不同温度煤样孔隙结构特征分析

安雪梅，王福生，董宪伟

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009)



不同温度煤样孔隙结构特征分析

安雪梅，王福生，董宪伟

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009)

孔隙结构：氧化反应：压汞

不同种类的煤在不同温度下会呈现不同的孔隙结构特征。通过对不同煤样进行压汞试验，可以得出各种煤样的孔隙结构，在低温氧化过程中会遵循着一致的变化规律，即：在长焰煤煤岩体系中，以大孔和中孔为主，对长焰煤煤样的氧化反应贡献最大；气煤煤样中孔和过渡孔在整个氧化反应中变化较大，这2种类型的孔隙对气煤煤样的氧化反应贡献最大；在整个低温氧化过程中，各类型孔隙对1/3焦煤煤样的氧化反应均有所贡献；对肥煤煤样来说，过渡孔和微孔对氧化反应的进行贡献最大；焦煤煤样中过渡孔对氧化反应的贡献最大；贫煤煤样在整个氧化过程中，贡献最大的为过渡孔和微孔。

煤是一种多孔的岩石，煤岩结构中的孔隙在煤体内部的分布纵横交错，纷乱复杂。煤的化学性质决定了煤岩结构的复杂性和不均匀性，这些特性与成煤过程息息相关[1]。不同种类的煤具有不同的结构分布特点，因此，不同温度下煤体氧化结果的外部表现也各不相同。为了直观的展现低温条件下温度对煤体物理结构的影响，分别对在50℃、80℃和110℃温度下氧化后锡林浩特某矿(长焰煤)、东欢坨煤矿(气煤)、黑龙江鹤岗某矿(1/3焦煤)、钱家营矿(肥煤)、唐山矿(焦煤)和山西金星某矿(贫煤)煤样进行压汞试验。

1试验过程

压汞试验采用的仪器是由美国麦克仪器公司生产的AutoPore IV9510型压汞仪。压力设定最大可达410 MPa，孔径分析可达5.5 nm。试验仪器如图1所示。

图1　AutoPoreIV9510型全自动压汞仪

压汞试验前对煤样的处理有如下注意事项：(1)先将待测煤样在恒温干燥箱中进行充分的干燥；(2)为排除水分对试验结果的干扰，将恒温干燥箱进行抽真空处理[1]。

2试验数据分析

煤由很多的孔隙和煤岩基质组成，是一种多孔介质，不同直径的孔隙是随机分布的，在煤体内部它们形成错综复杂的连通网络，因此需要将煤岩孔隙进行分类，分别对不同数量级的孔隙进行讨论，在低温氧化过程中分析不同类别的孔隙的变化和贡献。按照B.B.霍多特对于煤孔隙分布来分类[2]，煤孔隙分布的分类如表1所示。

表1　煤孔隙分布的分类

根据压汞试验将数据进行整理，依据煤孔隙分布分类方法进行计算，在煤岩孔隙结构中可以得到不同孔隙所占的比例。表2～表7为50 ℃、80 ℃、110 ℃温度下，锡林浩特某矿(长焰煤)、东欢坨煤矿(气煤)、黑龙江鹤岗某矿(1/3焦煤)、钱家营矿(肥煤)、唐山矿(焦煤)和山西金星某矿(贫煤)煤样中各类孔占整体孔隙体积的百分比。从概率学的角度，体积百分比可以解释不同变质程度的煤样孔隙结构的发展情况，并解释煤岩孔隙低温氧化过程中随温度的变化情况[3-5]。

表2　长焰煤煤样孔隙体积百分数

从表2中可以看出，长焰煤煤样的煤岩孔隙以大孔为主，中孔次之，这2种类型的孔隙体积占总体积的91.08%，构成了煤岩孔隙的主要部分，可以认为该煤样的煤岩孔隙为毫米级。温度从50～80 ℃，大孔的数量骤减，中孔数量增多，过渡孔和微孔数量也有所增加，在这个过程中仍以大孔和中孔为主，约占总体孔隙体积的84.79%；温度在80～110 ℃，大孔和中孔数量的总和有所下降，约占总体孔隙体积的76.95%，过渡孔和微孔的数量总和有所增加，但在整个煤岩体系中，仍以大孔和中孔为主，对长焰煤煤样的氧化反应贡献最大。

表3　气煤煤样煤岩各类孔隙体积百分数

从表3中可以看出，大孔和中孔在气煤煤样孔隙中是主要的，约占孔隙总体积的60.56%；小孔和微孔的数量在气煤煤样孔隙中较少，约占孔隙总体积的39.44%。当温度在50～80 ℃发生变化时，大孔和中孔的体积百分数总和呈现减少的规律，而小孔和微孔的体积百分数总和表现出先增大；当温度在80～110 ℃发生变化时，大孔和中孔的体积百分数总和增大，相反，小孔和微孔的体积百分数总和呈现减少。孔隙在整个升温过程中其分布规律为：大孔和中孔的数量呈现先减少后增多的趋势，而小孔和微孔的数量呈现先增多后减少的趋势。总之，中孔和过渡孔在整个氧化反应中变化特点较大，可以认为这2种类型的孔隙对气煤煤样的氧化反应贡献最大。

表4　1/3焦煤煤样煤岩各类孔隙体积百分数

从表4中可以看出，1/3焦煤煤样煤岩孔隙分布较为均匀。大孔、过渡孔和微孔数量分布较一致，中孔分布较少。温度在50～80 ℃，大孔和中孔的数量有小幅度的减少，过渡孔和微孔的数量总和呈上升的趋势；温度在80～110 ℃，大孔和中孔的数量总和较在80 ℃时有所增加，但在整个低温氧化过程中变化仍呈下降的趋势。各类型孔隙对1/3焦煤煤样的氧化反应均有所贡献。

表5　肥煤煤样煤岩各类孔隙体积百分数

从表5中可以看出，过渡孔和微孔体积和约为整体孔隙体积的69.54%，在肥煤煤样孔隙中为主，大孔次之，中孔数量最少，孔隙体积主要是纳米级。当温度在50～80 ℃区间时，比较而言，大孔体积有较大幅度减小，过渡孔和微孔体积却有较大程度的增加，中孔体积几乎没有什么改变；当温度在80～110 ℃区间时，大孔体积小幅度减少，而中孔体积增加较多，过渡孔和微孔体积大幅度的减少。可见对肥煤煤样来说，过渡孔和微孔对氧化反应的进行贡献最大。

表6　焦煤煤样煤岩各类孔隙体积百分数

从表6中可以看出，焦煤煤样孔隙以中孔和过渡孔为主，约占整体孔隙体积的71.76%，体积大部分为中间数量级，大孔和微孔的数量较少。当温度在50～80 ℃区间时，中孔体积分数有所增加，而过渡孔的体积分数有所下降，大孔和微孔体积分数变化就非常小；当温度在80～110 ℃之间变化时，中孔的体积分数下降，而过渡孔的体积分数有一定的增加，大孔和微孔均有少量的减少。在整个低温氧化的过程中，除了过渡孔体积分数有所增加外，其他类型的孔隙均呈现下降的趋势，由此可见，焦煤煤样中过渡孔对氧化反应的贡献最大。

表7　贫煤煤样煤岩各类孔隙体积百分数

从表7中可以看出，贫煤煤样煤岩孔隙中过渡孔的体积分数最大，为整体孔隙体积的50.90%，孔隙分布为纳米级，以过渡孔和微孔为主，毫米级的大孔和中孔分布较少。温度在50～80 ℃区间时，大孔和中孔的体积分数和有了较大的增加，由12.83%增加到了35.05%，而过渡孔和微孔的体积和呈明显的减少趋势；温度在80～110℃区间时，大孔和中孔的体积分数总和还是有所增加的，对应过渡孔和微孔的体积总和也有所减少，但在整个氧化过程中，贡献最大的仍为过渡孔和微孔。

3结论

在长焰煤煤岩体系中以大孔和中孔为主，对长焰煤煤样的氧化反应贡献最大。中孔和过渡孔在气煤煤样中氧化反应中变化较大，在气煤煤样中，这2种类型的孔隙所起的氧化反应贡献最大。在整个低温氧化过程中，各类型孔隙对1/3焦煤煤样的氧化反应均有所贡献。对肥煤煤样来说，过渡孔和微孔对氧化反应的贡献最大。焦煤煤样中过渡孔对氧化反应的贡献最大。贫煤煤样在整个氧化过程中，贡献最大的为过渡孔和微孔。

[1]张嬿妮.煤氧化自燃微观特征及其宏观表征研究[D].西安:西安科技大学,2012.

[2]郭品坤.煤与瓦斯突出层裂发展机制研究[D].北京:中国矿业大学,2014.

[3]孟磊.含瓦斯煤体损伤破坏特征及瓦斯运移规律研究[D].北京:中国矿业大学,2013.

[4]王伟民,边秀房,秦敬玉,等. 简单液体径向分布函数的Gauss分解[J].中国科学(E辑), 1999, 29(6):481-486.

[5]戴广龙.煤低温氧化过程中自由基浓度与气体产物[J].煤炭学报,2012, 37(1):122-123.

Analysis of Characteristics of Pore Structure of Coal Samples at Different Temperatures

AN Xue-mei,WANG Fu-sheng,DONG Xian-wei

(College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009, China)

pore structure;oxidation reaction;mercury injection

Different kinds of coal show different pore structure characteristics at different temperatures. By mercury injection experiment of different coal samples, the pore structure of a variety of coal samples can be obtained during the process of oxidation at low temperature, which follows a same change law, namely, in the long flame coal and rock, macropores and mesopores are the main,which contribute more to the long-flame coal oxidation reaction of coal samples. Mesopores and transitional pores have larger changes in the oxidation reaction in gas coal samples, the two types of pores contribute the most to the samples of gas coal during the process of oxidation reaction. For 1/3 coking coal, all kinds of pores make contribution during oxidation reaction at low temperature. For fat coal samples, micropores and transitional pores contribute the most to oxidation reaction. For coking coal samples, transitional pores contribute the most to oxidation reaction. For lean coal, transitional pores and micro pores contribute the most to oxidation reaction.

2095-2716(2015)04-0065-04

TQ533.9

A