桃園井田煤的孔隙結構特征研究

李建樓，堵紫薇

1.宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州，234000；2．安徽省煤礦勘探工程技術研究中心，安徽宿州，234000

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桃園井田煤的孔隙結構特征研究

李建樓1,2，堵紫薇1

1.宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州，234000；2．安徽省煤礦勘探工程技術研究中心，安徽宿州，234000

摘要：為了研究安徽省淮北煤田桃園井田煤的孔隙結構特征，采集了該井田71煤、82煤和10煤3個正在開采煤層的煤樣，采用低溫氮吸附實驗方法測試了煤的孔隙比表面積、孔容和平均孔徑等物理參數，對孔隙形態發育特征進行了初步判別，分析了7135工作面和1035工作面煤比表面積異常的原因。測試結果表明：桃園井田中三種類型的孔隙普遍存在；7135工作面和1035工作面煤的孔隙比表面積和孔容明顯偏大，平均孔徑明顯偏小。分析表明， 7135工作面和1035工作面地史上受構造運動和巖漿短期熱力作用的綜合影響，因而該地段煤的孔容和比表面積都增大，平均孔徑減小，墨水瓶狀或錐形瓶狀孔隙增多。

關鍵詞：煤；吸附；孔容；比表面積

煤是一種多孔介質，可看作由孔隙和裂隙組成的雙重孔隙結構系統[1-2]。煤層瓦斯主要以吸附態和游離態兩種狀態賦存在煤的孔隙和裂隙中，其中吸附態的瓦斯主要賦存在小孔和微孔中，占煤層瓦斯含量的絕大部分[3-4]?？紫兜拇笮?、形態及其組合特征影響煤層瓦斯的賦存和運移特征。因此，研究煤的孔隙結構特征對煤層瓦斯含量預測及瓦斯抽采過程中的運移狀態具有重要的意義。為了厘清桃園井田煤的孔隙結構發育特征及其影響因素，本文采用低溫氮吸附實驗方法，對比分析了7煤、8煤和10煤三個煤層煤的微觀孔隙結構差異，可以為該井田煤層瓦斯的富集分布規律提供一定的理論參考。

1研究區煤田地質概況

桃園井田位于淮北煤田東南部，宿縣礦區宿南向斜西翼的北段，地處宿北斷裂、光武—固鎮斷裂、豐縣—口孜集斷裂和固鎮—長豐斷裂斷塊內。礦井構造受區域構造的嚴格控制，為走向近南北、傾向東的單斜構造。該井田所處區域構造位置如圖1所示。

桃園井田含煤巖系為石炭-二疊系。其中，石炭系含煤6～8層，均為不可采煤層；二疊系含11個煤層組(1煤～11煤)，煤層總厚度21.75 m，可采煤層有32、4、52、61、63、71、72、82、10等9層，其中32、82、10三層煤較穩定，4、52、61、63、71、72等6層不穩定，較穩定煤層儲量占礦井總儲量的48.4%。目前，正在開采的有71煤、82煤和10煤，三個煤層的概況如下：

圖1　淮北煤田地質構造綱要圖

71煤位于下石盒子組的下部，厚度范圍0～3.71 m，平均厚度1.08 m，以簡單結構為主，煤層頂、底板以泥巖為主，含少量粉砂巖或砂巖。

82為主要可采煤層，位于下石盒子組下部，上距71煤平均24 m左右，厚度范圍0～4.10 m，平均厚度2.01 m，以簡單結構為主，頂板以砂巖為主，含少量的泥巖或粉砂巖；底板以泥巖為主，含少量粉砂巖。

10煤層為主要可采煤層，位于山西組的中部，上距82煤層平均84 m左右。煤層厚度范圍0～5.52 m，平均厚度2.96 m。單一結構煤較少，多含1層夾矸，夾矸一般為泥巖或炭質泥巖。其大部分原生沉積較穩定，但在礦井的南部，由于受巖漿侵蝕影響，穩定性遭到破壞。煤層頂板以泥巖、粉砂巖和砂巖為主，底板以泥巖為主，含少量粉砂巖。

2實驗樣品和測試方法

2.1實驗樣品采集和處理

實驗樣品取自桃園井田7135工作面、8281工作面、8201工作面機巷、8201工作面風巷、1025工作面和1035工作面新鮮煤壁，合計取了6個工作面的代表性樣品。將采集的新鮮樣品分別放入塑料密封袋，在實驗室內使用橡皮錘進行破碎成較小的顆粒，用60目和80目細篩進行篩分，取顆粒直徑60～80目煤顆粒作為實驗樣品備用。然后，取6支實驗專用試管，分別裝入6種實驗樣品1.7 g左右，稱重后記錄每個樣品的實際質量；將裝有樣品的樣品管放入加熱裝置中，設置加熱裝置,加熱溫度為50℃，利用氮氣將樣品和外界空氣隔離，防止加熱過程中煤發生氧化，干燥煤樣,直至脫去全部水分，再次稱重，計算出每個樣品的含水率和干燥后的煤樣質量。最后，將6支裝有樣品的樣品管靜置到室溫，等待測試。

2.2測試方法

采用美國麥克公司生產的Gemini VII 2390t全自動比表面積和孔隙分析儀對煤樣進行孔隙結構測試。該儀器測試固體顆?？紫督Y構的理論依據是吸附充填理論，即先對樣品抽真空，然后向樣品注入氮氣，注入的氮氣在液氮溫度下凝聚成液態，充填在煤的孔隙中。當注入氮氣壓力較低時，氮氣首先在微孔中凝聚充填；隨著壓力的增加，微孔、小孔、中孔和大孔會依次被充填。因此，較小壓力測量得到的孔容、表面積及孔徑代表較小孔隙的特征，較大壓力反映的是較大孔隙的特征。按照設定參數測試完成后，儀器根據吸附量隨壓力變化繪制吸附-解吸曲線，并計算出孔容、比表面積和平均孔徑等參數值。

3實驗結果與分析

測試完成后，利用EXCEL繪制6個樣品的低溫氮吸附-解吸曲線,如圖2～7。

從圖2～7可以看出，同等溫度、壓力條件下，7135工作面和1035工作面煤的吸附量明顯高于其他工作面2倍以上；其中，7135工作面煤的吸附量最大，其次是1035工作面，8281工作面和8201工作面煤的吸附量居中，1025工作面煤的吸附量最小。

由毛細凝聚理論可知，液氮的吸附-解吸曲線反映了一定的孔型結構。煤的孔隙結構大致可分為3類[5-7]：第一類，吸附-解吸曲線大致重合部分對應的孔隙多為一端開口、一端封閉的孔隙。第二類，吸附-解吸曲線形成明顯的回線形態，這類孔隙多為兩端開放的孔隙。第三類為特殊的孔隙，在解吸曲線上存在一個明顯的陡降點，對應的孔隙為近似墨水瓶狀或錐形瓶狀孔隙。

7135工作面、1035工作面以及8201工作面煤的解吸曲線上都存在明顯的陡降點，說明它們都含有較多的墨水瓶狀孔隙。根據文獻[7]，墨水瓶狀孔隙的大量發育與韌性變形糜棱煤密切相關。當煤體經歷不均勻擠壓產生韌性變形，孔隙形態往往不均勻變化，管狀孔隙或狹縫狀孔隙一部分演化成墨水瓶狀或錐形瓶狀；而原生結構煤或碎裂煤中墨水瓶狀孔隙不明顯，碎粒煤兩端開放型孔隙明顯較多。因此，綜合吸附量異常大和墨水瓶狀孔隙大量發育兩個特征，基本上可以說明7135工作面和1035工作面煤孔隙受后期構造運動改造程度較高，8201工作面煤孔隙受改造程度較低。

8281工作面和1025工作面煤的解吸曲線沒有明顯的陡降點，且吸附量較低，說明它們的構造煤發育程度低。8281工作面煤的吸附-解吸曲線有明顯的回線，說明它的煤中兩端開放型孔隙較多，有利于煤層開采時瓦斯的運移；1025工作面煤的吸附-解吸曲線沒有形成特別明顯的回線，說明它的煤中一端封閉、一端開口的孔隙較多，不利于煤層開采時瓦斯的運移。

6種煤樣的物理參數測試結果見表1。

表1　煤的物理參數測試結果

3個煤層的元素分析及揮發分分析見表2。

表2　煤層元素及揮發分產率分析統計表

從表1可以看出，對于桃園井田而言，隨著煤層的依次變老，含水率呈單調遞減；而比表面積、孔容和平均孔徑隨煤層新老變化規律不明確，說明有其他重要因素控制著孔隙結構發育特征。從表2可以看出，桃園井田的7煤、8煤和10煤的干燥無灰基碳含量均值都在85%左右，揮發分含量均值都在36%左右，處于煤化作用過程中第一次躍變(Cdaf=75%～80%，Vdaf=43%)和第二次躍變(Cdaf=87%，Vdaf=29%)之間，即處于氣煤階段[9-10]。這里需要指出的是，10煤雖然上距82煤平均有84 m，但變質程度差異并不大。

對于中低變質程度的煤，隨著變質程度的增加，總的孔容和比表面積一般都減少[11-12]；隨煤體破壞程度的加強，煤的孔容和比表面積都增大[13-14]；巖漿巖的接觸變質作用使煤的比表面積變小，而巖漿巖的遠距離短期烘烤作用會導致煤的比表面積變大[15]。該礦井生產過程中揭露的地質資料表明，南三采區煤層內有巖漿巖侵入現象，而巖漿巖的侵入現象往往與構造運動關系密切；7135與1035兩個工作面都在南三采區，在地理位置上為同一局部區域，地史上經歷了印支運動和燕山運動的改造，煤層孔隙結構產生了相似的變化。例如比表面積和孔容都明顯增大。7135工作面與1035工作面煤的比表面積和孔容比其他煤層明顯增大2倍以上，很有可能是巖漿短期熱作用和構造運動綜合改造的結果；而8201、8281和1025三個工作面煤的比表面積較小，說明受構造運動和巖漿作用改造弱，孔隙結構主要受深成變質作用的控制。

4結 語

根據桃園井田地質資料和孔隙結構分析，三種類型的孔隙形態在該井田三個煤層中普遍存在；其中，7135工作面與1035工作面煤的比表面積和微孔隙體積與其他工作面相比明顯增大，墨水瓶狀孔隙明顯發育，原因是在深成變質作用背景上疊加了較強的構造作用和巖漿短期熱作用的結果。8201工作面、8281工作面和1025工作面煤的比表面積和微孔體積不大，原因是這幾個工作面主要受深成變質作用的控制，而受構造作用和巖漿作用的影響很小。另外，煤層瓦斯含量和煤的比表面積關系十分密切，比表面積大的煤往往含量更多的瓦斯，因此，掘進和采煤過程中應加強煤比面積異常地段的監測工作，防止瓦斯地質災害的發生。

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(責任編輯：汪材印)

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.07.030

收稿日期：2016-01-25

基金項目：宿州區域發展協同創新中心開放課題(2014SZXTQP07)；安徽省煤礦勘探工程技術研究中心開放課題(2014YKF02) 。

作者簡介：李建樓(1973-)，安徽宿州人，博士，副教授，主要研究方向：煤礦瓦斯地質災害。

中圖分類號：P611.8

文獻標識碼：A

文章編號：1673-2006(2016)07-0112-04