间未超过12 h[12]。借助KYKY-2800B 型扫描电子显微镜分析研究原始煤样和火成岩侵入后的煤样的微观结构变化以及火成岩侵入后对煤样的孔隙造成的影响。首先对火成岩侵入前后煤样进行处理，然后放入离子溅射仪进行喷镀5 min，分别制作原始煤样和侵入煤样各2 组。放入KYKY-2800B 型扫描电子显微镜试验台中，通过调节电子扫描镜的物镜，找到最清晰的微观结构图像，并进行保存。

1.2 实验结果

正常煤和变质煤的扫描电镜图如图1。由图1可以看出，未受火成岩影响的煤样表面比较平滑而致密，孔隙也较小，有较小的中孔和小孔，没有明显的宏观孔隙；而火成岩侵入后的煤样表面疏松，并且孔之间出现较大的孔隙，出现明显的镶嵌结构，并出现大量的热解气孔，这是由于受到火成岩的侵入影响，煤在形成过程中受到岩浆热液的作用，煤中的有机物质在火成岩的影响情况下发生了物理作用，部分有机质挥发出煤体，该物理作用促进了煤体中各种孔隙结构的变化，在煤体的表面由于热解的作用形成镶嵌状态的中、大孔的均匀分布[13]。

图1 正常煤和变质煤的扫描电镜图Fig.1 Scanning electron microscope of normal and metamorphic coal

2 孔隙结构分析-比表面积测试

煤的孔隙分类一般采用目前国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）对孔的划分标准：微孔一般的界定范围为＜2 nm、中孔的界定范围一般在2～50 nm、宏观孔的界定范围一般＞50 nm[14-15]。

实验设备选用ASAP2000M 型比表面积分析仪对所研究煤样的微孔和介孔进行测试和分析。正常煤样和变质煤样微孔分布图如图2。

图2 正常煤样和变质煤样微孔分布图Fig.2 Micropores distribution of normal and metamorphic coal

由图2 可以看出，火成岩侵入前后2 个煤样微孔孔径分布出现多个不同的峰值，峰值主要分布在0.5～1.2 nm 的区间范围内，并且正常煤样的微孔分布曲线均高于侵入后的煤样，说明正常煤样中微孔分布较大。

正常煤样和变质煤样介孔分布图如图3。由于火成岩的侵入，造成了变质煤样孔径＞25 nm 的孔径明显比正常煤样高，正常煤样中＜25 nm 的介质分布明显比变质煤岩要高。

图3 正常煤样和变质煤样介孔分布图Fig.3 Mesopores distribution of normal and metamorphic coal

由此得出，由于大型火成岩的侵入，导致部分变质的区域，该区域受到岩浆的热动力影响导致煤样发生变质，煤中的水分、有机质在高压高温的影响条件下发生了挥发和热解导致煤样中裂解出众多热解孔，同时高压高温条件使煤体原始的小孔出现了形状变化，部分孔连接到一起，出现大面积的大孔。该现象导致煤氧符合的几率大大增加，并且造成了煤的自燃倾向性增大，增加了煤的自然发火可能性。

实验对正常煤和火成岩侵入后的煤样比表面积以及微孔进行了测定，各吸收峰对应的官能团见表1。

表1 各吸收峰对应的官能团Table 1 The functional groups corresponding to each absorption peak

由表1 可知，正常煤样的比表面积为24.5 m2/g，而火成岩侵入后的煤样比表面积为4.78 m2/g。从对孔容的实验结果得出以下结论，变质煤样中微孔和介孔要小于未受到火成岩侵入条件下的煤样，正常煤样中的平均孔径较小，远远小于火成岩侵入条件下的煤样，铁法煤田大型火成岩侵入造成了部分变质区域中岩浆对煤的热解产生较大的影响，煤体中的小孔和微孔明显变小，变质煤的微观结构造成重大的改变，大孔明显的变多，部分孔连接一起，大面积的大孔造成煤样复合的能力变大，并且变质煤中部分孔隙率增大造成部分煤体中孔数量增大，增大了煤自然发火的可能性。

3 孔隙结构分析-压汞测试

不同于IUPAC 对煤的孔隙分类标准，为更好对介孔与宏观孔进行对比分析，部分实验将微孔与介孔合并形成更适用的划分标准：＜50 nm 的孔界定为介孔，＞50 nm 的孔界定为宏观孔。

选取美国麦克公司生产的9510 型压汞仪对所研究煤样的介孔和宏观孔进行测试和分析。不同压力下正常煤和变质煤的累计进汞体积测试曲线如图4。

图4 不同压力下正常煤和变质煤的累计进汞体积测试曲线Fig.4 Test curves of cumulative mercury intake volume of normal coal and metamorphic coal under different pressures

由图4 可以看出，当具备一定压力时，火成岩侵入后的煤样的进汞量明显高于正常煤样，说明火成岩的侵入促进了煤体的孔隙发育，孔径扩大。进汞量的差量随着压力增加而呈降低的趋势，直到压力达到峰值，火成岩侵入后的煤样的进汞量始终大于正常煤样的进汞量，从累计进汞量的高低可以推断火成岩侵入前后2 个煤样中孔隙的总孔容的大小。由此可以推断，火成岩侵入促使煤体邻近区域的总孔容增加，孔径增大，增大了煤自然发火的可能性。

实验测定的正常煤和变质煤的比表面积及孔容见表2。

表2 正常煤和变质煤的比表面积及孔容Table 2 The pore surface area and volume of normal and metamorphic coal

由表2 可知，正常煤样的介孔比表面积为19.5 m2/g，而宏观孔的比表面积仅为0.245 m2/g，说明作为多孔隙介质，煤体孔隙主要以介孔为主，宏观孔占比极少；火成岩侵入后的煤样介孔比表面积降低为14.1 m2/g，而宏观孔的比表面积上升为0.837，结合火成岩侵入前后孔容变化：介孔孔容由22.4 m2/g 下降到19.8 m2/g，而宏观孔孔容由4.03 m2/g 上升到11.1 m2/g，说明火成岩侵入促使煤中介孔向宏观孔转变，主要占比的介孔受火成岩的接触变质作用，发生连通向大孔转变，造成侵入后变质煤的比表面积降低。综上可知，铁法煤田大型火成岩侵入明显改变了煤体的孔隙结构和自燃特性，大面积的大孔造成煤样复合的能力变大，增大了煤自然发火的可能性。

4 结 论

1）火成岩对煤体微观结构影响较大，由于受到火成岩的侵入影响，煤在形成过程中受到岩浆热液的作用，煤中的有机物质在火成岩的影响情况下发生了热解、挥发，导致火成岩侵入前的煤样微孔较多，少有大孔，而侵入后的煤样表面疏松，出现较大的孔隙。

2）大型火成岩侵入条件下部分变质的煤体由于受到岩浆的热动力影响导致煤样发生变质，煤中的水分、有机质在高压高温的影响条件下发生了挥发和热解导致煤样大孔明显的变多，大面积的大孔造成煤样复合的能力变大，并且变质煤中部分孔隙率增大造成部分煤体中孔数增多，从而导致煤氧复合的几率大大增加，增加了煤的自然发火可能性。

3）火成岩侵入促使煤体邻近区域的总孔容增加，孔径增大，增大了煤自然发火的可能性。煤体孔隙主要以微孔和介孔为主，宏观孔占比极少，受火成岩侵入影响，微孔和介孔连通向大孔转变，造成比表面积降低的同时，增大了煤自然发火的可能性。

4）火成岩侵入对煤体孔隙结构的影响较大，造成煤氧复合能力增大，煤的自然发火规律难以掌握，需要加大火成岩侵入条件下煤自然发火预报预测手段，宜采用提前注阻化剂，开采过程中采空区注浆、注氮等综合防灭火技术，有效抑制煤炭自燃。