煤层突出倾向与其孔隙结构的相关性研究

煤层突出倾向与其孔隙结构的相关性研究摘要：为了预测矿井的煤与瓦斯突出危险性，以沁水煤田的两高瓦斯矿井为例，通过压汞法测量典型煤样的微观孔隙结构、孔容和孔比表面积在一定孔径范围内的分布规律，结合瓦斯的赋存、吸附和解吸释放机理来分析预测矿井的瓦斯突出危险性。实验结果表明，两种煤样在测量尺度范围内的孔径分布规律基本相同，不同孔径的孔隙占孔隙总量的百分比基本一致，1#煤样的孔容和孔比表面积是2#煤样的2倍，而且小于10nm的微孔的孔比表面积分别占总面积的73%和63%。根据矿井的实测数据，开采过程中余吾矿的相对瓦斯涌出量是对比矿井的2倍，证实孔隙结构预测突出危险性的科学性。结论对预测沁水煤田新建矿井的煤与瓦斯突出危险性具有一定的参考价值。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（2012）；国家自然科学基金项目（51104193）。作者简介：翟雷（1983-），男，陕西咸阳人，助理工程师，在读工程硕士研究生，主要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，主要从事煤层气开采和瓦斯综合利用等方面的教学和研究工作。CORRELATIONSTUDYBETWEENCOALSEAMOUTBURSTTENDENCYANDPOROUSSTRUCTUREZHAILei,YANKai,ZHAODong(1,CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,030024;2,YuwuMiningLimitedCompanyofShanxiLu’anGroup;3,ChongqinInstituteofChineseCoalTechnologyGroup)Abstract:Inordertoforecastthefatalnessofcoalandmethaneoutburstinmine,microcosmicporousstructuresoftypicalcoalsampleshavebeenmeasuredthroughHg-injectionmethods.CoalsamplesbroughtfromtwoHighmethanemininginQin-shuiCoalfield.Atdefiniteporousscales,distributionlawsofporousvolumesandspecificsurfaceareashavebeenstudied.Combinedwithexistence,absorptionanddesorptionoutburstmechanism,fatalnessofmethaneoutbursthasbeenforecastedofmining.Theexperimentalconclusionsshowedthat:thereareessentialidenticalinporousdistributionlawofmeasuredscale-sizedrangesbetweentwocoalsamplesandpercentageofdefinitedifferentporousdiameterrangesintotalporousvolumes.Porousvolumesandspecificsurfaceareasof1#coalsampleweretwiceof2#sample,porousdiameterwhichlessthan10nmwereseparately73%and63%intotal.InbasisofpracticaldatuminminingexploitationthatrelativemethanegushingvolumesofAmineweretwiceofBmine,themethodstoforecastthefatalnessofcoalandmethaneoutburstwasscientific.TherewerereferencevaluesforforecastingthefatalnessofcoalandmethaneoutburstofnewconstructionmininginQin-shuicoalfield.Keywords:Miningengineering;Coalandmethaneoutburst;Porousstructure;Porousspecificsurfaceareas;Microcosmicstudy1引言煤与瓦斯突出事故是矿井最为严重的事故之一，是指瓦斯和煤在极短时间内向巷道和工作面涌出的非常复杂的动力学过程，其发生机理和预测方法是国内外诸多学者研究的重点。[1]之前针对煤与瓦斯突出预测的研究，有瓦斯含量法、多尺度法和地球物理方法等[2-8]，它们都对此类事故的发生提供了一定程度的预测，并且在一定范围内指导了矿井的安全生产。但矿井因地质构造、开采深度、开采方式和产量的不同而差别各异，因此不是任何一种方法都适用于所有矿井，而且以上方法都没有从细观和微观的角度来分析瓦斯突出的本质及其诱发因素。本文以沁水煤田东南部的高瓦斯矿井——潞安集团余吾煤矿为例，通过压汞法测定该矿井样品在微观尺度下，不同孔径范围的孔容分布和孔比表面积，结合宏观上煤对瓦斯的吸附和解吸实验并利用吸附机理来分析煤层中瓦斯的赋存和解吸释放特征，以及在开采过程中瓦斯突出危险性的分析。研究结果对沁水煤田新建矿井的煤与瓦斯突出危险性的预测具有一定的参考价值。2实验研究2.1样品的选取与制备实验用煤样选自潞安集团余吾煤矿3#煤层，余吾矿年产量6Mt，并从他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，保证样品包含所有孔径范围内具有吸附效应的孔隙，外观均匀无明显的裂隙构造，选取煤样的煤质如下表所示：2.2孔隙分布测定实验采用国内外通用的压汞分析法，来测定样品的孔隙结构和孔隙率[9]，孔隙测定仪选用美国MICROMERITICSINSTRUMENT公司生产的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，测定下限的孔隙直径：6nm，经分析天平称得1#样品的质量：1.1207g，2#样品的质量：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，而后抽真空后开始实验。由于汞是不浸润流体，参照文献[10-13]，采用公式(1)计算孔径与进汞压力的关系：prcos2（1）r：汞能压入的孔隙半径，单位m；：汞的表面张力，等于0.4716N/m；：汞对煤的浸润角，等于142。；p：进汞压力。2.2.11#、2#煤样不同孔径范围内的孔容分布图1是1#、2#煤样累计进汞量、退汞量与进入孔隙孔径的曲线。对比两块样品的进汞曲线，可以看出在相同的进汞压力测试下，1#煤样的累计进汞量明显高于2#煤样，对于每一孔隙阶段，前者的孔隙率大约是后者的2倍；对比两块样品的退汞曲线，可以看出退汞率均在50%左右，由于退汞中，汞进入样品的孔径顺序与进汞相反，因此，一部分压入微孔中的汞不能正常出来，从而说明进汞与退汞不是完全可逆的过程。综合测定结果得出，1#煤样的总孔容是2#煤样的2倍。2.2.21#、2#煤样的孔径分布规律图2是1#、2#煤样的累计孔隙容积占孔隙总容积百分比的对比曲线，在不同孔径的百分比分布规律上，两曲线出现交替上升的情形，在大于100mm的孔径时，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；而后，表1煤样的煤质分析Table.1Coalqualityanalysisofcoalsamples地点编号挥发份%水份%灰分%余吾3#煤层1#155.015.48对比试样2#83.224.6800.010.020.030.040.0010.1101000孔径mm累积孔容ml/g1#煤样进汞曲线1#煤样退汞曲线2#煤样进汞曲线2#煤样退汞曲线图11#、2#煤样不同孔径下的进汞、退汞曲线Fig.1Hg-injectionandHg-ejectioncurvesof1#&2#coalsamplesatdifferentporesizes0204060801000.0010.1101000孔径mm累积百分比%1#煤样孔径分布2#煤样孔径分布图21#、2#煤样孔径分布对比曲线Fig.2comparisoncurvesof1#&2#coalsamplesatporesizesdistribution孔径小于1mm直至6nm时，2#样品所占百分比居多。但是在孔径小于100nm时，两曲线的斜率均突然升高，直到测定至最小的孔径，此孔径范围内的孔隙均占二者各自孔隙总量的40%，说明两块样品均是以小于100nm的微孔隙为主。多数情况下，两曲线在不同点处的斜率大致是相近的，说明两块样品的孔隙分布规律基本一致，只是在个别孔径处有所区别。2.2.31#、2#煤样孔比表面积分布规律图3是1#、2#煤样的累计孔隙内表面积随实验进行时的对比曲线，两曲线的共同点是在孔径小于100nm的范围内，一直处于0附近，而在孔径50nm时，孔比表面积开始增加，此后的过程中，1#煤样的增长速率始终高于2#煤样，而在10nm附近时，均出现孔比表面积的瞬时下降，这可能是由于测量过程中的瞬时微量退汞造成的误差。测量数据显示，1#煤样的孔比表面积是2#煤样的2倍，因此，孔比表面积与孔隙率的关系，在实验所测样品的孔隙分布规律中是成正比的，说明两块样品的孔径分布规律基本一致。结果说明，1#煤样的孔隙率、孔容和孔比表面积均是2#煤样的2倍。具体的孔容、孔比表面积在不同孔径范围内的分布规律如表2所示。3煤层孔隙结构与瓦斯突出的关系3.1煤中瓦斯的赋存机理煤中瓦斯的赋存一般是游离态和吸附态两种，在两矿井的瓦斯压力和开采深度下，吸附瓦斯占瓦斯总量的85~90%，吸附和游离随外界条件的变化而变化，是一个动态平衡的过程。煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，吸附模型采用国际上通用的广泛被认可的Langmuir单分子层吸附模型，即单位质量的煤孔比表面积越大元，吸附性越强。[11-13]由于气体分子的间距较大，因此只要孔径大于吸附气体的分子直径，瓦斯分子就可以被吸附到此孔隙中，CH4分子的直径大约是3nm，因此在用压汞法测定的孔隙范围内，瓦斯分子均可以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的发生机理正是之前提到的瞬时解吸效应，由于实际煤层中的瓦斯压力与地应力的突然释放，导致气体快速大量解吸，在同等条件下的应力释放，瞬时解吸量占总赋存量的比值一致，因此可以说明瓦斯赋存越多，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#煤层距地面的距离是600m，地应力达到15MPa，赋存瓦斯压力是0.86MPa，在较高的瓦斯压力下，吸附量随瓦斯压力的变化范围不大，因此可以按之前的数值进行分析。由孔隙结构的分析可知余吾矿井的瓦斯涌出量是对比试样的2倍，而实测结果是未进行有效瓦斯抽放的前提下，在开采过程中余吾矿井的相对瓦斯涌出量是20m3/t，对比矿井的相对瓦斯涌出量是11m3/t，瓦斯涌出量比值接近2，因此用孔隙结构来分析瓦斯突出是科学的，结果与实测结果较为接近。余吾矿井一直按突出矿井的要求来管理，生产开始从未发生煤与瓦斯突出事故，现在采用开采前进行煤层钻孔的方式来预抽瓦斯，防止生产过程中瓦斯涌出量过大，在进行有效抽放过程中，瓦斯抽放率达到56.2%。4结果讨论通过典型煤样的孔隙构造分布规律来预测煤层的突出危险性，有如下优点：(1)取样方便，在矿井勘探取样的过程中，采用取下的煤芯，就可以进行表21#、2#煤样不同孔径范围内的孔容和孔比表面积[12]Table.2porevolumesandspecificsurfaceareasof1#&2#coalsamplesatdifferentran