巖漿熱事件對煤層變質(zhì)程度和吸附-解吸特性的影響

王 亮,程龍彪,蔡春城,徐 超,王 偉

(1.中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇徐州 221116;3.上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦,江蘇徐州 221600)

巖漿熱事件對煤層變質(zhì)程度和吸附-解吸特性的影響

王 亮1,2,程龍彪1,2,蔡春城3,徐 超1,2,王 偉1,2

(1.中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇徐州 221116;3.上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦,江蘇徐州 221600)

為研究巖漿侵入熱事件對煤層變質(zhì)程度和吸附-解吸特性的作用機制,采用理論分析、實驗室測定和現(xiàn)場驗證的方法,對比分析了淮北礦區(qū)海孜井田巖漿巖侵入?yún)^(qū)和鄰近臨渙井田未受巖漿影響的煤層多元物性參數(shù)變化規(guī)律和孔隙特征,系統(tǒng)研究了采集煤樣的等溫吸附與吸附平衡條件下瓦斯解吸過程,揭示了巖漿巖床下伏煤層瓦斯賦存特征。結(jié)果表明:海孜井田巖漿熱演化作用使煤層變質(zhì)程度顯著增加,煤層揮發(fā)分降低,巖漿巖覆蓋區(qū)域煤層的最大鏡質(zhì)組反射率梯度為0.53%/100 m,遠大于深成變質(zhì)作用。巖漿熱演化區(qū)孔徑0.4～0.7 nm之間的微孔極為發(fā)育,其發(fā)育程度是未受巖漿巖覆蓋區(qū)煤樣的數(shù)倍,且越靠近巖漿巖的煤層,微孔發(fā)育程度越明顯。巖漿熱演化區(qū)內(nèi)煤體的吸附能力增強,吸附瓦斯量增大,煤體的瓦斯放散初速度變大,初期解吸速度快且解吸總量大。由于巖漿巖床對下伏煤層的熱變質(zhì)和封存作用,易造成下伏各煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量增高,煤層的突出危險性增加。

巖漿熱事件;變質(zhì)程度;孔隙結(jié)構(gòu);吸附解吸;瓦斯賦存

巖漿侵入煤層后,受巖漿巖自身大小、產(chǎn)狀以及侵入體和煤層距離遠近的影響,一方面對煤層表現(xiàn)為不同程度的破壞作用,另一方面巖漿提供的高溫、高壓環(huán)境,促進了煤層的熱演化,改變了煤體的變質(zhì)程度、孔隙結(jié)構(gòu)和吸附解吸特征[1-3]。巖漿侵入對煤層的熱力作用往往造成了煤的變質(zhì)程度增加,煤體中的微孔體積增加,比表面積增加,在焦煤至無煙煤階段,瓦斯吸附量快速增加[4-9]。Gurba和Weber[10]、王紅巖等[11-14]在研究巖漿熱演化作用范圍內(nèi)的煤體吸附特性時發(fā)現(xiàn),熱演化區(qū)的煤體較正常區(qū)微孔發(fā)育,吸附能力增加。鐘玲文[15]在測試干燥基煤樣時發(fā)現(xiàn)隨著鏡質(zhì)組反射率的增加吸附瓦斯量增加,煤對瓦斯的吸附能力與孔隙表面積、微孔表面積均呈正相關(guān)關(guān)系。Saghafi等[16]研究發(fā)現(xiàn)隨著巖漿侵入對煤層變質(zhì)程度的改變,瓦斯的吸附能力、瓦斯含量以及瓦斯的擴散率都會相應的增加,侵入體對煤層瓦斯可起到圈閉作用。淮北礦區(qū)巖漿巖發(fā)育[17],80%的礦井存在巖漿侵入煤層現(xiàn)象,其中海孜井田巖漿活動頻繁,對礦井瓦斯賦存起到控制作用,井田內(nèi)發(fā)生的11次煤與瓦斯突出事故均發(fā)生在巖漿巖床下[18]。筆者以海孜井田巖漿巖床下伏煤層和臨渙井田未受巖漿侵蝕影響的煤層為研究對象,采用理論分析、實驗室測定和現(xiàn)場驗證的方法,系統(tǒng)研究了海孜井田巖漿巖熱事件對煤層變質(zhì)程度和吸附解吸特性的影響,進而揭示巖漿巖床下伏煤層瓦斯賦存特征,為該特殊地質(zhì)條件下的煤層瓦斯治理和安全高效開采提供理論依據(jù)。

1 試驗礦井地質(zhì)背景

海孜井田處于宿北斷裂以南,淮北煤田臨渙礦區(qū)的北部。礦井含煤地層為二疊系,其中7,8,9,10煤層為礦井主要可采煤層,均具有煤與瓦斯突出危險性。燕山期早、中期,地殼深部的巖漿沿宿北斷裂上涌并通過大劉家斷層、吳坊斷層和大馬家斷層及其派生斷層向井田侵入,各煤層均受到不同程度的巖漿侵蝕影響。其中侵入5煤層的巖漿巖體以巖床形式覆蓋于主采煤層之上,巖床最大厚度達到170 m,19線以西厚度大于140 m,以東則較小,如圖1所示。

海孜井田深成變質(zhì)作用使得煤層變質(zhì)程度達氣煤或肥煤[1],燕山期巖漿巖的熱演化作用使煤層變質(zhì)程度顯著增加,發(fā)生“二次生烴”現(xiàn)象,生烴量約為340 m3/t,其巖體厚度控制著煤種的分布,隨著巖漿巖床厚度的增大,7煤煤種從焦煤過渡至無煙煤,如圖1所示。

2 煤樣采集與試驗方法

根據(jù)礦井采掘現(xiàn)狀,選用了海孜井田8,9,10煤層和鄰近臨渙井田7,8,9煤層為主要研究對象。海孜井田采集5組煤樣,其中巖漿巖覆蓋區(qū)域4組(圖1)。臨渙井田選擇了與海孜煤樣采集點近似同標高的未受巖漿巖影響的7,8,9煤層各1組煤樣進行對比測試分析。

筆者工業(yè)分析采用5E-MAG6600全自動工業(yè)分析儀進行測定。鏡質(zhì)組反射率及顯微組分測定使用德國(ZEISS)顯微鏡光度計,粒徑小于0.2 mm煤樣用膠黏合后烘干,拋光,油浸,白色反射光。電鏡掃描(SEM)采用日本生產(chǎn)的HITACHIS-3000N進行測定。煤的微孔分布采用低壓CO2吸附法(0℃)進行測定,使用儀器為美國產(chǎn)AUTOSORB-1,實驗結(jié)果分析采用NLDFT(非定域密度函數(shù)理論)分析模型。煤的堅固性系數(shù)測定采用常用的落錘破碎測定法。瓦斯放散初速度測定使用WT-Ⅰ型瓦斯放散初速度測定儀。煤的吸附常數(shù)(a,b值)和吸附試驗采用HCA高壓容量法瓦斯吸附裝置進行測定。解吸試驗采用瓦斯解吸儀進行測定。

3 巖漿熱事件對煤層變質(zhì)程度和孔隙結(jié)構(gòu)的影響

3.1 巖漿熱事件對下伏煤層的變質(zhì)作用

采集煤樣的工業(yè)分析、有機顯微組分及最大鏡質(zhì)組反射率測定結(jié)果見表1(表中HZ代表海孜井田;LH代表臨渙井田),根據(jù)實驗結(jié)果做出海孜和臨渙井田揮發(fā)分和最大鏡質(zhì)組反射率的變化曲線,如圖2所示。

圖1 海孜井田巖漿巖分布特征及7煤煤種分布Fig.1 Magmatic rock distribution and coal rank lines of the No.7 coal seam in the Haizim ine field

表1 煤樣的多元物性參數(shù)測定結(jié)果Table 1 Multip le physical parameters testing results

圖2 海孜和臨渙井田揮發(fā)分和鏡質(zhì)組反射率測定結(jié)果Fig.2 The volatile and maximum vitrinite reflectance testing results of coal samples in the Haizi and Linhuanmine field

由表1和圖2可知,海孜8,9,10煤層在巖漿巖的熱力作用下,揮發(fā)分均比未受巖漿巖影響的臨渙7,8,9煤層的揮發(fā)分小,海孜煤樣的揮發(fā)分基本保持在16%以下,而臨渙煤樣揮發(fā)分都基本保持在20%左右。海孜井田巖漿巖下煤層揮發(fā)分(Vdaf)的變化趨勢約為8.4%/100 m,其影響程度和煤層與巖漿巖的距離呈一定的線性關(guān)系。同時,海孜井田靠近巖漿巖,最大鏡質(zhì)組反射率(Ro,max)有增加的趨勢,巖漿巖覆蓋區(qū)域煤層間的Ro,max梯度為0.53%/100 m,遠大于煤的深成變質(zhì)作用引起的Ro,max梯度(0.1%/100 m)?？梢哉J為海孜井田巖漿巖覆蓋區(qū)域煤層在深成變質(zhì)作用的基礎(chǔ)上疊加了區(qū)域巖漿巖的熱變質(zhì)作用。

此外,由于鏡質(zhì)組主要成分為微孔結(jié)構(gòu),而惰質(zhì)組主要為中孔及大孔結(jié)構(gòu)[19],中等變質(zhì)程度煤層的變質(zhì)程度的持續(xù)增加,使得鏡質(zhì)組含量越來越大,惰質(zhì)組含量開始減少[20]。靠近巖漿巖,煤層變質(zhì)程度增加,微孔發(fā)育,下伏煤層鏡質(zhì)組含量有增加的趨勢,而惰質(zhì)組含量呈現(xiàn)略微減小的趨勢。海孜井田受巖漿巖影響的8,9,10煤層鏡質(zhì)組含量達91%以上,而臨渙井田7, 8,9煤層鏡質(zhì)組含量相對較小,均小于83%(表1)。

3.2 巖漿熱事件對下伏煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響

掃描電鏡結(jié)果如圖3所示,海孜8煤層煤樣有大量反映巖漿熱演化作用的熱解氣孔,氣孔分布密集,且氣孔間相連形成花朵狀氣孔群,熱解氣孔最大直徑約30μm;海孜9煤層煤樣也出現(xiàn)較多的熱解氣孔,但分布密度略小于8煤層,熱解氣孔最大直徑約20μm;巖漿覆蓋區(qū)10(Ⅱ102采區(qū))煤層煤樣出現(xiàn)極少量熱解氣孔,且熱解氣孔最大直徑非常小,約為4μm。臨渙7,8,9煤層掃描電鏡的照片中并未有發(fā)現(xiàn)熱解氣孔,但由于臨渙井田地質(zhì)構(gòu)造復雜,煤體受應力作用發(fā)生破裂,形成棱角清晰的較大碎粒,之后在應力作用下形成平均直徑較小、大小分布均勻、較為圓滑的碎粒。掃描電鏡結(jié)果表明,靠近巖漿巖的煤層由于熱演化作用較強,煤化過程疊加生烴時產(chǎn)生的大量熱解氣孔,且熱解氣孔的直徑大分布密集。

圖3 煤樣電鏡掃描照片F(xiàn)ig.3 Scanningmicroscope photographs of each coalmine

微孔的分布特征直接影響煤體對CH4的吸附能力,筆者采用NLDFT模型對煤樣CO2吸附實驗獲得的微孔(0.35～1.50 nm)孔徑分布特征進行了分析,如圖4所示?？梢钥闯龊Ｗ?、臨渙井田試驗煤樣孔徑為0.4～0.7 nm的微孔發(fā)育,且在0.35～1.50 nm均具有連續(xù)的孔徑分布。海孜煤樣由于受到巖漿巖的熱力作用,0.4～0.7 nm的微孔發(fā)育程度是臨渙煤樣的數(shù)倍,且越靠近巖漿巖的煤層,微孔發(fā)育程度越明顯?；贜LDFT模型對試驗煤樣微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了分析,NLDFT微孔孔容和NLDFT微孔比表面積與巖漿巖關(guān)系如表1和圖5所示。

圖4 基于CO2吸附等溫線的NLDFT模型孔徑分布Fig.4 Pore size distribution based on the NLDFTmodel of CO2adsorption isotherm

圖5 海孜、臨渙井田煤樣孔隙特征參數(shù)變化規(guī)律Fig.5 Pore characteristics parameters variation of coal samples in the Haizi and Linhuanmine field

從表1和圖5可以看出,取自海孜井田巖漿巖下伏煤層煤樣表現(xiàn)出靠近巖漿巖,微孔累積比表面積和累積孔容有增加的趨勢,其中距離巖漿巖最近的8煤(HZ1,距巖漿巖64 m)微孔累積比表面積最大為148.5 m2/g,微孔累積孔容為0.044 27 cm3/g;而距離巖漿巖較遠的10煤HZ4(距巖漿巖156 m)的累積比表面積降至74.45 m2/g,累積孔容也降至0.021 91 cm3/g,整體下將幅度較大。臨渙井田7,8,9煤層煤樣的微孔累積比表面積變化趨勢相對于海孜井田煤層較小,基本表現(xiàn)出與煤體的變質(zhì)程度成正相關(guān)。

4 海孜井田巖漿下伏煤層吸附/解吸特性

煤對瓦斯的吸附特性通常采用等溫吸附試驗得到的Langmuir方程表征[4,7],煤樣測定結(jié)果如圖6(a),(b)所示。煤樣吸附平衡壓力條件下瓦斯解吸量與時間的關(guān)系曲線如圖6(c),(d)所示。

圖6 煤樣吸附解吸實驗結(jié)果分析Fig.6 Variation curves of isothermal adsorption and desorption testing results

可以發(fā)現(xiàn),海孜煤樣呈現(xiàn)靠近巖漿巖,吸附能力有增加的趨勢;臨渙井田各煤層等溫吸附曲線都比較緩慢,極限吸附量也都比較小,如圖6(a),(b)所示。等溫吸附試驗結(jié)果與前文測定的煤體微孔累積比表面積和累積孔容的結(jié)果相符合,表明巖漿巖的熱力作用使得煤中孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,微孔大量增加,為瓦斯的吸附提供了很大的內(nèi)表面積,最終使得煤體的吸附能力增強,吸附瓦斯量增加。

試驗結(jié)果表明(圖6(c),(d)),同一吸附平衡壓力下,海孜井田巖漿覆蓋區(qū)煤樣解吸速度和同一時刻累積解吸瓦斯量遠大于正常區(qū)HZ5煤樣及臨渙井田煤樣。其中HZ1在各個平衡壓力下其解吸速度都是最快的,同一時刻累計解吸瓦斯量也是最大的,而LH3(臨渙9煤)由于該試驗煤樣呈構(gòu)造煤特性,硬度較低,煤體破碎嚴重,同一時刻瓦斯解吸速度和解吸量要大于LH1和LH2?？梢哉J為,靠近巖漿巖,煤體吸附瓦斯量大,初期解吸速度快且解吸瓦斯總量大。

煤樣吸附常數(shù)a和瓦斯放散初速度Δp測定結(jié)果如表1和圖7所示。

圖7 煤的吸附常數(shù)a及瓦斯的最初速度Δp測定結(jié)果Fig.7 Result of coal gas adsorption constants a anda initial speed of gas diffusionΔp

由表1和圖7可以看出,海孜井田巖漿巖影響區(qū)域煤層的極限吸附常數(shù)a值與瓦斯放散初速度Δp均隨著遠離巖漿巖而呈現(xiàn)下降趨勢,其中靠近巖漿巖的HZ1煤樣a值最大為44.59 m3/t,瓦斯放散初速度為Δp為44.45;而未受巖漿巖影響的HZ5和臨渙井田各煤層a值基本都在20 m3/t左右,遠小于受巖漿巖影響的煤層。結(jié)果表明在巖漿巖熱力作用下煤樣的吸附能力增強,解吸初期瓦斯放散能力強。各煤層測得的堅固性系數(shù)f值均在0.5以下,煤體抵抗破壞能力差。

5 海孜井田巖漿巖下煤層瓦斯賦存特點

為了研究海孜井田煤層瓦斯賦存特征,采用地面和井下勘察相結(jié)合的方法分析巖漿巖下煤層瓦斯賦存的變化規(guī)律,如圖8所示。

圖8 海孜地面勘察孔和井下實測瓦斯基本參數(shù)情況Fig.8 Gas parameters in surface prospecting holes and measured in the underground

如圖8(a)所示,靠近巖漿巖,瓦斯中的CH4成分增加,煤層瓦斯含量增大,且CH4和CO2含量均增加,巖床下部7煤(距巖漿巖44 m)CH4含量達8.88 m3/t,之后逐漸遠離巖漿巖的8煤(距巖漿巖約64 m)、9煤(距巖漿巖約70 m)CH4含量仍然保持在較高水平,8,9煤CH4含量分別為8.97 m3/t和12.24 m3/t。礦井生產(chǎn)期間井下煤層瓦斯含量和瓦斯壓力實測結(jié)果顯示(圖8(b)),巖漿巖覆蓋區(qū)域7, 8(9),10煤層的瓦斯壓力梯度呈現(xiàn)遠離巖漿巖逐漸下降的趨勢,中組煤(7,8煤)瓦斯含量遠高于10煤層。

通過上述分析,可以發(fā)現(xiàn)巖漿巖下伏煤層受巖漿巖熱變質(zhì)作用,煤體裂解生烴,造成瓦斯含量(CH4和CO2含量)增加,同時巖漿巖滲透性低,覆在煤層上方的巖漿巖對各煤層生成的瓦斯起到了較好的封存作用,從而造成巖漿巖下伏各煤層的瓦斯含量較高,巖漿的熱變質(zhì)演化作用、推擠作用和圈閉作用往往控制著煤與瓦斯突出危險性[18,21]。

6 結(jié) 論

(1)海孜井田巖漿巖下伏煤層在巖漿熱演化作用下,表現(xiàn)出靠近巖漿巖,煤層揮發(fā)分逐漸降低,鏡質(zhì)組含量增加,最大鏡質(zhì)組反射率增加,巖漿巖覆蓋區(qū)域煤層Ro,max梯度為0.53%/100 m,遠大于深成變質(zhì)作用梯度,表明海孜井田巖漿巖覆蓋區(qū)域煤層演化過程是在深成變質(zhì)作用的基礎(chǔ)上疊加了區(qū)域巖漿巖的熱變質(zhì)作用。同時,靠近巖漿巖,微孔發(fā)育程度越明顯,煤體中熱解氣孔的直徑大且分布密集。

(2)靠近巖漿巖的煤層微孔發(fā)育,增加了微孔的比表面積,為甲烷氣體的吸附提供了很大的內(nèi)表面積,使得煤體的吸附瓦斯能力增強,極限吸附常數(shù)a值增大,吸附瓦斯量增加;同時靠近巖漿巖,煤體的瓦斯放散初速度大,同一時刻累積解吸瓦斯量和解吸速度快且解吸總量大。

(3)巖漿巖床下伏煤層受侵入巖漿的熱變質(zhì)作用,煤體裂解生烴,煤層瓦斯含量增大,且煤層瓦斯中的CH4和CO2含量顯著增加;同時由于巖漿巖滲透性低,以巖蓋形式對下伏煤層瓦斯起到了較好的封存作用,造成下伏各煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量增高,煤層的突出危險性增加。

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Influence of therm al events ofm agm a intrusion on coal seam smetamorphic grade and adsorption and desorption characteristics

WANG Liang1,2,CHENG Long-biao1,2,CAIChun-cheng3,XU Chao1,2,WANGWei1,2

(1.Faculty ofSafety Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.National Engineering Research Center forCoal&Gas Control,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.Kongzhuang Coal Mine ofShanghai Datun Energy Corporation Limited,Xuzhou 221600,China)

In order to research the influence of thermal events ofmagma intrusion on coal seamsmetamorphic grade and adsorption-desorption characteristics,based on theoretical analysis,laboratory testing and field verification,the author compared and analyzed multiple physical parameters testing results and pore characteristics of coal samples collected from the Haizimine field covered bymagmatic rock and the Linhuanmine field withoutmagma intrusion in the Huaibeimining area.The coal samples isothermal adsorption process and gas desorption process under adsorption equilibrium pressure were systematically studied,and gas occurrence characteristics of underlying coal seams were revealed.The results show that themetamorphic grade of coal seam increases significantly in magma thermal evolution area,and the coalmaximum vitrinite reflectance gradient is 0.53%/100 m undermagmatic rock which is far largerthan on the coal originalmetamorphism affected by the burial depth.Microspores between 0.4-0.7 nm in diameter are extremely developed in the thermal evolution areawhich ismore obviouswhen gets closer themagmatic rocks,andmicrospore development degree is several times larger than that in areawithoutmagmatic rock covering.In the thermalevolution area,coal adsorption ability is enhanced,the amount of adsorbed gas and coal gas emission initial velocity are enlarged,and initial desorption speed and desorption amount increase.Under the thermalmetamorphism and sealing effect ofmagmatic rock,gas pressure and gas contentof underlying coal seams become higherwhich increase coal and gas outburst risk.

magma thermal events;metamorphism degree;pore structure;adsorption and desorption;gas occurrence

煤礦科技規(guī)范名詞與廢棄名詞比對(10)

TD712

A

0253-9993(2014)07-1275-08

王 亮,程龍彪,蔡春城,等.巖漿熱事件對煤層變質(zhì)程度和吸附-解吸特性的影響[J].煤炭學報,2014,39(7):1275-1282.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0815

Wang Liang,Cheng Longbiao,Cai Chuncheng,etal.Influence of thermal events ofmagma intrusion on coal seamsmetamorphic grade and adsorption and desorption characteristics[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1275-1282.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0815

2013-07-02 責任編輯:畢永華

國家自然科學基金資助項目(51004106);中國博士后基金資助項目(2012M510145,2014T70561)

王 亮(1982—),男,江蘇東海人,副教授。Tel:0516-83885948,E-mail:liangw1982@126.com