基于核磁共振實驗不同變質程度煤的孔隙結構研究

宋慧杰

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

在煤礦的開采和生產中，會發生瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故，而且煤層氣資源(主要為瓦斯)的勘探、合理利用都是很大的難題。因此，如何安全開采煤炭資源和有效開發煤層氣，是目前比較突出的一個問題[1]。

煤作為多孔介質，其結構特殊，因此在煤層中的瓦斯通常以吸附或游離狀態這兩種氣體形式存在于煤體中，并且吸附態轉化到游離狀態受煤層開采的影響，由于煤層周圍壓力突然減小，孔隙對瓦斯的束縛力也隨之減弱，從而使大量的吸附態瓦斯變成游離狀態，而煤層內大量的游離狀瓦斯，具有不確定的瓦斯運動性，受環境影響，瓦斯發生瞬間解吸的可能性更高，因此發生煤與瓦斯突出的危險也隨之增加，而發生瓦斯事故的后果是相當嚴重的，不僅威脅煤礦的安全，而且還會導致大量人員傷亡。根據國家煤礦安監局統計，2001—2013年，我國共發生1 500多起由瓦斯造成的事故，傷亡超過萬人[2]，由此可以認為瓦斯事故對煤礦的安全生產，甚至是對人類的生命和財產安全都構成了極大威脅。所以，煤層瓦斯的預先抽采是預防及治理瓦斯災害的關鍵舉措之一，而煤體的孔裂隙結構發育及特征是影響瓦斯賦存形式及瓦斯運移規律的關鍵要素，因此充分了解煤層孔裂隙結構信息，提升煤層中瓦斯抽采的效率，對防治煤與瓦斯突出具有重大意義。因此，為了降低煤礦瓦斯災害發生的可能性，避免煤礦在采煤過程中積累的瓦斯含量太高，最大程度地提高煤層瓦斯的抽采效果，避免煤與瓦斯的突出，深入研究和分析煤孔隙的結構特征和影響孔隙，是避免煤礦瓦斯災難發生的必要因素[3]。

煤是雙重孔隙結構，其主要特征為比表面積較大和能夠自發的吸附氣體，一顆煤的比表面積可高達100 m2。煤中的孔隙為瓦斯儲存提供了充足的空間，同時，煤孔隙也是煤中瓦斯運移的通道。煤的孔隙特征參數包括孔隙度、滲透率和孔徑分布，這些都對瓦斯的賦存與運移有著重要的影響，同時，煤孔隙結構還影響著煤中瓦斯賦存量、瓦斯解吸率[4]、瓦斯涌出強度和衰減規律、瓦斯抽采效率。因此，探究分析煤體孔隙結構及其吸附特性對預防煤與瓦斯突出及保障煤礦安全生產具有重要意義。

文章主要利用低場核磁共振測試系統，對采自不同礦區的高變質程度煤樣孔隙特征及吸附特性進行實驗研究，核磁共振技術具有不損害煤樣本身的孔隙結構、測量快速、準確等優點[5]，能夠從煤樣微觀的角度去分析煤的孔徑分布和滲透性能，對提高煤礦瓦斯抽采效率、預防煤與瓦斯突出提供數據基礎和理論支撐。

1 低場核磁共振實驗系統

文章選取5種不同變質程度的煤，使用低場核磁共振測試系統在常壓下對真空飽水煤樣進行測試，將煤樣直接放入直徑為25 mm線圈中，測量煤樣的T2譜圖、孔隙度、滲透率及孔徑分布等參數。

2 煤樣制作及實驗步驟

2.1 煤樣制作

1) 煤樣采集。為了研究不同變質程度煤的孔隙結構特征，分別選取山西、貴州、遼寧3個不同地區的5個煤礦的不同煤樣作為實驗煤樣。

2) 煤樣制作。將煤樣制作成D25 mm×50 mm規格的柱狀煤樣，然后將制作后的煤樣稱重，得到初始質量，放入電熱鼓風干燥箱60 ℃恒溫干燥2 h，然后將煤樣置于真空飽和裝置中飽水12 h，再放到水里浸泡24 h，直至煤樣的質量不再增加，達到飽水的狀態，此時再對煤樣進行稱重，得到真空飽水后的質量，同時利用密度天平稱出真空煤樣的密度，最后計算出真空煤樣的體積；留出一小塊煤樣，按照《煤的工業分析方法》(GB/T212-2008)進行工業分析，測得煤樣的基本參數結果如表1所示。

表1 煤樣工業分析結果

2.2 實驗步驟

1) 儀器校準。打開核磁共振測試軟件，選擇FID序列和25 mm的線圈，打開射頻開關，將線圈連接好，設置好序列的相關參數，參數設置如表2所示，根據儀器操作規程進行儀器校準。

表2 FID序列參數

2) 設定孔隙度標線。將已知孔隙度的標準油樣分別放入線圈的中央，并測得相應的核磁信號量，用核磁共振分析軟件得出孔隙度與信號量的線性關系，即孔隙度標線，如圖1所示。設定孔隙度標線的主要目的為建立煤樣孔隙度與信號量的關系，通過核磁共振實驗后的信號量直接計算出煤樣的孔隙度。

圖1 孔隙度標線

3) 測試煤樣。將待測煤樣放入線圈的正中央，打開儀器軟件，選擇煤樣-CPMG序列，設置參數，具體參數如圖2和圖3所示，選擇已制定的孔隙度標線，測試煤樣的T2譜圖、孔隙率、滲透率、孔徑分布等。

圖2 煤樣-CPMG序列參數的設定

圖3 反演參數的設定

3 實驗結果及分析

3.1 譜圖T2測試結果及分析

實驗煤樣T2譜圖測試結果如圖4所示，擬合結果如表3所示。

圖4 不同礦區煤樣T2譜圖

表3 不同礦區煤樣T2譜圖面積

由核磁共振原理可知，T2譜圖反映煤樣中孔隙的多少與分布，T2譜圖與X軸圍成的密閉圖形的面積，簡稱T2譜面積，代表煤樣中孔隙的體積；T2譜圖的變化情況代表煤樣中孔徑的分布情況，弛豫時間越大，孔徑越大，弛豫時間越小，孔徑越小，所以T2譜圖的圖形分布集中在0.1～1 ms，說明高變質程度煤樣中微小孔占的比例較大。

由圖4及表3可以看出，T2譜圖面積由大到小依次為：1號、2號、3號、4號、5號，所以，實驗煤樣的孔隙體積的排列順序由大到小依次為：1號>2號>3號>4號>5號。通過表1可以得出，實驗煤樣的揮發分所占比例從大到小為：1號、2號、3號、4號、5號，因此，煤樣的孔隙體積與煤樣的揮發分所占比例成正比例關系，且煤樣的揮發分與煤樣的孔隙體積存在很好的關聯性，擬合度高達0.98，擬合曲線如圖5所示。煤樣的揮發分越高，變質程度就越低，孔隙體積隨著變質程度的升高而降低。

圖5 揮發分與孔隙體積擬合曲線

3.2 孔隙度和滲透率測試結果及分析

根據孔隙度標線換算方程，求取實驗煤樣的孔隙度，滲透率的求取公式為：

K=(φ/C)4(FFI/BVI)2

式中：φ為孔隙度；C為系數，取值1；FFI為自由流體飽和度；BVI為束縛流體飽和度。

根據不同高變質程度煤樣的核磁共振T2譜圖和孔隙度標線方程計算孔隙度，通過Coates模型來計算得到煤樣的滲透率。測試及計算結果如表4所示，孔隙度和滲透率存在較好的相關性，擬合曲線如圖6所示。

表4 煤樣孔隙度及滲透率測試結果

圖6 孔隙度與滲透率的關系

由表4和圖6可以看出，煤樣的孔隙度和滲透率成正比例關系，即煤樣的有效孔隙體積占比越大，煤樣的滲透性能就越好。

3.3 孔徑分布測試結果及分析

按照學者Dortmund的孔徑分類方法，將煤中孔徑>1 000 nm的孔隙為大孔，孔徑在100～1 000 nm范圍內的為中孔，過渡孔或者小孔的孔徑在10～100 nm范圍內，<10 nm的孔徑為微孔，孔徑分布實驗結果柱狀圖如圖7所示。

圖7 孔徑分布柱狀

由圖7可以看出，5個不同礦區的煤樣的孔徑分布情況一致為：微孔、小孔發育，中孔、大孔不發育；進一步探究煤樣微孔所占比例與煤樣的其他孔隙結構參數如孔隙度、滲透率的關系，結果如圖8和9所示。

圖8 微孔占比與孔隙參數的關系

圖9 小孔占比與孔隙參數的關系

由圖8和圖9可以看出，煤樣的孔隙度、滲透率均隨著微孔占比的增大而減小，隨著小孔占比的增大而增大。

4 結 語

1) 煤樣的孔隙體積與煤樣的揮發分所占比例成正比。

2) 對比不同煤樣的孔隙度、滲透率以及孔徑分布，煤樣的滲透率隨孔隙度的增加而增加；孔徑分布情況為微小孔發育，中大孔不發育，且煤樣的孔隙度、滲透率隨著微孔比例的增大均減小，隨著小孔比例的增大均增大。