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高瓦斯煤层的物性参数研究
2016-02-02
煤与瓦斯突出是一种复杂的多因子瓦斯动力灾害,主要与煤体的瓦斯吸附解吸特征及突出危险性结构组成、力学特性、瓦斯赋存等一系列因素有关。为了研究煤体瓦斯的吸附解吸特性及突出危险性,通过对某煤矿4个采样点取样,并进行了工业性分析、煤岩学分析与孔隙结构分析,测定了煤样的瓦斯特征参数,为研究煤层瓦斯赋存状况、确定煤与瓦斯突出危险性敏感指标提供借鉴。
Serial No. 561 January. 2016 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 561期 2016 年 1 月第 1 期 高瓦斯煤层的物性参数研究 赵文利 大同煤炭职业技术学院) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 煤与瓦斯突出是一种复杂的多因子瓦斯动力灾害,主要与煤体的瓦斯吸附解吸特征 及突出危险性结构组成、力学特性、瓦斯赋存等一系列因素有关。 为了研究煤体瓦斯的吸附解吸特 性及突出危险性,通过对某煤矿 4 个采样点取样,并进行了工业性分析、煤岩学分析与孔隙结构分 析,测定了煤样的瓦斯特征参数,为研究煤层瓦斯赋存状况、确定煤与瓦斯突出危险性敏感指标提 供借鉴。 关键词ꢀ 高瓦斯煤层ꢀ 多元物性参数ꢀ 压汞法ꢀ 瓦斯特征 Study of the Physical Parameters of High Coal Seam Zhao Wenli ( Datong Coal Vocational and Technical College) Abstractꢀ Coal and gas outburst is a complicated multi-factor gas dynamic disaster, it mainly relat- ed to the coal ore-body factors of gas adsorption,desorption characteristics, outburst dangerous, structural composition, mechanical properties and gas occurrence. In order to analyze the gas adsorption and desorp- tion characteristics and outburst dangerous of coal ore-body, the samples are obtained from the four sam- pling points of a coal mine, the samples are conducted industrial analysis, coal petrology analysis and pore structure analysis, the gas characteristics parameters of coal samples are obtained to provide refer- ence for studying the gas occurrence conditions of coal seam and determining the sensitive indicators of the coal and gas outburst dangerous. Keywordsꢀ High gas coal seam, Multiple physical parameters, Mercury intrusion method, Gas characteristics ꢀ ꢀ 在煤与瓦斯突出中,主要是含瓦斯煤的力学特 表 1ꢀ 某煤矿煤层取样 性、渗透特性及蠕变特性作用的结果。 因此,深入研 究高瓦斯煤的特性参数,对进一步提示煤中瓦斯的 移运规律、煤与瓦斯突出机理具有重要作用。 煤层 取样地点 三采区皮带巷正前 3313 材巷 标高/ m 540 # 3 # 3 580 # 3 3312 预抽巷 3313 底抽巷 600 1 ꢀ 高瓦斯煤层煤样物性参数研究 # 520 4 1 . 1ꢀ 煤体取样 1 . 2ꢀ 煤样的工业分析 采用 5E-MAG6600 型全自动工业分析仪 ,将 煤体的物性参数是对煤体主要属性的多角度描 [4] 述,包括煤体的组成结构、孔隙分布、瓦斯吸附能力 各煤层煤样分为两组,分别进行了测定,结果如表 2 所示。 [ 1-2] 等一系列参数 。 为了对煤层的研究更为准确,依 据《GB / T19222—2003 煤岩样品采取方法》,结合某 矿井下环境、水文地质等条件,在 4 个地点进行取 样。 取样地点如表 1 所示。 表 2ꢀ 煤样的工业分析结果 % 水分 灰分 挥发分 固定碳 F cad 煤样 M A V ad ad daf # 三采区皮带巷正前(3 ) 0. 56 0. 58 0. 58 0. 56 10. 06 10. 08 10. 61 14. 88 22. 70 20. 26 22. 10 21. 11 69. 09 69. 08 69. 18 66. 71 # 3 3 3 313 工作面(3 ) ꢀ ꢀ 赵文利(1982—),男,讲师,注册安全工程师,硕士,037003 山西 # 312 预抽巷(3 ) 省大同市。 # 313 底抽巷(4 ) 4 2 ꢀ ꢀ 赵文利:高瓦斯煤层的物性参数研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年 1 月第 1 期 ꢀ ꢀ 从测试结果看,该矿各煤样的水分含量均在 # # % 以下,属于低水分煤,4 煤层灰分比 3 煤层大;挥 # # 时,显微照片上就会出现壳质组消失现象。 无机组 分主要成分为黏土类和硫化物,黏土类成分类型为 黑色,细分散状,以条带状为主,少量团块状;硫化物 成分类型为亮黄色,细粒,细分散状,呈充填状;均未 见碳酸盐类。 1 发 分 含 量 3 煤 层 为 22. 10% , 4 煤 层 略 低, # 为 21. 11% ;固定碳含量 4 煤层平均值为 66. 71% , # 略小于 3 煤层。 1 . 3ꢀ 煤样的煤岩学分析 2 ꢀ 煤样孔隙结构测试 压汞试验可分为进汞和退汞两个阶段,对应形 对 4 个煤样进行最大平均镜质组反射率测定、 有机显微组分,结果如表 3 所示。 图 1 为 4 个煤样 的有机显微组分照片。 成进汞和退汞曲线。 受孔隙开放性特征影响,退汞 曲线通常滞后于进汞曲线,从而形成“滞后环”,根 据“滞后环” 的形态特征可简单判断测试煤体中孔 表 3ꢀ 煤样的有机显微组分、 最大平均镜质组反射率测定结果 % [ 5] 隙的形态 ,见图 2。 有机组分 惰质 壳质 无机组分 从图 2 中可看出,各煤样的进汞曲线位置略低 于退汞曲线,说明累计退汞量比相同压力下累计进 汞量略大,滞后特征不甚明显。 这是由于煤体内的 孔隙形态主要以半开放孔为主,致使在进汞和退汞 过程中的压力基本相等,进退汞量变化差异不大。 相对于煤体来说,汞属于非润湿相,汞液渗透进 煤体孔隙内就必须要克服孔隙喉道产生的毛细管阻 力。 毛细管阻力与孔隙的半径成负相关,根据汞液 在不同压力下的进汞量,计算出相应的毛细管压力, 不同压力下汞液所进入孔隙的喉道大小即为孔径的 大小。 煤层煤样 R 0,max 镜质 组 黏土 硫化 碳酸 物 组 组 类 盐 三采区皮带 巷正前(3 ) 7 8 8 9 9. 27 18. 64 未见 1. 54 0. 55 未见 1. 411 1 0. 14 16. 56 未见 2. 70 0. 60 未见 1. 454 4 2. 77 14. 05 未见 2. 54 0. 64 未见 1. 456 3 1. 04 5. 62 未见 2. 66 0. 68 未见 1. 526 7 # 3 313 材巷 # ( 3 ) 3 3 312 预抽巷 # ( 3 ) 313 底抽巷 # ( 4 ) 由图 2 给出的各煤层煤样在不同孔径下的进汞 量,依据 B. B. XOДOT 提出的孔径划分标准,得出各 煤层的孔容分布特征及总孔容,如表 4 所示。 图 3 为各个孔径下孔容占总孔容的比值。 从测试数据来看,各煤层煤样的总孔容( 总进 # 汞量)为 0. 029 3 ~ 0. 032 7 mL/ g,3 煤层的 3 个煤 # 样总孔容比较接近,平均为 0. 032 5 mL/ g,4 煤的较 图 1ꢀ 煤样有机显微照片 低,仅为 0. 029 3 mL/ g。 各煤样以小于 10 nm 以下 的微孔发育为主,在孔容中的贡献值基本在 55% 左 右;其次发育的为小孔,为 23. 9% ~ 28. 3% ;再次为 大孔为 11. 6% ~ 19. 9% ;中孔最不发育,均在 5% 以 下。 比较各煤层的孔隙分布情况可以看出,该矿井 田内的煤层孔径分布基本一致,结构差异性不大。 根据累计量得到各孔径下的比表面积分布,如 表 5 所示。 图 4 为各煤样的累计比表面积曲线,图 各煤层煤样测 得 的 平 均 最 大 镜 质 组 反 射 率 R0,max 为 1. 411 1% ~ 1. 526 7% ,煤的变质程度差别 不大,均为中变质烟煤,可以判定,煤变质程度与工 业分析的判定结果基本一致。 从显微组分测定的结果来看,镜质组所占的比 例最大,可达 79. 27% ~ 91. 04% ,其中主要为均质 # 镜质体和基质镜质体。 4 煤层煤样镜质组含量达 # 0% 以上,高于 3 煤层煤样;各煤样惰质组含量为 9 5 5 统计了各个孔径下比表面积占总比表面积的比 . 62% ~ 18. 64% ,其中大部分为粗粒体,少量为丝 值。 对数据分析可知,各煤样比表面积从大到小顺 序 与 孔 容 排 序 呈 现 相 同 的 规 律, 总 比 表 面 积 # # 质体,该矿 4 煤层的惰质组含量明显低于 3 煤层; 2 2 在样品中均未观测到壳质组的存在,这是由于煤样 为 15. 184 ~ 16. 701 m / g,平均为 16. 09 m / g。 总 比表面积主要由微孔和小孔贡献,占总比表面积的 99. 8% 以上,其中又以微孔最高,达 88% 以上。 的煤 级 较 高。 最 大 平 均 镜 质 组 反 射 率 R0,max 均 在 1. 4% 以上,根据研究经验可知,当 R0,max >1. 3% 4 3 总第 561 期 现代矿业 2016 年 1 月第 1 期 图 2ꢀ 不同煤样的累计进、退汞量曲线 ◆ ● —进汞曲线; —退汞曲线 表 4ꢀ 煤样分类孔径下的孔容分布 mL/ g 进汞量 煤样 总进汞量 微孔 3 ~ 10 nm 0. 018 1 小孔 10 ~ 100 nm 0. 009 2 中孔 100 ~ 1 000 nm 大孔>1 000 nm # 三采区皮带巷正前(3 ) 0. 001 2 0. 000 9 0. 001 6 0. 001 2 0. 004 2 0. 006 5 0. 004 0 0. 003 4 0. 032 7 0. 032 6 0. 032 2 0. 029 3 # 3 313 材巷(3 ) 0. 017 4 0. 007 8 # 3 3 312 预抽巷(3 ) 0. 017 6 0. 009 0 # 313 底抽巷(4 ) 0. 016 4 0. 008 3 ꢀ ꢀ 结合微孔孔容分布和比表积面分布特征可以发 现,该矿各煤层煤样孔隙结构以微孔为主,微孔的大 量发育使得煤体在相同体积的情况下,比表面积大 大增加,在微观上为瓦斯吸附提供了充足空间,在宏 观上则表现为煤体吸附瓦斯量较高。 3 ꢀ 煤样的瓦斯特征参数测定 煤的瓦斯特征参数主要包括:吸附常数 a、b 值、 [ 6] 煤的坚固性系数以及瓦斯放散初速度 ,分别反映 了煤体瓦斯吸附量大小、煤体的自身强度及解吸初 期煤体瓦斯放散速率。 各煤层煤样的瓦斯特征参数 图 3ꢀ 各类孔径孔容百分比 测定结果如表 6 所示。 2 m / g 表 5ꢀ 煤样分类孔径下的孔隙比表面积分布 比表面积 煤样 总比表面积 微孔 3 ~ 10 nm 小孔 10 ~ 100 nm 中孔 100 ~ 1 000 nm 大孔>1 000 nm # 三采区皮带巷正前(3 ) 14. 773 14. 409 14. 487 13. 419 1. 902 1. 876 1. 653 1. 740 0. 024 0. 027 0. 019 0. 023 0. 002 0. 003 0. 001 0. 002 16. 701 16. 315 16. 160 15. 184 # 3 313 材巷(3 ) # 3 3 312 预抽巷(3 ) # 313 底抽巷(4 ) 4 4 ꢀ ꢀ 赵文利:高瓦斯煤层的物性参数研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年 1 月第 1 期 图 4ꢀ 不同煤样累计比表面积曲线 ◆ ● —进汞曲线; —退汞曲线 # 值,煤体的强度较小,抵抗破坏能力差,4 煤层坚固 性系数大于 0. 5。 4 ꢀ 结ꢀ 论 通过测定,获得了该煤矿高瓦斯煤层煤样的多 元物性参数。 该煤矿各煤层煤样孔隙结构以微孔为 主,微孔的大量发育使得煤体在相同体积的情况下, 比表面积大大增加,在微观上为瓦斯吸附提供了充 足空间,在宏观上则表现为煤体吸附瓦斯量较高;该 3 矿各煤层的 a 值范围为 21. 4 ~ 28. 6 m / t,各煤样的 图 5ꢀ 各类孔径比表面积百分比 # 瓦斯放散初速度为 9. 3 ~ 11. 4 mmHg,整体偏大;3 煤层坚固性系数值均在 0. 5 以下,超出《规定》中的 # 临界值,煤体的强度较小,抵抗破坏能力差,4 煤层 表 6ꢀ 煤层瓦斯特征参数测定结果 坚固性系数大于 0. 5。 瓦斯放散 初速度 吸附常数 坚固性 系数 煤层 取样地点 3 ꢁ1 a / (m / t) b/ MPa 0. 6197 / mmHg 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 # # # # 3 3 3 4 三采区皮带巷正前 28. 6308 0. 43 0. 39 0. 42 0. 55 11. 4 [ 1]ꢀ 陈向军,程远平,王ꢀ 林. 外加水分对煤中瓦斯解吸抑制作用 试验研究[J]. 采矿与安全工程学报,2013(2):58-63. 3313 材巷 3312 预抽巷 3313 底抽巷 27. 1293 26. 8819 21. 3651 # 0. 7588 0. 5576 0. 6476 10. 4 9. 3 10. 8 # [2]ꢀ 赵ꢀ 东,冯增朝,赵阳升. 高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响 试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2011(3):125-132. [ 3]ꢀ 刘曰武,苏中良,方虹斌,等. 煤层气的解吸/ 吸附机理研究综 述[J]. 油气井测试,2010(6):24-29. ꢀ ꢀ 从表 6 可看出,该矿 3 煤层的 a 值接近,4 煤层 的煤样 a 值较低,这与之前测定的孔容和比表面积 结果相符合,表明不同煤层的煤体对瓦斯吸附能力 的强弱,在实际生产中,则表现为不同煤层在相同瓦 斯压力下瓦斯含量的差异;各煤样的瓦斯放散初速 [4]ꢀ 降文萍,张庆玲,崔永君. 不同变质程度煤吸附二氧化碳的机 理研究[J]. 中国煤层气,2010(4):224-228. [ 5]ꢀ 程远平,俞启香. 中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展[J]. 采 矿与安全工程学报,2007(4):223-229. [ 6]ꢀ 李志胜. 孟津煤矿二2 煤层突出危险性研究[ J]. 煤炭技术, 2009(12):100-102. # 度为 9. 3 ~ 11. 4 mmHg,整体偏大;3 煤层坚固性系 数测得的值均在 0. 5 以下,超出《 规定》 中的临界 (收稿日期 2015-10-10) 4 5
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