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煤层突出倾向与其孔隙结构相关性研究

摘要: 为了估计矿井煤与瓦斯突出危险性, 以沁水煤田两高瓦斯矿井为例, 经过压汞法测量经典煤样微观孔隙结构、 孔容和孔比表面积在一定孔径范围内分布规律, 结合瓦斯赋存、 吸附和解吸释放机理来分析估计矿井瓦斯突出危险性。试验结果表明, 两种煤样在测量尺度范围内孔径分布规律基础相同, 不一样孔径孔隙占孔隙总量百分比基础一致, 1#煤样孔容和孔比表面积是2#煤样2倍, 而且小于10nm微孔孔比表面积分别占总面积73%和63%。依据矿井实测数据, 开采过程中余吾矿相对瓦斯涌出量是对比矿井2倍, 证实孔隙结构估计突出危险性科学性。结论对估计沁水煤田新建矿井煤与瓦斯突出危险性含有一定参考价值。
关键词: 采矿工程; 煤与瓦斯突出; 孔隙结构; 孔比表面积; 细观研究

基金项目: 太原理工大学引进人才基金项目（）; 国家自然科学基金项目（51104193）。
作者介绍: 翟雷（1983- ）, 男, 陕西咸阳人, 助理工程师, 在读工程硕士硕士, 关键从事煤矿安全生产管理等工作。通讯作者: 赵 东（1986- ）, 男, 山西大同人, 博士, 讲师, 关键从事煤层气开采和瓦斯综合利用等方面教学和研究工作。

CORRELATION STUDY BETWEEN COAL SEAM OUTBURST TENDENCY AND POROUS STRUCTURE

ZHAI Lei, YAN Kai, ZHAO Dong
(1, College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, 030024; 2, Yuwu Mining Limited Company of Shanxi Lu’an Group; 3, Chongqin Institute of Chinese Coal Technology Group )

Abstract: In order to forecast the fatalness of coal and methane outburst in mine, microcosmic porous structures of typical coal samples have been measured through Hg-injection methods. Coal samples brought from two High methane mining in Qin-shui Coalfield. At definite porous scales, distribution laws of porous volumes and specific surface areas have been studied. Combined with existence, absorption and desorption outburst mechanism, fatalness of methane outburst has been forecasted of mining. The experimental conclusions showed that: there are essential identical in porous distribution law of measured scale-sized ranges between two coal samples and percentage of definite different porous diameter ranges in total porous volumes. Porous volumes and specific surface areas of 1# coal sample were twice of 2# sample, porous diameter which less than 10nm were separately 73% and 63% in total. In basis of practical datum in mining exploitation that relative methane gushing volumes of A mine were twice of B mine, the methods to forecast the fatalness of coal and methane outburst was scientific. There were reference values for forecasting the fatalness of coal and methane outburst of new construction mining in Qin-shui coalfield.
Keywords: Mining engineering; Coal and methane outburst; Porous structure; Porous specific surface areas; Microcosmic study

1 引言
煤与瓦斯突出事故是矿井最为严重事故之一, 是指瓦斯和煤在极短时间内向巷道和工作面涌出非常复杂动力学过程, 其发生机理和估计方法是中国外很多学者研究关键。[1]
图1 1#、 2#煤样不一样孔径下进汞、 退汞曲线
Fig.1 Hg-injection and Hg-ejection curves of 1# & 2# coal samples at different pore sizes
之前针对煤与瓦斯突出估计研究, 有瓦斯含量法、 多尺度法和地球物理方法等[2-8], 它们都对这类事故发生提供了一定程度估计, 而且在一定范围内指导了矿井安全生产。但矿井因地质结构、 开采深度、 开采方法和产量不一样而差异各异, 所以不是任何一个方法都适适用于全部矿井, 而且以上方法都没有从细观和微观角度来分析瓦斯突出本质及其诱发原因。本文以沁水煤田东南部高瓦斯矿井——潞安集团余吾煤矿为例, 经过压汞法测定该矿井样品在微观尺度下, 不一样孔径范围孔容分布和孔比表面积, 结合宏观上煤对瓦斯吸附和解吸试验并利用吸附机理来分析煤层中瓦斯赋存和解吸释放特征, 以及在开采过程中瓦斯突出危险性分析。研究结果对沁水煤田新建矿井煤与瓦斯突出危险性估计含有一定参考价值。
2 试验研究
2.1 样品选择与制备
试验用煤样选自潞安集团余吾煤矿3#煤层, 余吾矿年产量6Mt, 并从她处另选一样品作为对比试样。所取煤样质量控制在1.2~1.5g, 确保样品包含全部孔径范围内含有吸附效应孔隙, 外观均匀无显著裂隙结构, 选择煤样煤质以下表所表示:
表1 煤样煤质分析
Table.1 Coal quality analysis of coal samples
地点
编号
挥发份%
水份%
灰分%
余吾3#煤层
1#
15
5.01
5.48
对比试样
2#
8
3.22
4.68
2.2 孔隙分布测定试验
采取中国外通用压汞分析法, 来测定样品孔隙结构和孔隙率[9], 孔隙测定仪选择美国MICROMERITICS INSTRUMENT企业生产9310型压汞微孔测定仪, 仪器工作压力: 0.0035~206.843MPa, 分辨率: 0.1mm3, 粉末膨胀仪容积: 5.1669cm3, 测定下限孔隙直径: 6nm, 经分析天平称得1#样品质量: 1.1207g, 2#样品质量: 1.1430g。测试之前先将样品置于DHG3200型恒温鼓风干燥箱, 恒温90℃干燥12h, 以后抽真空后开始试验。因为汞是不浸润流体, 参考文件[10-13], 采取公式(1) 计算孔径与进汞压力关系:
（1）
: 汞能压入孔隙半径, 单位m; : 汞表面张力, 等于0.4716N/m; : 汞对煤浸润角, 等于142。; : 进汞压力。
2.2.1 1#、 2#煤样不一样孔径范围内孔容分布
图2 1#、 2#煤样孔径分布对比曲线
Fig.2 comparison curves of 1# & 2# coal samples at pore sizes distribution
图1是1#、 2#煤样累计进汞量、 退汞量与进入孔隙孔径曲线。对比两块样品进汞曲线, 能够看出在相同进汞压力测试下, 1#煤样累计进汞量显著高于2#煤样, 对于每一孔隙阶段, 前者孔隙率大约是后者2倍; 对比两块样品退汞曲线, 能够看出退汞率均在50%左右, 因为退汞中, 汞进入样品孔径次序与进汞相反, 所以, 一部分压入微孔中汞不能正常出来, 从而说明进汞与退汞不是完全可逆过程。综合测定结果得出, 1#煤样总孔容是2#煤样2倍。
2.2.2 1#、 2#煤样孔径分布规律
图2是1#、 2#煤样累计孔隙容积占孔隙总容积百分比对比曲线, 在不一样孔径百分比分布规律上, 两曲线出现交替上升情形, 在大于100mm孔径时, 二者百分比几乎相同; 在孔径范围是1mm~100mm时, 1#样品所占百分比居多; 以后, 孔径小于1mm直至6nm时, 2#样品所占百分比居多。不过在孔径小于100nm时, 两曲线斜率均忽然升高, 直到测定至最小孔径, 此孔径范围内孔隙均占二者各自孔隙总量40%, 说明两块样品均是以小于100nm微孔隙为主。多数情况下, 两曲线在不一样点处斜率大致是相近, 说明两块样品孔隙分布规律基础一致, 只是在部分孔径处有所区分。
2.2.3 1#、 2#煤样孔比表面积分布规律
图3是1#、 2#煤样累计孔隙内表面积随试验进行时对比曲线, 两曲线共同点是在孔径小于100nm范围内, 一直处于0周围, 而在孔径50nm时, 孔比表面积开始增加, 以后过程中, 1#煤样增加速率一直高于2#煤样, 而在10nm周围时, 均出现孔比表面积瞬时下降, 这可能是因为测量过程中瞬时微量退汞造成误差。测量数据显示, 1#煤样孔比表面积是2#煤样2倍, 所以, 孔比表面积与孔隙率关系, 在试验所测样品孔隙分布规律中是成正比, 说明两块样品孔径分布规律基础一致。结果说明, 1#煤样孔隙率、 孔容和孔比表面积均是2#煤样2倍。
具体孔容、 孔比表面积在不一样孔径范围内分布规律如表2所表示。
表2 1#、 2#煤样不一样孔径范围内孔容和孔比表面积[12]
Table.2 pore volumes and specific surface areas of 1# & 2# coal samples at different range towards pore sizes
孔径范围
mm
1#煤样
2#煤样
孔容
ml/g
比表面积m2/g
孔容
ml/g
比表面积m2/g
＞10μm
0.0161
0.00097
0.0083
0.00053
1μm ~10 μm
0.0020
0.00286
0.0025
0.00409
0.1μm~1μm
0.0012
0.02068
0.0011
0.01578
10nm~100nm
0.0076
1.52528
0.0045
0.95018
6nm~9nm
0.0076
4.22222
0.0031
1.70672
总计
0.0345
5.77201
0.0195
2.67730
3煤层孔隙结构与瓦斯突出关系
3.1 煤中瓦斯赋存机理
图3 1#、 2#煤样不一样孔径孔比表面积
Fig.3 specific surface areas of 1# & 2# coal samples at different pore sizes
煤中瓦斯赋存通常是游离态和吸附态两种, 在两矿井瓦斯压力和开采深度下, 吸附瓦斯占瓦斯总量85~90%, 吸附和游离随外界条件改变而改变, 是一个动态平衡过程。煤对瓦斯吸附作用是物理吸附, 吸附模型采取国际上通用广泛被认可Langmuir单分子层吸附模型, 即单位质量煤孔比表面积越大元, 吸附性越强。[11-13]因为气体分子间距较大, 所以只要孔径大于吸附气体分子直径, 瓦斯分子就能够被吸附到此孔隙中, CH4分子直径大约是3nm, 所以在用压汞法测定孔隙范围内, 瓦斯分子均能够被吸附至测量孔隙中。
3.2 孔隙结构与瓦斯突出倾向
瓦斯突出发生机理正是之前提到瞬时解吸效应, 因为实际煤层中瓦斯压力与地应力忽然释放, 造成气体快速大量解吸, 在相同条件下应力释放, 瞬时解吸量占总赋存量比值一致, 所以能够说明瓦斯赋存越多, 瞬时解吸值越大, 即突出可能性及危险性越大。[9]余吾矿井3#煤层距地面距离是600m, 地应力达成15MPa, 赋存瓦斯压力是0.86MPa, 在较高瓦斯压力下, 吸附量随瓦斯压力改变范围不大, 所以能够按之前数值进行分析。由孔隙结构分析可知余吾矿井瓦斯涌出量是对比试样2倍, 而实测结果是未进行有效瓦斯抽放前提下, 在开采过程中余吾矿井相对瓦斯涌出量是20m3/t, 对比矿井相对瓦斯涌出量是11 m3/t, 瓦斯涌出量比值靠近2, 所以用孔隙结构来分析瓦斯突出是科学, 结果与实测结果较为靠近。
余吾矿井一直按突出矿井要求来管理, 生产开始从未发生煤与瓦斯突出事故, 现在采取开采前进行煤层钻孔方法来预抽瓦斯, 预防生产过程中瓦斯涌出量过大, 在进行有效抽放过程中, 瓦斯抽放率达成56.2%。
4 结果讨论
经过经典煤样孔隙结构分布规律来估计煤层突出危险性, 有以下优点: (1)取样方便, 在矿井勘探取样过程中, 采取取下煤芯, 就能够进行孔隙测定, 经过孔隙分布规律估计此煤层突出危险性; (2)测定结果较正确, 只要确保取样经典, 就能够确保测定结果科学性和可采取性; (3)估计性强, 在矿井开采之前, 估计其突出危险性, 给以后矿井生产方法选择提供一定参考。
5 结论
针对沁水煤田煤层分布规律特点, 以潞安集团余吾煤矿为例, 经过压汞方法进行孔隙分布规律测定试验, 测得不一样孔径下孔容分布和孔比表面积分布规律, 并分析了不一样孔隙结构瓦斯赋存特征, 得出孔隙结构估计煤层突出危险性科学性。结果表明: 余吾煤矿3#煤层孔容和孔比表面积大约是对比煤层2倍, 所以瓦斯赋存量和瞬时解吸量也是此比值, 而矿井实测结果相对瓦斯涌出量比值也大约是2, 细观孔隙规律研究与实际瓦斯涌出值基础相同。应用此方法能够对沁水煤田其它新建或计划矿井煤层突出危险性估计提供一定参考。
参考文件:
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