煤層突出傾向與其孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)性研究

沈雪梅

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2.潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治046204）；

煤與瓦斯突出事故是礦井最為嚴(yán)重的事故之一，而有效的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)是防治煤與瓦斯突出的基礎(chǔ)工作之一，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。本文以潞安集團(tuán)余吾煤礦為例，通過(guò)壓汞法測(cè)定該礦井樣品在微觀尺度下，不同孔徑范圍的孔容分布和孔比表面積，結(jié)合宏觀上煤對(duì)瓦斯的吸附和解吸實(shí)驗(yàn)并利用吸附機(jī)理來(lái)分析煤層中瓦斯的賦存和解吸釋放特征，以及在開(kāi)采過(guò)程中瓦斯突出危險(xiǎn)性的分析。研究結(jié)果對(duì)沁水煤田新建礦井的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)具有一定參考價(jià)值。

1 煤樣孔隙分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)分析

孔隙分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)所用煤樣選自潞安集團(tuán)余吾煤礦3＃煤層，并從他處另選一樣品作為對(duì)比試樣。所取煤樣質(zhì)量控制在1.2～1.5g，選取煤樣的煤質(zhì)如表1所示。

表1 煤樣的煤質(zhì)分析

采用壓汞分析法來(lái)測(cè)定樣品的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率，孔隙測(cè)定儀選用美國(guó)麥克馬提克公司生產(chǎn)的9310型壓汞微孔測(cè)定儀，測(cè)試之前先將樣品置于DHG3200型恒溫鼓風(fēng)干燥箱，恒溫90℃干燥12h，而后抽真空后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。由于汞是不浸潤(rùn)流體，采用公式計(jì)算孔徑與進(jìn)汞壓力的關(guān)系：

式中：γ為汞能壓入的孔隙半徑，單位m；б為汞的表面張力，等于0.4716N／m；α為汞對(duì)煤的浸潤(rùn)角，等于142°；P為進(jìn)汞壓力，Pa。

1.1 1＃、2＃煤樣不同孔徑范圍內(nèi)的孔容分布

通過(guò)對(duì)比2塊樣品的進(jìn)汞曲線（見(jiàn)圖1）可知：在相同的進(jìn)汞壓力下，1＃煤樣的累計(jì)進(jìn)汞量明顯高于2＃煤樣，每一孔隙階段前者的孔隙率大約是后者孔隙率的2倍；在退汞過(guò)程中，兩者的退汞率均在50%左右，說(shuō)明進(jìn)汞與退汞不是完全可逆的過(guò)程。綜合分析測(cè)定結(jié)果可知：1＃煤樣的總孔容是2＃煤樣的2倍。

圖1 1＃、2＃煤樣不同孔徑下的進(jìn)泵、退泵曲線

1.2 1＃、2＃煤樣的孔徑分布規(guī)律

通過(guò)分析可知：在不同孔徑的百分比分布規(guī)律上，兩曲線出現(xiàn)交替上升的情形（見(jiàn)圖2），當(dāng)大于100nm孔徑時(shí)，二者百分比幾乎相同；其次，當(dāng)孔徑范圍在1～100nm之間時(shí)，1＃樣品所占百分比居多；最后，當(dāng)孔徑小于1nm直至6nm時(shí)，2＃樣品所占百分比居多。其中，在孔徑小于100nm時(shí)，兩曲線的斜率均突然升高。綜合分析可知：兩者均以小于100nm的微孔隙為主，且由于兩曲線在不同點(diǎn)處的斜率大致是相近，2塊樣品的孔隙分布規(guī)律基本一致。

圖2 1＃、2＃煤樣孔徑分布對(duì)比曲線

1.3 1＃、2＃煤樣孔比表面積分布規(guī)律

通過(guò)分析1＃、2＃煤樣的累計(jì)孔隙內(nèi)表面積隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的對(duì)比曲線可知（見(jiàn)圖3）：孔比表面積與孔隙率的關(guān)系在孔隙分布規(guī)律中成正比，2塊樣品的孔徑分布規(guī)律基本一致。兩曲線在孔徑小于100nm的范圍內(nèi)，一直處于0附近，當(dāng)孔徑達(dá)到50nm時(shí)，孔比表面積開(kāi)始增加，且1＃煤樣的增長(zhǎng)速率始終高于2＃煤樣，1＃煤樣的孔比表面積是2＃煤樣的2倍，可知：1＃煤樣的孔隙率、孔容和孔比表面積均是2＃煤樣的2倍。具體的孔容、孔比表面積在不同孔徑范圍內(nèi)的分布規(guī)律見(jiàn)表2。

圖3 1＃、2＃煤樣不同孔徑的孔比表面積

表2 1＃、2＃煤樣不同孔徑范圍內(nèi)的孔容和孔比表面積

2 煤層孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯突出的關(guān)系

煤中瓦斯的賦存一般是游離態(tài)和吸附態(tài)兩種，在礦井的瓦斯壓力和開(kāi)采深度影響下，吸附瓦斯占瓦斯總量的85%～90%，吸附和游離隨外界條件的變化而變化，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。煤對(duì)瓦斯的吸附作用是物理吸附，吸附模型采用國(guó)際上通用的廣泛被認(rèn)可的Langmuir單分子層吸附模型，即單位質(zhì)量的煤孔比表面積越大，吸附性越強(qiáng)。由于氣體分子的間距較大。因此，只要孔徑大于吸附氣體的分子直徑，瓦斯分子就可以被吸附到此孔隙中，CH4分子的直徑大約是3nm，因此在用壓汞法測(cè)定的孔隙范圍內(nèi)，瓦斯分子均可被吸附至測(cè)量孔隙中。

余吾礦井3＃煤層距地面的距離為600m，地應(yīng)力達(dá)到15MPa，賦存瓦斯壓力是0.86MPa，在較高的瓦斯壓力下，吸附量隨瓦斯壓力的變化范圍不大，按實(shí)驗(yàn)室所得數(shù)值進(jìn)行分析：余吾礦井的瓦斯涌出量是對(duì)比試樣的2倍，而實(shí)測(cè)結(jié)果是未進(jìn)行有效瓦斯抽放的前提下，在開(kāi)采過(guò)程中余吾礦井的相對(duì)瓦斯涌出量是20m3／t，對(duì)比礦井的相對(duì)瓦斯涌出量是11m3／t，瓦斯涌出量比值接近2，所以，用孔隙結(jié)構(gòu)來(lái)分析瓦斯突出是科學(xué)的，結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)典型煤樣的孔隙構(gòu)造分布規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)煤層的突出危險(xiǎn)性，有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）取樣方便，在礦井勘探取樣的過(guò)程中，采用取下的煤芯，就可以進(jìn)行孔隙測(cè)定，通過(guò)孔隙分布規(guī)律預(yù)測(cè)此煤層的突出危險(xiǎn)性。

2）測(cè)定結(jié)果較準(zhǔn)確，只要保證取樣典型，就可以保證測(cè)定結(jié)果的科學(xué)性和可采用性。

3）預(yù)測(cè)性強(qiáng)，在礦井開(kāi)采之前，預(yù)測(cè)其突出危險(xiǎn)性，給日后礦井生產(chǎn)方式的選擇提供一定的參考。

余吾煤礦3＃煤層孔容和孔比表面積大約是對(duì)比煤層的2倍，瓦斯的賦存量和瞬時(shí)解吸量也是此比值，而礦井實(shí)測(cè)結(jié)果的相對(duì)瓦斯涌出量比值也大約是2，細(xì)觀孔隙規(guī)律的研究與實(shí)際瓦斯涌出值基本相同。用此方法可以對(duì)沁水煤田其它新建或規(guī)劃礦井的煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)提供一定的參考。