动力变质作用对煤孔隙结构及瓦斯含量的影响

李建楼

1.宿州学院 资源与土木工程学院，安徽宿州，234000；

2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州，234000



动力变质作用对煤孔隙结构及瓦斯含量的影响

李建楼1,2

1.宿州学院 资源与土木工程学院，安徽宿州，234000；

2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州，234000

摘要：利用低温氮吸附实验方法研究了任楼井田各主采煤层煤的孔隙结构特征，结合矿井地质资料，讨论了动力变质作用对煤的比表面积和瓦斯含量的影响。测试结果表明：72煤层的比表面积明显比其他煤层大，氢含量明显比其他煤层低。现场揭露的地质资料表明，72煤层内普遍发育出褶皱和层滑构造，构造煤破碎程度明显高于其他煤层，导致该煤层动力变质作用明显。另外，钻孔地质资料表明，72煤层的瓦斯含量明显高于其他煤层。因此，72煤的变质程度偏高、孔隙比表面积偏大是中生代以来构造运动引起的动力变质作用的结果。

关键词：煤；瓦斯含量；比表面积；动力变质

煤的孔隙特征是表征煤储层物性的重要参数，煤的总孔容主要分布在微孔段[1-2]。微孔构成煤的主要吸附空间，具有很大的比表面积。煤比表面积大,则吸附瓦斯的能力强[3]。

根据低温氮吸附-解吸曲线特征，煤中的孔隙可以分为三类：第一类能产生吸附回线，这类孔隙称为开放性孔隙；第二类不能够产生吸附回线，这类孔隙称为一端封闭型孔隙；第三类是特殊的孔隙，它能够产生吸附回线，在解吸曲线的某个位置有一个明显的陡降点，这类孔隙称为墨水瓶状[4]。

煤岩的孔隙特征与煤级相关。在低变质阶段，总孔容和比表面积随煤化程度提高而逐渐降低；而在中等到高变质阶段，总孔容和比表面积逐渐增大[5-6]。

煤岩孔比表面积不仅与煤级有关，而且与煤岩变形程度关系密切。煤是一种软岩，在外界应力——应变环境作用下可以形成具有不同结构特征的、不同类型的构造煤[7]。随着煤岩变形强度的增大，比表面积增大，不能仅用变质作用来表征煤岩的比表面积乃至吸附能力的大小[8]。构造煤的吸附能力显著强于相同煤级原生结构煤的吸附能力，原因在于构造煤的吸附孔孔容和相应的孔比表面积显著提高[9]。文献表明，随构造变形程度的加大，微孔数量会增加，比表面积也会增大[10-12]。另外，在构造应力作用下，还产生不同程度的动力变质作用，引起煤岩化学结构的变化[13]。

本文利用低温氮吸附法研究了淮北煤田任楼井田主采煤层构造煤的孔隙发育特征，结合构造煤的破碎程度、煤变质程度和相应的瓦斯含量资料，探讨了中生代以来构造运动产生的动力变质作用对孔隙结构和煤层瓦斯含量的影响，研究结果对煤矿瓦斯地质灾害防治具有一定的参考价值。

1试验装置、样品和分析原理

1.1试验装置

试验装置采用美国麦克公司的Gemini VII 2390 全自动快速比表面积和孔隙分析仪。该试验系统主体包括注气系统、抽真空系统、制冷系统、测试系统和分析系统；附件包括加热脱水(气)预处理系统、电子天平等，如图1。

图1　吸附-解吸试验装置

1.2试验样品

煤样品取自淮北煤田临涣矿区任楼井田主采煤层51、72、82煤层和可采煤层52、73煤层，均处于二叠系下统下石盒子组(P1xs)。

试验选用的煤样粒径范围为0.160～0.315 mm，干燥箱内隔绝空气，100℃加热脱去煤中的水分。

1.3比表面积分析原理

采用容量法，以氮气为吸附介质，在液氮温度(77K)下，N2分子进入待测样品中，在低压(0.05～0.35 P0)时，先进行单层吸附，然后产生多层吸附。由于煤的表面存在静电场，气体的分子与煤表面的分子靠近时，气体分子会和煤的分子之间产生较强的引力，从而被吸附到煤孔隙表面。随着压力的升高，微孔先被填充，接着是较大孔隙，最后完成孔隙的填充，可视为在孔壁上一层又一层筑膜的过程[14]。当温度变化时，吸附量随相对压力p/p0而变化。根据得到的吸附等温线，即可求得比表面积。

2测试结果

5个煤层的煤样低温氮吸附-解吸曲线如图2。

图2　不同煤样的低温氮吸附-解吸曲线

由图2可知，在相同的吸附压力条件下，72煤的N2吸附量明显比其他煤层大，52煤次之，82、73和51煤的N2吸附量均较小。从吸附-解吸回线的形状推测，72煤的解吸回线上存在一明显的陡降点。

5个煤层煤样的BET比表面积如表1。

表1　煤的低温N2吸附试验数据

由表1可知，72煤的比表面积明显比其他煤层大，52煤次之，82、73和51煤的比表面积均较小。

3分析与讨论

井下实地考察发现，72、73和82三个煤层均遭受不同程度地质作用的破坏，其中72煤层经历构造运动的改造最为明显，在断层带附近煤体结构破坏更为严重。井下揭露的72煤层塑性流变层滑构造如图3。

图3　7222工作面层滑构造素描图

从各主(可)采煤层宏观煤岩组成来看，暗煤居多，亮煤较少。其中，51、52煤为黑褐色，光泽暗淡，多为碎块状；72煤为黑色，光泽暗淡，煤质松软，破碎呈鳞片状、粉末状，层理结构不清楚；73煤和82煤破坏程度居中。

产生上述各煤层宏观及微观结构差异的机理是，煤层在印支期、燕山期构造演化过程中，很容易产生变形，产生不同程度的破坏或塑性流变，改变了煤体结构。煤层结构破坏程度越高，总孔容和比表面积就会越大，煤内瓦斯含量可能就越高，瓦斯涌出速度可能就越大。

经查地质报告，煤岩鉴定结果如表2。

表2　煤岩有机显微组分指标

从表2可以看出，72煤中的稳定组分明显比73煤减少，凝胶组分明显增加。分析认为，因为72煤的层滑构造发育程度高，构造应力作用于该煤层后产生大量的摩擦热[15]，使部分稳定组分向凝胶组分演化，导致其稳定组分减少，凝胶组分增加；凝胶组分的增加,能够提高瓦斯的吸附能力[16]。

各可采煤层的元素分析如表3。

从表3可看出，72煤的Hdaf平均值为5.43%，明显小于其他煤层；其氢碳质量比H/C和氧碳质量比O/C的值明显比其他煤层偏低，也说明72煤的变质程度高于其他煤层。

表3　煤岩有机元素指标

根据钻孔3916孔资料，51煤瓦斯含量为2.64 mL·g-1，72煤为10.30 mL·g-1，73煤为5.64 mL·g-1，82煤为5.64 mL·g-1。由此可知，72煤的瓦斯含量明显高于其他煤层。煤层瓦斯含量决定于瓦斯的生成量和保存条件，72煤和73煤在三叠纪以前的瓦斯生成和保存条件基本相同，后期经历了印支期和燕山期构造运动的改造，72煤改造尤为强烈，动力变质作用造成该煤层瓦斯的局部富集。

4结 语

构造运动对煤产生动力变质作用，一方面改造了宏观煤体结构和微观孔隙结构，使煤的比表面积增大；另一方面也改造了煤的化学结构，促进了瓦斯的生成，增加了瓦斯的吸附势，从而提高了瓦斯的吸附能力，增加了煤层瓦斯含量。对于受构造运动改造后变形较大的煤层，应加强煤体结构探测和瓦斯抽采工作，防止生产过程中煤与瓦斯涌出等瓦斯灾害的发生。

参考文献：

[1]张占存．煤的吸附特征及煤中孔隙的分布规律[J]．煤矿安全，2006，37(9)：1-3

[2]许浩，张尚虎，冷雪，等．沁水盆地煤储层孔隙系统模型与物性分析[J]．科学通报，2005，50(S1)：45-50

[3]王明寿，汤达桢，张尚虎．煤储层孔隙研究现状及其意义[J]．中国煤层气，2004(2)：9-11

[4]陈萍，唐修义．低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究[J]．煤炭学报，2001，26(5)：552-556

[5]唐书恒，蔡超，朱宝存，等．煤变质程度对煤储层物性的控制作用[J]．天然气工业，2008，28(12)：30-33,53

[6]李子文，林柏泉，郝志勇，等．煤体孔径分布特征及其对瓦斯吸附的影响[J]．中国矿业大学学报，2013，42(6)：1047-1053

[7]姜波，秦勇，琚宜文，等．构造煤化学结构演化与瓦斯特性耦合机理[J]．地学前缘，2009，16(2)：262-271

[8]范俊佳，琚宜文，柳少波，等．不同煤储层条件下煤岩微孔结构及其对煤层气开发的启示[J]．煤炭学报，2013，38(3)：441-447

[9]王向浩，王延斌，高莎莎，等．构造煤与原生结构煤的孔隙结构及吸附性差异[J]．高校地质学报，2012，18(3)：528-532

[10]宋晓夏，唐跃刚，李伟，等．中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征[J]．煤炭学报，2013，38(1)：134-139

[11]张小东，苗书雷，王勃，等．煤体结构差异的孔隙响应及其控制机理[J]．河南理工大学学报:自然科学版，2013，32(2)：125-130

[12]降文萍，宋孝忠，钟玲文．基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响[J]．煤炭学报，2011，36(4)：609-614

[13]琚宜文，林红，李小诗，等．煤岩构造变形与动力变质作用[J]．地学前缘，2009，16(1)：158-166

[14]田英姿，陈克复．用压汞法和氮吸附法测定孔径分布及比表面积[J]．中国造纸，2004，23(4)：21-23

[15]李增学．煤地质学[M]．北京：地质出版社，2009:1-301

[16]Dutta P,Bhowmik S,Das S.Methane and Carbon dioxide sorption on a set of coals from India[J].International Journal of Coal Geology,2011,85(3/4):289-299

(责任编辑：汪材印)

中图分类号：TD713.1

文献标识码：A

文章编号：1673-2006(2016)02-0118-03

作者简介：李建楼(1973-)，安徽宿州人，博士，副教授，主要研究方向：瓦斯地质灾害。

基金项目：安徽省煤矿勘探工程技术研究中心开放课题“煤体孔隙结构与瓦斯富集的相关性研究”(2014YKF02)；宿州区域发展协同创新中心开放课题“桃园煤矿煤的孔隙结构差异性研究”(2014SZXTQP07)。

收稿日期：2015-12-26

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.02.033