阜康矿区气煤孔隙结构特征研究.pdf

工矿自动化 I n d u st r y a n d Min e Au t o ma t io n 第45卷第7期 2019年7月 Vo l, 45 No . 7 Ju l. 2019 文章编号1671-251X201907-0092-05 DOI 10.13272/j. issn . 1671-251x . 2019010062 阜康矿区气煤孔隙结构特征研究 王翠霞，刘伟，刘纪坤 西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054 扫码移动阅读 摘要为了研究阜康矿区瓦斯的储存情况与抽采可行性，采用压汞法和低温液氮吸附法对比分析不同条 件下煤的孔隙结构参数及其分布特征。分析结果表明，煤样中大孔和微孔占比较大，孔径较大的孔隙由两端 开口的圆筒形孔及四边开放的平行板孔组成，开放性好，有利于瓦斯抽采利用；气煤煤样总孔容大于高变质 程度煤样，孔隙结构有利于瓦斯赋存和放散；气煤孔隙的比表面积虽然小于高变质程度煤样，但其孔隙结构 中小孔的比表面积占比较大，小孔为瓦斯吸附提供了较大空间，所以阜康矿区气煤也具有一定的瓦斯吸附能 力，煤层瓦斯可以抽采利用。 关键词瓦斯抽采；气煤孔隙结构；压汞法；低温液氮吸附法；孔隙分布特征；孔容；比表面积 中图分类号TD712.6 文献标志码A Research on pore structure characteristics of gas coal in Fukang mining area WANG Cu ix ia , LI U Wei, LI U Jik u n Co lleg e o f Sa f et y Sc ien c e a n d En g in eer in g , Xia n Un iv er sit y o f Sc ien c e a n d Tec h n o lo g y, Xia n 710054, Ch in a Abstract I n o r d er t o st u d y g a s st o r a g e a n d ex t r a c t io n f ea sibilit y in Fu k a n g min in g a r ea , mer c u r y in t r u sio n met h o d a n d liq u id n it r o g en a d so r pt io n met h o d in lo w t emper a t u r e w er e u sed t o c o mpa r e a n d a n a lyze po r e st r u c t u r e pa r a met er s a n d d ist r ibu t io n c h a r a c t er ist ic s o f c o a l u n d er d if f er en t c o n d it io n s. Th e a n a lysis r esu lt s sh o w t h a t la r g e po r es a n d mic r o po r es in c o a l sa mples a c c o u n t f o r a la r g e pr o po r t io n , t h e po r es w it h la r g e po r e d ia met er a r e c o mpo sed o f c ylin d r ic a l po r es w it h o pen en d s a n d pa r a llel pla t e h o les w it h f o u r o pen sid es, w h ic h h a s g o o d o pen n ess a n d is ben ef ic ia l t o g a s d r a in a g e a n d u t iliza t io n; Th e t o t a l po r e v o lu me o f g a s c o a l sa mples is la r g er t h a n t h a t o f h ig h met a mo r ph ism c o a l sa mples, po r e st r u c t u r e is c o n d u c iv e t o t h e o c c u r r en c e a n d r elea se o f g a s; Th e spec if ic su r f a c e a r ea o f g a s c o a l po r es is sma ller t h a n t h a t o f h ig h met a mo r ph ic c o a l sa mples, bu t t h e spec if ic su r f a c e a r ea o f sma ll po r es a c c o u n t f o r a la r g e pr o po r t io n in t h e po r e st r u c t u r e, a n d sma ll h o les c a n pr o v id e la r g e spa c e f o r g a s a d so r pt io n , so t h e g a s c o a l in Fu k a n g min in g a r ea a lso h a s c er t a in g a s a d so r pt io n c a pa c it y, c o a l sea m g a s c a n be ex t r a c t ed a n d u t ilized . Key words g a s ex t r a c t io n； g a s c o a l po r e st r u c t u r e; mer c u r y in t r u sio n met h o d ; liq u id n it r o g en a d so r pt io n met h o d in lo w t emper a t u r e; po r e d ist r ibu t io n c h a r a c t er ist ic s; po r e v o lu me; spec if ic su r f a c e a r ea 0引言 瓦斯气体的聚集和运移主要发生在煤的孔隙 中，孔隙结构特征对瓦斯的吸附、解吸、扩散及渗流 都有直接影响⑺幻。为了进行煤层气开发与评价，首 先应对其孔隙结构进行分析与研究闪。目前，国内 外学者对煤的孔隙结构特征进行了大量分析, 王海龙等⑷分析了韩城矿区煤样，认为煤样压汞孔 收稿日期2019-01-16;修回日期2019-06-10;责任编辑胡娴。 基金项目国家自然科学基金项目51404188；西安科技大学博士启动基金资助项目2017QDJ106；西安科技大学培育基金资助项目 201713. 作者简介王翠霞1985 ，女，山东淄博人，博士研究生，主要从事煤孔隙方面的研究工作,E-ma ila n q u a n h a iyin g 126. c o m. 引用格式王翠霞，刘伟，刘纪坤.阜康矿区气煤孔隙结构特征研究口].工矿自动化,2019,45792-96. WANG Cu ix ia,LI U Wei,LI U Jik u n . Resea r c h o n po r e st r u c t u r e c h a r a c t er ist ic s o f g a s c o a l in Fu k a n g min in g a r ea [J]. I n d u st r y a n d Min e Au t o ma t io n,2019,457 92-96. 2019年第7期王翠霞等阜康矿区气煤孔隙结构特征研究 93 径分布具有多重分形特征，多重分形参数能有效反 映煤储层孔径分布特征，其变化是由构造变形增强 所致。顾熠凡等闵用压汞法对软硬煤孔隙结构进行 分析，表明2种煤都存在开放型透气性孔，软煤连通 性比硬煤差，所以更易发生煤与瓦斯突出。杨光 等同用低温液氮吸附法对新疆西山窑组低变质程度 煤进行研究，发现低变质程度煤中小孔和微孔占比 较大,孔隙形态以一端封闭型孔和“墨水瓶”孔为主。 低温液氮吸附法和压汞法因测试范围广、精度 高而被广泛应用,但由于受到测试原理的限制，2种 方法都只能测量某一尺度范围的孔隙分布。低温液 氮吸附法可测量的孔径范围为1. 7-200 n m,压汞 法可测量的孔径范围为6. 4 n m〜426 m。使用压 汞法时，在加压过程中煤孔隙会发生变形，造成纳米 级孔隙测量不准确，利用低温液氮吸附法可弥补压 汞法的这一不足。 不同区域不同变质程度煤样的孔隙结构特征差 异较大。新疆阜康矿区属于高瓦斯矿区，辖区内的 28座矿井中有13座为高瓦斯矿井仞，随着矿井规 模和开采深度的不断增加，阜康矿区面临严重的瓦 斯灾害。自2005年阜康“7. 11”特大煤矿瓦斯爆炸 事故以来，该矿区相继发生过多起瓦斯爆炸事故厠， 经济损失巨大，社会影响恶劣。为了研究阜康矿区 煤的孔隙结构特征，采用压汞法和低温液氮吸附法 对阜康矿区典型矿井进行孔隙结构测定实验。 1阜康矿区概况 阜康矿区煤层赋存于侏罗系下统八道湾组地层 Jib及侏罗系中统西山窑组地层J2x 中。其中侏 罗系下统八道湾组地层Jib 厚度大于0. 30 m的 煤层45层，主要可采煤层有7层，煤层平均总厚度 为6各煤层物理性质基本相似，煤的普氏 系数较大，密度较小，各主要煤层平均密度为1. 30 1.41 t /m3o矿区侏罗系中统西山窑组地层J2x 厚 度大于0. 30 m的煤层17层，可采煤层有4层，煤层 平均总厚度为44. 31 m,含煤系数为9. 70 ；各煤层 物理性质基本相似，煤的普氏系数较小，但密度较 大，各主要煤层平均密度为1. 35-1. 44 t /m3。 阜康矿区的东部和西部矿井瓦斯含量相对较 高,开采西山窑组煤层的生产矿井均为低瓦斯矿井， 而开采八道湾组煤层的主要生产矿井均为高瓦斯矿 井，瓦斯含量较高，且随着矿井逐步向深部开拓，瓦 斯含量有增大的趋势。西山窑组主要可采煤层瓦斯 含量为 0. 16 m3/t ,其中 CH4 为 0. 068 m3/t ,CO2 为 0.106 n /t ,瓦斯分带为CO2-N2带。八道湾组区 内主要可采煤层最大瓦斯含量为5. 631 n /t ,瓦斯 垂直分带在170〜450 m,450 m以浅基本为CO2- N2带,450 m以下为N2瓦斯带㈤。 2煤样选取及实验方案 2.1 煤样选取 对阜康矿区典型矿井进行取样，煤样采集地点 及编号见表lo 表1煤样采集地点及编号 Ta ble 1 Co llec t io nlo c a t io n s a n d n u mber s o f c o a l sa mples 煤样编号采样地点 1金塔大黄山矿中大槽 750 m水平 2西沟一矿A5煤层 3西沟二矿 700 m水平 4 合阳矿 采用MSPU显微光度计对煤样进行镜质组反 射率测定，以判断煤样变质程度，得出14号煤样 镜质组平均最大反射率分别为0. 66,0. 70,0. 66, 1. 99,4号煤样为高变质程度煤样。 2.2 实验方案 为了更好地说明气煤结构特点，选定合阳矿的 高变质程度煤样做对比实验。 2.2. 1压汞法 压汞法原理通过外加压力使汞克服表面张力 进入气孔，从而测定气孔孔径和气孔分布。测量一 定范围内不同汞压下的进汞量，绘制压力与进汞量 曲线，运用 Wa sh bu r n方程即可得相应孔径。 Wa sh bu r n方程为 式中/为毛细管力，N/n ；。为表面张力，取 0.48 N/m；0为汞的湿润接触角，取140；r为孔隙 半径,c m。 将样品在干燥箱中干燥后称重，再进行压汞实 验。实验采用Au t o Po r elV 9510型全自动压汞仪， 压缩气体为N2，测量压力为0. 42 MPa。 2.2.2低温液氮吸附法 低温液氮吸附法原理利用2的等温吸附特 性测定孔径分布，将进入孔隙的气体量当作孔的体 积。由毛细凝聚理论可知，半径小于凯尔文半径的 孔中皆发生N2吸附，吸附质压力与发生凝聚的孔 直径一一对应。凯尔文半径兵计算公式为 -0.414 ln F/F0 2 式中P表示温度为t时半径为九的液滴蒸气压, Pa；P。表示平面液体在温度为t时的饱和蒸气 压，Pa。 采用ASAP2020氮气吸附仪测定煤样比表面 积。样品制备将样品粉碎后进行筛分，取粒径为 94 工矿自动化2019年第45卷 0. 3 mm左右的样品5〜10 g ,在80 C下烘干8 h。 3实验结果分析 3. 1 压汞法测定结果及分析 3.1.1压汞曲线 根据进退汞压力及其对应的进退汞量得到压汞 曲线，如图1所示。该曲线形状反映了孔隙连通性 a 1号煤样 - . 一占一一 牆規七誠 压力/MPa b 2号煤样 -F-F 严 E -T* E -T* 联麹京馨 压力/MPa c 3号煤样 d 4号煤样 图1煤样进退汞曲线 Fig . 1 Ad v a n c e a n d r et u r n mer c u r y c u r v es o f c o a l sa mples 从图1可看出，在低压段，进汞量快速上升，这 是由于在压力较小时，汞很容易进入到煤的较大孔 隙中，根据Wa sh bu r n方程，此时汞压对应的孔径在 24 800 n m以上，这与文献［5,11］的相关研究一致； 在压力达20 MPa后，对应的孔径小于60 n m,进汞 量快速上升，汞大量进入孔隙中，说明孔径在这一范 围内的孔隙较多。 不同煤样的进退汞曲线形状不同，代表其孔隙 的连通性不同。13号煤样进退汞曲线在压力较 小时不重合，存在滞后环，进退汞滞后环反映孔隙基 本形态和联通性皿-⑷。在低压阶段，13号煤样退 汞曲线平滑、无拐点，表明较大孔隙中含有大量开放 性孔隙，连通性好；进入高压段后，进退汞曲线基本 重合,说明较小孔隙以封闭和半封闭的孔隙为主，连 通性较差。而4号煤样在整个压力段进退汞曲线基 本重合，没有滞后环，说明4号煤样各个孔隙以封闭 和半封闭性孔隙为主，连通性较差。 3.1.2孔径分布特征 国内外学者根据不同的实验方法和研究目的对 孔隙大小进行分类，本文选用霍多特XOJI OT 的 划分方式，结果见表2。霍多特认为，气体在微孔中 以毛细管凝聚、物理吸附形式存在，在大孔中以层流 和紊流流动。 表2孔隙分类 Ta ble 2Po r e c la ssif ic a t io nn m 微孔小孔中孔大孔 1 000 对压汞法实验数据进行处理，得到各类孔隙孔 容占比，见表30 表3各类孔隙孔容占比 Ta ble 3 Po r e v o lu me r a t io o f d if f er en t po r es 煤样 总孔容/ 孔容占比/ 编号 n g T 大孔中孔小孔微孔 10. 345 825. 696. 1522.3145,85 20.227 829.05在相对压力大于0. 5时出现滞后环,13号煤 样回线没有拐点，此时孔径较大的孔隙由两端开口 的圆筒形孔及四边开放的平行板孔组成；4号煤样 回线在相对压力约为0. 5时出现明显拐点，孔隙属 于典型的“墨水瓶”结构。 3.2.2低温液氮吸附法孔径分布特征 对低温液氮吸附法实验数据进行处理,得到各 孔径段比表面积占比，见表4。 表4各孔径段比表面积占比 Ta ble 4 Spec if ic su r f a c e a r ea r a t io o f po r es in d if f er en t a per t u r e seg men t s 煤样 编号 总比表面积/ m2 ■ g _i 比表面积占比/ 100 n m10〜100 n m10 n m 10. 236 712.5469. 9317. 53 20. 446 613.4170.8615. 73 30. 721 96. 774 9346. 30 41. 161 94. 9835. 6459. 38 由表4得,13号煤样小孔的比表面积占很大 比例，因此，小孔是阜康矿区气煤瓦斯吸附的主要场 所。13号煤样的总比表面积小于4号煤样，因 此,13号煤样比4号煤样的瓦斯吸附能力低。 4压汞法与低温液氮吸附法对比分析 1 采用低温液氮吸附法与压汞法所测煤孔隙 结构符合程度不是很高，这是由2种方法的原理及 模型差异所致。压汞法的测试范围较广，为了让汞 顺利进入孔隙内，必须不断增加压力，在不断加压过 程中，许多孔特别是较小的孔会发生坍塌或变形，变 成中孔或大孔，使大孔比例增加；压汞法的理论模型 假设所有的孔都是圆柱，且孔都是延伸至样品外表 面的“开孔”，但实际上孔是不规则的，而且在加压过 程中,会打开许多没有延伸至样品外表面的“闭孔”, 将其计算成“开孔”，使结果偏差，所以用压汞法测量 纳米级的孔较不准确。低温液氮吸附法测定的孔径 范围是1. 7〜200 n m,根据毛细冷凝原理，小于凯尔 文半径的孔发生毛细冷凝聚，所以低温液氮吸附法 适用于含大量微孔和中孔的材料。 2 根据文献[14],低变质程度煤孔隙主要由 小孔、中孔组成，微孔占比很小,所以吸附能力较差。 中、高变质程度煤孔隙主要为微孔和小孔，所以吸附 能力比低变质程度煤强。而本文压汞实验却得出气 煤孔隙主要由大孔、小孔和微孔组成，其原因如下 实验用13号煤样变质程度低，普氏系数小，在不 断加压过程中，煤内部基质被破坏，原有的孔隙结构 被改变。因此,小孔是阜康矿区气煤瓦斯吸附的主 要场所。 3 根据压汞实验，13号煤样孔隙的总孔容 大于4号煤样，去除压汞法对微孔的破坏影响，1 3号煤的大孔、中孔、小孔的孔容也大于4号煤样, 由此可见阜康矿区气煤的孔容较大，这为瓦斯提供 了足够的储存空间。通过低温液氮吸附法实验得到 96 工矿自动化2019年第45卷 气煤孔隙以小孔为主，小孔是瓦斯吸附的主要场所。 虽然气煤的总比表面积小于4号高变质煤样，但其 仍具有一定的瓦斯吸附能力。 55结论 1 使用压汞法测量纳米级孔隙较不准确，而 低温液氮吸附法基于毛细冷凝原理，适用于含大量 微孔和中孔的材料，因此，利用压汞法测量煤的孔 容，利用低温液氮吸附法测量煤的比表面积，两者结 合使用，能够详细说明各个孔的分布情况。 2 阜康矿区气煤的孔径分布主要集中于大孔 和微孔，孔径较大的孔隙由两端开口的圆筒形孔及 四边开放的平行板孔组成，孔径较小的孔隙由一端 封闭的圆筒孔、平行板孔、尖劈形孔组成，说明阜康 矿区煤层孔隙结构整体开发性较好，有利于瓦斯抽 采利用。 3 阜康矿区气煤具有较大孔容，可为瓦斯提 供足够的储存空间；气煤又为瓦斯吸附提供较为可 观的比表面积，可以推断出其具有存储大量瓦斯的 能力，煤层瓦斯可以抽采利用。 参考文献References 1]赵东，赵阳升,冯增朝.结合孔隙结构分析注水对煤体 瓦斯解吸的影响[J].岩石力学与工程学报,2011, 304686-692. ZHAO Do n g , ZHAO Ya n g sh en g , FENG Zen g c h a o . An a lysis o ef f ec t o f w a t er in jec t io n o n met h a n e d eso r pt io n in c o a l c o mbin in g po r e st r u c t u r e [J]・ Ch in ese Jo u r n a l o f Ro c k Mec h a n ic s a n d En g in eer in g, 2011,304686-692. [2] 孟宪明.煤孔隙结构和煤对气体吸附特性研究[D]. 青岛山东科技大学,2007. [3] 刘爱华，傅雪海,梁文庆，等.不同煤阶煤孔隙分布特 征及其对煤层气开发的影响[J].煤炭科学技术， 2013,414104-10 LI U Aih u a ,FU Xu eh a i, LI ANG Wen q in g , et a l. Po r e d ist r ibu t io n f ea t u r es o f d if f er en t r a n k c o a l a n d in f lu en c es t o c o a l bed met h a n e d ev elo pmen t ]. Co a l Sc ien c e a n d Tec h n o lo g y,2013,414 104-108. [4] 王海龙，刘鸿福，李伟，等基于压汞技术的构造煤孔 隙结构多重分形表征[J1煤矿安全，2016,471 33-37. WANG Ha ilo n g , LI U Ho n g f u , LI Wei, et a l. Mu lt if r a c t a l c h a r a c t er iza t io n o f t ec t o n ic a lly d ef o r med c o a l po r e st r u c t u r e ba sed o n mer c u r y in jec t io n t ec h n o lo g y]JSa f e t y in Co a l Min es, 2016,47 1 33-37. [5] 顾熠凡，王兆丰,戚灵灵基于压汞法的软、硬煤孔隙 结构差异性研究[J1煤炭科学技术,2016,444 64-67・ GU Yif a n , WANG Zh a o f en g, QI Lin g lin g . St u d y o n po r o u s st r u c t u r e d if f er en c e o f so f t c o a l a n d h a r d c o a l ba sed o n mer c u r y in t r u sio n met h o d [J]. Co a l Sc ien c e a n d Tec h n o lo g y ,2016,444 64-67, [6] 杨光，秦勇，吴财芳，等新疆和什托洛盖盆地西山窑 组低阶煤孔隙结构特征口].煤炭科学技术,2017, 454123-130. YANG Gu a n g , QI N Yo n g , WU Ca if a n g , et a l. Po r e st r u c t u r e f ea t u r es o f Xish a n ya o Fo r ma t io n lo w r a n k c o a l in Ho x t o lg a y Ba sin o f Xin jia n g [J], Co a l Sc ien c e a n d Tec h n o lo g y,2017,454 123-130. [7] 王林,蒲春玲阜康市煤层气开发利用问题研究[JI 企业导报,20142268-69. [8] 王翠霞.阜康矿区气煤孔隙结构特征及其煤粒瓦斯放 散规律研究[D].西安西安科技大学,2016. [9 ]帕提古丽斯地克准格尔盆地阜康矿区瓦斯地质规 律研究[D1乌鲁木齐新疆大学,2012. [10]谢武仁，杨威，杨光，等川中地区上三叠统须家河组 砂岩储层孔隙结构特征[J].天然气地球科学，2010, 213435-440. XI E Wu r en ,YANG Wei, YANG Gu a n g , et a l. Po r e st r u c t u r e f ea t u r es o f sa n d st o n e r eser v o ir s in t h e u pper Tr ia ssic Xu jia h e Fo r ma t io n in t h e c en t r a l pa r t o f Sic h u a n Ba sin [J]・ Na t u r a l Ga s Geo sc ien c e, 2010, 213435-440. [I ll赵迪斐，郭英海，毛潇潇，等.基于压汞、氮气吸附与 FE-SEM的无烟煤微纳米孔特征口丄煤炭学报， 2017,426.1517-1526. ZHAO Dif ei, GUO Yin g h a i, MAO Xia o x ia o , et a l. Ch a r a c t er ist ic s o f ma c r o -n a n o po r es in a n t h r a c it e c o a l ba sed o n mer c u r y in j ec t io n, n it r o g en a d so r pt io n a n d FE-SEM[J]. Jo u r n a l o f Ch in a Co a l So c iet y, 2017, 4261517-1526. [12] 王翠霞，李树刚.低阶煤孔隙结构特征及其对瓦斯吸 附的影响[J1中国安全科学学报, 2015,25 10 133-13 WANG Cu ix ia, LI Sh u g a n g . Po r e st r u c t u r e c h a r a c t er ist ic s o f lo w r a n k c o a l a n d t h eir in f lu en c e o n g a s a d so r pt io n [ J]. Ch in a Sa f et y Sc ien c e Jo u r n a l, 2015,2510133-13 [13] 陈萍,唐修义低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研 究[J]煤炭学报,2001,265552-556. CHEN Pin g , TANG Xiu yi. Th e r esea r c h o n t h e a d so r pt io n o f n it r o g en in lo w t emper a t u r e a n d mic r o po r e pr o per t ies in c o a l [J]. Jo u r n a l o f Ch in a Co a l So c iet y,2001,265-552-556. [14] 王文峰，徐磊，傅雪海应用分形理论研究煤孔隙结构 EJ1 中国煤田地质,2002,14226-27. WANG Wen f en g ,XU Lei,FU Xu eh a i. St u d y o n po r e t ex t u r e o f c o a l w it h f r a c t a l t h eo r y [J]・ Co a l Geo lo g y o f Ch in a , 2002,14226-27.