火成巖侵入條件下煤體微觀結(jié)構(gòu)變化研究

唐 輝

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

煤炭自燃是在物理、化學(xué)以及周圍環(huán)境綜合影響下的過程[1]。煤從微觀角度來說，煤有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)、活化能、煤氧反應(yīng)熱等方面對煤氧符合、低溫氧化等都有影響，但影響其動力學(xué)參數(shù)的根本原因是煤孔隙變化和煤本身分子結(jié)構(gòu)的變化[2]。因此研究煤的孔隙率和煤微觀結(jié)構(gòu)變化對研究煤低溫氧化具有重要的指導(dǎo)意義。

鐵法煤田屬于火成巖侵入影響較大的煤田，目前國內(nèi)外關(guān)于火成巖侵入對煤體氧化影響的系統(tǒng)性研究較少[3]，但仍取得了一定的研究成果。如火成巖的高溫會在侵入煤體時(shí)對煤產(chǎn)生變質(zhì)作用，且變質(zhì)程度呈近高遠(yuǎn)低的趨勢[4]；煤的水分和揮發(fā)分也遵從這一趨勢，而灰分則正好相反[5]；從自然發(fā)火機(jī)理上來說，部分學(xué)者認(rèn)為火成巖的侵入造成煤的變質(zhì)程度增大，直接造成煤的自燃傾向性變低，煤的自然發(fā)火概率大大降低[6]。因而，鐵法煤田大型火成巖的侵入在特定的條件下阻止了煤氧復(fù)合，有利于抑制煤的自然發(fā)火。但另一方面由于大型火成巖的侵入使煤炭中的孔隙率變大，煤氧復(fù)合后煤容易自然發(fā)火[7]，由于煤自然發(fā)火是一個復(fù)雜的多元素作用條件下的過程，因此需要從多角度、多種因素條件下去判別對煤自然發(fā)火的影響[8]。為此，通過對火成巖侵入下煤孔隙率變化研究，結(jié)合煤氧復(fù)合理論，得出火成巖侵入后對煤自然發(fā)火的影響[9-11]，為解決火成巖侵入條件下煤自然發(fā)火提供技術(shù)支撐。

1 微觀結(jié)構(gòu)分析

1.1 實(shí)驗(yàn)部分

按照GB/T 482—2008 煤層煤樣采取方法中的相關(guān)要求, 選取鐵法礦區(qū)某礦南五902 工作面原煤樣和火成巖侵入后的變質(zhì)煤樣作為試驗(yàn)樣品。為防止火成巖侵入后的煤樣受到氧化，在取樣的過程中將受到氧化部分煤樣去除，然后用煤巖罐或者密封袋對煤樣進(jìn)行密封，并且從取樣到送入實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間未超過12 h[12]。借助KYKY-2800B 型掃描電子顯微鏡分析研究原始煤樣和火成巖侵入后的煤樣的微觀結(jié)構(gòu)變化以及火成巖侵入后對煤樣的孔隙造成的影響。首先對火成巖侵入前后煤樣進(jìn)行處理，然后放入離子濺射儀進(jìn)行噴鍍5 min，分別制作原始煤樣和侵入煤樣各2 組。放入KYKY-2800B 型掃描電子顯微鏡試驗(yàn)臺中，通過調(diào)節(jié)電子掃描鏡的物鏡，找到最清晰的微觀結(jié)構(gòu)圖像，并進(jìn)行保存。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正常煤和變質(zhì)煤的掃描電鏡圖如圖1。由圖1可以看出，未受火成巖影響的煤樣表面比較平滑而致密，孔隙也較小，有較小的中孔和小孔，沒有明顯的宏觀孔隙；而火成巖侵入后的煤樣表面疏松，并且孔之間出現(xiàn)較大的孔隙，出現(xiàn)明顯的鑲嵌結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)大量的熱解氣孔，這是由于受到火成巖的侵入影響，煤在形成過程中受到巖漿熱液的作用，煤中的有機(jī)物質(zhì)在火成巖的影響情況下發(fā)生了物理作用，部分有機(jī)質(zhì)揮發(fā)出煤體，該物理作用促進(jìn)了煤體中各種孔隙結(jié)構(gòu)的變化，在煤體的表面由于熱解的作用形成鑲嵌狀態(tài)的中、大孔的均勻分布[13]。

圖1 正常煤和變質(zhì)煤的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron microscope of normal and metamorphic coal

2 孔隙結(jié)構(gòu)分析-比表面積測試

煤的孔隙分類一般采用目前國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）對孔的劃分標(biāo)準(zhǔn)：微孔一般的界定范圍為＜2 nm、中孔的界定范圍一般在2～50 nm、宏觀孔的界定范圍一般＞50 nm[14-15]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用ASAP2000M 型比表面積分析儀對所研究煤樣的微孔和介孔進(jìn)行測試和分析。正常煤樣和變質(zhì)煤樣微孔分布圖如圖2。

圖2 正常煤樣和變質(zhì)煤樣微孔分布圖Fig.2 Micropores distribution of normal and metamorphic coal

由圖2 可以看出，火成巖侵入前后2 個煤樣微孔孔徑分布出現(xiàn)多個不同的峰值，峰值主要分布在0.5～1.2 nm 的區(qū)間范圍內(nèi)，并且正常煤樣的微孔分布曲線均高于侵入后的煤樣，說明正常煤樣中微孔分布較大。

正常煤樣和變質(zhì)煤樣介孔分布圖如圖3。由于火成巖的侵入，造成了變質(zhì)煤樣孔徑＞25 nm 的孔徑明顯比正常煤樣高，正常煤樣中＜25 nm 的介質(zhì)分布明顯比變質(zhì)煤巖要高。

圖3 正常煤樣和變質(zhì)煤樣介孔分布圖Fig.3 Mesopores distribution of normal and metamorphic coal

由此得出，由于大型火成巖的侵入，導(dǎo)致部分變質(zhì)的區(qū)域，該區(qū)域受到巖漿的熱動力影響導(dǎo)致煤樣發(fā)生變質(zhì)，煤中的水分、有機(jī)質(zhì)在高壓高溫的影響條件下發(fā)生了揮發(fā)和熱解導(dǎo)致煤樣中裂解出眾多熱解孔，同時(shí)高壓高溫條件使煤體原始的小孔出現(xiàn)了形狀變化，部分孔連接到一起，出現(xiàn)大面積的大孔。該現(xiàn)象導(dǎo)致煤氧符合的幾率大大增加，并且造成了煤的自燃傾向性增大，增加了煤的自然發(fā)火可能性。

實(shí)驗(yàn)對正常煤和火成巖侵入后的煤樣比表面積以及微孔進(jìn)行了測定，各吸收峰對應(yīng)的官能團(tuán)見表1。

表1 各吸收峰對應(yīng)的官能團(tuán)Table 1 The functional groups corresponding to each absorption peak

由表1 可知，正常煤樣的比表面積為24.5 m2/g，而火成巖侵入后的煤樣比表面積為4.78 m2/g。從對孔容的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論，變質(zhì)煤樣中微孔和介孔要小于未受到火成巖侵入條件下的煤樣，正常煤樣中的平均孔徑較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于火成巖侵入條件下的煤樣，鐵法煤田大型火成巖侵入造成了部分變質(zhì)區(qū)域中巖漿對煤的熱解產(chǎn)生較大的影響，煤體中的小孔和微孔明顯變小，變質(zhì)煤的微觀結(jié)構(gòu)造成重大的改變，大孔明顯的變多，部分孔連接一起，大面積的大孔造成煤樣復(fù)合的能力變大，并且變質(zhì)煤中部分孔隙率增大造成部分煤體中孔數(shù)量增大，增大了煤自然發(fā)火的可能性。

3 孔隙結(jié)構(gòu)分析-壓汞測試

不同于IUPAC 對煤的孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)，為更好對介孔與宏觀孔進(jìn)行對比分析，部分實(shí)驗(yàn)將微孔與介孔合并形成更適用的劃分標(biāo)準(zhǔn)：＜50 nm 的孔界定為介孔，＞50 nm 的孔界定為宏觀孔。

選取美國麥克公司生產(chǎn)的9510 型壓汞儀對所研究煤樣的介孔和宏觀孔進(jìn)行測試和分析。不同壓力下正常煤和變質(zhì)煤的累計(jì)進(jìn)汞體積測試曲線如圖4。

圖4 不同壓力下正常煤和變質(zhì)煤的累計(jì)進(jìn)汞體積測試曲線Fig.4 Test curves of cumulative mercury intake volume of normal coal and metamorphic coal under different pressures

由圖4 可以看出，當(dāng)具備一定壓力時(shí)，火成巖侵入后的煤樣的進(jìn)汞量明顯高于正常煤樣，說明火成巖的侵入促進(jìn)了煤體的孔隙發(fā)育，孔徑擴(kuò)大。進(jìn)汞量的差量隨著壓力增加而呈降低的趨勢，直到壓力達(dá)到峰值，火成巖侵入后的煤樣的進(jìn)汞量始終大于正常煤樣的進(jìn)汞量，從累計(jì)進(jìn)汞量的高低可以推斷火成巖侵入前后2 個煤樣中孔隙的總孔容的大小。由此可以推斷，火成巖侵入促使煤體鄰近區(qū)域的總孔容增加，孔徑增大，增大了煤自然發(fā)火的可能性。

實(shí)驗(yàn)測定的正常煤和變質(zhì)煤的比表面積及孔容見表2。

表2 正常煤和變質(zhì)煤的比表面積及孔容Table 2 The pore surface area and volume of normal and metamorphic coal

由表2 可知，正常煤樣的介孔比表面積為19.5 m2/g，而宏觀孔的比表面積僅為0.245 m2/g，說明作為多孔隙介質(zhì)，煤體孔隙主要以介孔為主，宏觀孔占比極少；火成巖侵入后的煤樣介孔比表面積降低為14.1 m2/g，而宏觀孔的比表面積上升為0.837，結(jié)合火成巖侵入前后孔容變化：介孔孔容由22.4 m2/g 下降到19.8 m2/g，而宏觀孔孔容由4.03 m2/g 上升到11.1 m2/g，說明火成巖侵入促使煤中介孔向宏觀孔轉(zhuǎn)變，主要占比的介孔受火成巖的接觸變質(zhì)作用，發(fā)生連通向大孔轉(zhuǎn)變，造成侵入后變質(zhì)煤的比表面積降低。綜上可知，鐵法煤田大型火成巖侵入明顯改變了煤體的孔隙結(jié)構(gòu)和自燃特性，大面積的大孔造成煤樣復(fù)合的能力變大，增大了煤自然發(fā)火的可能性。

4 結(jié) 論

1）火成巖對煤體微觀結(jié)構(gòu)影響較大，由于受到火成巖的侵入影響，煤在形成過程中受到巖漿熱液的作用，煤中的有機(jī)物質(zhì)在火成巖的影響情況下發(fā)生了熱解、揮發(fā)，導(dǎo)致火成巖侵入前的煤樣微孔較多，少有大孔，而侵入后的煤樣表面疏松，出現(xiàn)較大的孔隙。

2）大型火成巖侵入條件下部分變質(zhì)的煤體由于受到巖漿的熱動力影響導(dǎo)致煤樣發(fā)生變質(zhì)，煤中的水分、有機(jī)質(zhì)在高壓高溫的影響條件下發(fā)生了揮發(fā)和熱解導(dǎo)致煤樣大孔明顯的變多，大面積的大孔造成煤樣復(fù)合的能力變大，并且變質(zhì)煤中部分孔隙率增大造成部分煤體中孔數(shù)增多，從而導(dǎo)致煤氧復(fù)合的幾率大大增加，增加了煤的自然發(fā)火可能性。

3）火成巖侵入促使煤體鄰近區(qū)域的總孔容增加，孔徑增大，增大了煤自然發(fā)火的可能性。煤體孔隙主要以微孔和介孔為主，宏觀孔占比極少，受火成巖侵入影響，微孔和介孔連通向大孔轉(zhuǎn)變，造成比表面積降低的同時(shí)，增大了煤自然發(fā)火的可能性。

4）火成巖侵入對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響較大，造成煤氧復(fù)合能力增大，煤的自然發(fā)火規(guī)律難以掌握，需要加大火成巖侵入條件下煤自然發(fā)火預(yù)報(bào)預(yù)測手段，宜采用提前注阻化劑，開采過程中采空區(qū)注漿、注氮等綜合防滅火技術(shù)，有效抑制煤炭自燃。