低温氧化过程中不同变质程度煤体的孔隙发育规律

蒋曙光, 王豫皖, 田洪波, 胡珊珊

(中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116)

低温氧化过程中不同变质程度煤体的孔隙发育规律

蒋曙光, 王豫皖, 田洪波, 胡珊珊

(中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116)

为探寻低温氧化过程中，不同变质程度煤层气储层煤岩动力灾害的发生机理，通过NMR和P波岩石测量系统,监测不同变质程度煤体低温氧化过程中煤体内部孔隙孔径和数量动态变化。实验表明：不同变质程度煤体低温氧化过程中孔隙发育存在共性和异性。共性体现在孔隙发育过程是一致的，30～130 ℃低温氧化初期。煤体内部微孔开始扩张、连通成中孔。至130～230 ℃，氧化后期煤体内部大分子化合物和挥发分开始氧化分解，中孔开始扩张、连通成大孔和微孔隙。微孔隙异性体现在随着煤体变质程度的增加，煤体抗氧化能力和热稳定性提高，相同孔径孔隙的发育初始温度升高。

煤岩； 孔隙发育； 变质程度； 低温氧化； 核磁共振； 动力灾害

0 引 言

我国煤层气探明的储量为37万亿m3，位居世界第三位。煤层气一方面是一笔可支配的较清洁的能矿资源和化工原料，但另一方面还是煤矿灾难事故最重要的诱发因素，据有关统计表明，瓦斯灾难事故约占煤矿事故总数的70%[1]。因此，从能源的利用、煤矿安全生产和保护环境的角度来看，开发煤层气迫在眉睫。受埋藏条件和地质构造的影响，我国煤层气储层大多属于低渗透和极低渗透储层，储层岩性致密，煤层气抽采效率较低。采取煤层气储层致裂增透措施增加煤层透气性是提高煤层气抽采效率和抽采量的最有效的措施之一。在深部煤层气储层煤层气抽采，尤其是深部高应力易自燃煤层气储层煤层气抽采的过程中，常规的煤层致裂增透措施(水力压裂、水力割缝、氮气压裂、深孔爆破等)在提高煤层透气性的同时也破坏了煤层气储层结构整体性，迫使煤体内部衍生出大量孔隙，增加了煤体内部漏风通道和漏风量，为高应力易自燃煤层气储层低温氧化过程提供了条件[2-4]。

随着煤层气抽采工作向深部煤层气储层转移，煤层气储层应力和煤层气压力同时增加，煤岩动力灾害发生日趋频繁，尤其在高应力易自燃煤层气储层，特别是易自燃煤层气储层的煤层气抽采钻孔的附近，不可预测的煤层气涌出和煤岩动力灾害发生频率和频次远高于其他地域[4-6]。因此，不同变质程度高应力易自燃煤层气储层抽采过程中，研究煤层气储层低温氧化与煤岩动力灾害耦合致灾机理，尤其是不同变质程度煤层气储层低温氧化对煤体孔隙发育发生过程的作用机理，对提高煤层气抽采，保障井下施工人员人身安全具有重要意义。

1 实验理论与方法

1.1 核磁共振测孔隙度机理

核磁共振技术可以通过煤岩体的T2分布频谱计算反演出煤岩体内部的孔隙度。核磁共振所检测的孔隙度可以分为表示束缚水比重的BVI孔隙度φNB和相对应于自由水比重的FEI孔隙度φNF，这些可以通过比较，在完全保水状态和离心后质量不能再减小状态下的T2分布图谱得到，如图1所示。

φNB和φNF的计算式：

φNB=φN×SBVI/(SBVI+SFEI),

图1 核磁共振测孔隙率原理

Fig. 1 Theory schematic of nuclare magnetic resonance measure porosity

φNF=φN×SFEI/(SBVI+SFEI),

其中,φNB、φNF、和φN分别表示BVI孔隙度、FEI孔隙度和核磁共振测得煤岩体的总孔隙度；SBVI是计算离心后质量不可再减小状态下总的T2频谱面积之和所得到的束缚水指数；SFEI则是自由流体指数，这里主要指自由水；SBVI+SFEI表示在完全饱水状态下T2图谱面积的总和。

1.2 实验样品

煤样加工标准及用途见表1。实验煤样来自内蒙古霍林河煤矿的褐煤、陕西红柳林煤矿的烟煤和贵州林华煤矿的无烟煤。如表1所示，煤样通过岩石取芯机制成直径20 mm，长度20 mm的圆柱体和直径50 mm，长度50 mm的圆柱体。实验所得数据均以上述煤样为基准，主要讨论不同变质程度煤体低温氧化过程中煤体内部孔径大小随时间演化规律和孔隙发育规律。

表1 煤样加工标准及用途

1.3 测试流程

煤在常温环境下会与周围空气中的氧气(O2)通过物理吸附、化学吸附和氧化反应等过程产生微小的热量，在一定条件下，当氧化产热速率大于向环境散热的速率，产生热量开始积聚，使得煤体温度缓慢而持续的上升，当温度上升达到煤的临界自热温度后，氧化升温速率急剧加快，最后达到煤体的着火点温度而迅速燃烧起来，这样的现象和过程就是煤的自燃[7-8]。由于煤自然状态下自燃周期太长(一般1～3个月)，热量不易积聚，所以国际上[9]常用程序升温的方法来模拟煤体自燃氧化过程。

图2是循环实验演示流程。 在一个程序升温循环里，煤样在升温速率0.4 ℃/min、气体流量50 mL/min的干空气中升温氧化125 min。使用P波检测以及NMR监测一个循环125 min内不同变质程度煤样所产生的变化(所有测试过程均以最短时间完成且煤样处于氮气环境中，以消除测试过程中煤样低温氧化对实验结果造成的干扰)。

图2 实验系统及测试流程

2 结果与分析

2.1 T2分布变化

煤体内部孔隙孔径与弛豫时间成正比，但弛豫时间与孔隙孔径之间具体的函数关系尚未明确，通常情况下界定弛豫时间在0～10 ms之间孔隙为微孔，10～100 ms之间孔隙为中孔，100～10 000 ms之间孔隙为大孔。

图3是不同变质程度煤样经30～80 ℃、80～130 ℃、130～180 ℃、180～230 ℃四个温度梯度程序升温，共计升温200 ℃过程中的T2分布曲线。由图3可知，低温氧化前不同煤质煤体内部孔隙发育情况不相同，褐煤内部微孔、中孔、大孔数量都很多；烟煤内部微孔和中孔数量较多，大孔数量较少；无烟煤内部孔隙以微孔为主，中孔数量较少，在NMR可测量的范围内未发现大孔存在。随着低温氧化温度的升高，不同煤质煤体内部孔隙的孔径和数量均有所增加，在微孔发育上，褐煤和烟煤内部微孔数量在整个氧化升温阶段30～230 ℃均大幅增加，而无烟煤内部微孔数量的增长主要集中在80～230 ℃，较于褐煤和烟煤具有一定滞后性；在中孔发育上，不同煤质中孔数量增加温度区间不同，褐煤集中在30～230 ℃，烟煤为80～180 ℃，无烟煤为130～230 ℃，无烟煤中孔发育较于褐煤和烟煤同样存在滞后性，且不同煤质煤样中孔数量的增长均滞后于微孔数量增长，表明煤体内部中孔是由微孔扩张、连接、贯通发育而来；在大孔发育上，无烟煤在整个氧化升温阶段无大孔产生，褐煤大孔数量增加集中在80～230 ℃区间，烟煤大孔数量增加区间为130～230 ℃，烟煤内部大孔数量增加相较于褐煤同样具有滞后性。

a 褐煤

b 烟煤

c 无烟煤

Fig. 3 T2distribution curves of lignite, bituminous coal and anthracite

不同变质程度煤样经过四个温度梯度程序升温，共计升温200 ℃过程中的各个孔径孔隙数量的增长倍数可通过不同孔径孔隙数量观察，通过其T2曲线与x轴之间图形的面积比初始T2面积表征。由图3可知，随着煤体氧化温度的升高，不同变质程度煤体内部各个孔径孔隙的数量均有所增加，在整个氧化升温区间内，褐煤微孔数量增加68%，中孔数量增加53%，大孔数量增加87%；烟煤微孔数量增加30%，中孔数量增加30%，大孔数量增加290%；无烟煤微孔数量增加36%，中孔数量增加113%，大孔数量始终为0。随着煤体氧化温度的不断升高，微孔数量增长上，因褐煤内部大分子稳定性较差，故其微孔数量增长速率最高，烟煤和无烟煤微孔数量增长率近乎一致；中孔数量增长上，由于无烟煤内部中孔数量基数较小且整个氧化升温阶段无大孔产生，微孔扩张、连接、贯通发育后只能变成中孔，导致无烟煤中孔数量的增长速率高于褐煤和烟煤；大孔数量增长上，由于烟煤大孔基数小且内部微孔和中孔不断扩张成大孔，导致烟煤内部大孔数量增长率高于褐煤，且随着温度的增加两者之间差值越大。2.2 孔隙率和P波波速变化

煤体氧化升温过程中自由水蒸发、无机物转移和大分子分解破坏了原煤内部原有的孔隙结构，尤其是低温氧化后期煤体进入加速燃烧阶段，更加大了这种破坏，导致煤样的孔隙率增加。图4中曲线反映了整个低温氧化阶段不同变质程度煤体孔隙率的变化，由图4可知，随着氧化温度的升高，不同变质程度煤体的孔隙率均有所增加，且增加速率随温度升高而增加；不同变质程度煤体的孔隙率增加速率不同，从大到小依次为褐煤、烟煤和无烟煤；在整个氧化升温区间内，褐煤孔隙率增加了121%，烟煤孔隙增加了73%，无烟煤孔隙增加了62%，褐煤孔隙率的增加速率和增幅均高于烟煤和无烟煤。

图4 氧化过程中孔隙率和P波波速变化曲线

Fig. 4 Porosity and P-way speed changing curves in oxidation process of lignite, bituminous and anthracite coal

氧化升温过程中煤体内部孔隙的发育引起煤体物理特性变化，而岩石传播声波的性能是其物理特性的重要体现。图4中曲线表征了整个氧化升温阶段P波通过不同变质程度煤体时波速的变化趋势，由图4可知，在整个氧化升温阶段，褐煤P波波速降低59%，烟煤波速降低52%，无烟煤波速降低18%，且随着氧化温度的升高，P波波速降低速率也随之增加；随着煤体变质程度的增加，P波波速降低幅度和速率均减小。P波波速测试实验表明，随着煤体变质程度的增加，煤体内部孔隙增加速率和增加数量均有所降低，煤体稳定性更强，与孔隙率实验相互验证。

3 结 论

实验通过程序升温模拟不同变质程度煤体低温氧化过程，并使用核磁共振波谱仪与P波波速仪连用监测整个低温氧化过程中煤体内部孔隙发育过程，得到如下结论：

(1)不同变质程度煤体低温氧化过程中孔隙发育存在共性和异性，共性体现在孔隙发育过程是一致的，即低温氧化初期30～130 ℃，因煤体内部水分蒸发、含结晶水化合物脱水和部分挥发分分解挥发，煤体内部微孔开始扩张、连通成中孔，到了氧化后期130～230 ℃，煤体内部大分子化合物和挥发分开始氧化分解，中孔开始扩张、连通成大孔和微孔隙。

(2)异性体现在随着煤体变质程度的增加，煤体抗氧化能力和热稳定性提高，相同孔径孔隙的发育初始温度升高。

(3)P波波速测量仪测量结果佐证了使用核磁共振波谱仪监测煤体孔隙发育的结果，进一步加强了结论的准确性和科学性。

[1] 汤宗情， 翟 成， 武世亮， 等. YBT32-2型轴流式局部通风机噪声分布规律[J]. 煤矿安全, 2015(5): 39-42.

[2] 宋吴兵， 林柏泉， 郝志勇， 等. 瓦斯抽采钻孔新型高水材料封孔性能的研究与应用[J]. 煤炭工程, 2015(9): 94-96.

[3] 翟 成， 向贤伟， 余 旭， 等. 瓦斯抽采钻孔柔性膏体封孔材料封孔性能研究[J]. 中国矿业大学学报, 2013(6): 982-988.[4] 张占存， 贺振国， 邹永洺， 等. 新型煤层瓦斯压力测定封孔技术[J]. 煤矿安全, 2014(6): 45-47.

[5] 刘 厅， 林柏泉， 邹全乐， 等. 基于煤层原始瓦斯含量和压力的割缝钻孔有效抽采半径测定[J]. 煤矿安全, 2014(8): 8-11.[6] 鲜学福. 我国煤层气开采利用现状及其产业化展望[J]. 重庆大学学报： 自然科学版, 2000(S1): 1-5.

[7] 葛兆龙， 梅绪东， 卢义玉， 等. 煤矿井下水力压裂钻孔封孔力学模型及试验研究[J]. 岩土力学, 2014(7): 1907-1913.

[8] 姜永东， 鲜学福， 易 俊， 等. 声震法促进煤中甲烷气解吸规律的实验及机理[J]. 煤炭学报, 2008(6): 675-680.

[9] 王德明， 辛海会， 戚绪尧， 等. 煤自燃中的各种基元反应及相互关系: 煤氧化动力学理论及应用[J]. 煤炭学报, 2014(8): 1667-1674.

(编辑 晁晓筠 校对 王 冬)

Underlying law behind fracture development in low temperature oxidation process of coal with different metamorphic degree

JiangShuguang,WangYuwan,TianHongbo,HuShanshan

(Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper is an effort to explore the mechanism behind the occurrence of coal-rock dynamic disaster during the low-temperature oxidation of coalbed methane reservoirs with different metamorphism. Coal as the axis and NMR and P-wave rock measurement system involves monitoring the dynamic changes of pore size and quantity in coal during low temperature oxidation of coal with different metamorphic degrees. The experiments show that similarities and differences exist in the development of fissure during the low temperature oxidation of different metamorphic degree; the similarities are found consistent in the process of fissure development, that is, the initial stage of low-temperature oxidation(30～130 ℃)involves the expansion of micropore inside coal into mesopore, due to the evaporation of water inside coal, the dehydration of compound with crystal water, and the decomposition and volatilization of part volatile component; the later stage of low-temperature oxidation(130～230 ℃)at which macromolecular compound and volatile component inside coal become oxidated and decomposed involves the expansion of mesopore into macropore and then into fissure; and the differences are reflected in the fact that an increasing degree of coal metamorphism is followed by an enhanced antioxidant ability and heat stability of coal and subsequently an increased initial temperature of same size pore development.

coal and rock； pore development; coalification degree; low-temperature oxidation; nuclear magnetic resonance; dynamic disaster

2017-03-27

蒋曙光(1963-)，男，四川省蓬溪人，教授，博士，博士生导师，研究方向：矿井安全监测监控技术，E-mail:920349655@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.007

TQ533

2095-7262(2017)05-0477-04

A