煤孔隙結構隨埋深變化特征研究

王敬謀

（安徽理工大學地球與環境學院,安徽 淮南 232001）

1 引言

煤作為一種復雜的多孔介質，其孔隙特征直接影響煤中瓦斯的吸附、流動與突出[1]。隨著煤層開采深度的增加，瓦斯壓力和地壓都會增加，煤的孔隙結構的發育特征也會相應發生變化，而瓦斯主要以吸附狀態存在于煤的孔隙中，這就會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結構對瓦斯的防治工作具有重要的現實意義。

本文以宿州桃園礦不同埋深煤的孔隙結構為研究對象，采集的樣品來自82煤工作面煤層、10 工作面煤層，以實驗和數據為基礎，分析不同深度條件下煤的孔隙結構發育特征及其瓦斯含量，進行相關性分析，并找出影響孔隙結構的原因，為煤層氣開采和礦井瓦斯防治提供理論參考。

2 煤孔隙結構測試

2.1 不同深度煤樣的采集

根據研究分別采取了桃園煤礦8煤和10煤煤樣。因為影響煤孔隙結構特征的因素很多[3]，為盡可能排除其他因素的干擾（如構造因素、區域巖漿巖、煤的顯微組分等），增加實驗的可靠性，采用兩個地質成分相同的同一采區不同工作面的煤樣作為實驗的樣品，先對同一煤層不同埋深工作面的孔隙特征進行分析，找出相關性，再進而將不同煤層不同埋深的煤樣的孔隙特征作對比分析，所采煤樣分別來自8281、8283工作面煤和1025、1026工作面煤，如表1所示。

表1 煤樣信息

2.2 實驗儀器

所用試驗儀器為Gemini VII 2390全自動快速比表面積與孔隙度分析儀，它可快速、可靠地得到精確和可重復的比表面積和孔隙度的分析結果。

2.3 不同埋深煤樣的比表面積結果分析

表2 低溫液氮比表面積測試結果

通過表2和圖1可以看出，對于同一采區不同埋深的兩個工作面，82煤中的D1-D2煤樣，煤的BET比表面積從0.6538m2.g-1增加到1.3336m2.g-1，數值明顯增加，對于任意孔段，D2煤的比表面積均大于D1煤；10煤中的兩個工作面煤的BET比表面積沒有明顯的變化，在絕大部分孔段略有增加；而相對于不同采區不同埋深的煤，對比發現，隨著埋藏深度的增加，BET比表面積從最初的0.6538m2.g-1減少到0.3162m2.g-1，呈明顯的降低趨勢。煤的比表面積越大，其吸附瓦斯含量越多，隨著煤埋藏深度的增加，煤表面的的微孔隙比例是增加的，更利于瓦斯的聚集，所以在對煤層進行開采時，要注意瓦斯突出的不利影響，深部煤層尤其要注意，以確保安全。

圖1 不同埋深煤樣的比表面積與孔徑分布關系

2.4 不同埋深煤低溫液氮吸附回線曲線分析

通過圖2可以看出，D2和D1煤樣有明顯的吸附回線，D2煤的吸附回線較D1煤大，說明煤樣中的孔大多是兩端開放型的孔[4]，其孔結構透氣性好，有利于瓦斯的抽放，同時D2煤相對壓力在0.5Pa時出現明顯的拐點，說明其孔隙結構相對復雜；X1和X2煤吸附解吸曲線基本重合，沒有明顯回線，說明煤中的孔隙大多為透氣性較差的封閉型孔，這種孔不利于瓦斯的抽放與運移，在煤層的開采過程中要尤其注意瓦斯突出的危險。相同煤層的不同工作面的煤隨著埋深的增加，D2煤樣N2的吸附量是大于D1煤樣的，X2煤樣N2的吸附量也是略大于X1煤樣，但是綜合比對兩個不同埋深的煤層，隨著埋深的增加，其N2的吸附量實明顯降低的。N2的吸附量越大，說明其煤表面比表面積越大。以上結果進一步驗證了2.3的結論，隨煤埋深的增加，煤中孔隙越不利于瓦斯的抽放，在開采時需多加注意瓦斯的安全。

圖2 不同埋深煤低溫液氮吸附回線曲線

2.5 不同深度樣品比孔容和孔徑測試

測試結果顯示，對于同一煤層埋深不同的幾個工作面煤樣，深度增加，煤樣的總比孔容積分別從0.00235cm3.g-1增加到0.00381cm3.g-1和0.00138cm3.g-1增加到0.00167cm3.g-1；而對于不同煤層埋深不同的煤樣，隨著深度的增加，其煤樣的總比孔容積從0.00235cm3.g-1減少到0.00167cm3.g-1，呈降低趨勢；通過圖3可以看出，該特征更加鮮明，D2煤樣在任意孔段其孔容都大于D1煤樣；而X2煤樣在絕大部分孔段其孔容也都大于X1煤樣；煤的孔容和其孔徑分布是呈正相關的，以微孔為主[5]，孔徑越小，孔容越小，而這種變化說明煤中孔隙所占體積在不斷減少，使得煤質變得更加緊密。本文取樣煤樣最深為地下645m，預計更深的煤層，其突出效果會更加明顯。

圖3 不同埋深煤樣的孔容與孔徑分布關系

3 結論

通過對桃園礦不同埋深煤的比表面積、孔容、孔徑分布等孔隙結構特征的實驗結果進行分析對比，發現它們在孔隙結構特征上存在的差異。最后得出如下結論：

（1）桃園礦深部煤層煤中的孔隙大多為透氣性較差的封閉型孔，這種孔不利于瓦斯的抽放與運移，所以在對深部煤層進行開采時，要注意瓦斯突出的不利影響。

（2）隨著煤埋藏深度越大，煤的孔容和比表面積是不斷減小的，其煤中孔隙所占體積不斷減少，煤層會越加緊密。

（3）煤的孔容和其孔徑分布是呈正相關的，孔隙類型主要以微孔為主，孔徑越小，孔容越小，隨煤層埋深的增加，這種特征會尤其明顯。

[1]朱興珊.煤層孔隙特征對抽放煤層氣影響[J].中國煤層氣,1996,(01):37-39.

[2]孫波,王魁軍等.煤的分形孔隙結構特征的研究[J].煤礦安全,1999,1(01):38-40.

[3]鐘玲文.煤的吸附性能及影響因素[J].中國地質大學學報,2004,29(03):327-332.

[4]陳萍,唐修義.低溫氮吸附法與煤中微孔隙特征的研究[J].煤炭學報,2001(05):554-555.

[5]郝琦.煤的顯微孔隙形態特征及其成因探討[J].煤炭學報,1987,12(04):51-57.