不同赋存深度煤的物性特征

刘倩颖，张 茹，王 满，魏思祥，张泽天，高明忠，贾哲强，张朝鹏

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065; 2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065; 3.四川大学 能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室，四川 成都 610065; 4.中国平煤神马集团 炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467000; 5.中国平煤神马集团，河南 平顶山 467000)

不同赋存深度煤的物性特征

刘倩颖1,2,3，张 茹1,2,3，王 满4,5，魏思祥4,5，张泽天1,2,3，高明忠1,2,3，贾哲强1,2,3，张朝鹏1,2,3

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065; 2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065; 3.四川大学 能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室，四川 成都 610065; 4.中国平煤神马集团 炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467000; 5.中国平煤神马集团，河南 平顶山 467000)

浅部矿产资源日益枯竭，深部地下开采将成为常态。因此，对不同赋存深度，尤其是超千米深煤岩开展系统研究具有重要的工程意义。现有研究大多通过改变围压、温度等条件来模拟岩体所处的外在环境，并未采用真实赋存深度样品开展研究，同时忽略了原位岩体初始结构、物质组成和性质的差异。对取自平顶山矿区己组煤层300，600，700，850和1 050 m 五个不同深度的煤岩开展系统试验，研究不同赋存深度煤岩成分、细观结构、瓦斯吸附及声学特性。测试结果表明：随着赋存深度增加，煤的组成和结构发生改变，变质程度增大，结构更为致密，瓦斯吸附能力增强，超声波在其内传播发生散射和折射的几率减少，损耗能量降低，纵波波速增大。该成果可为后续开展不同赋存深度煤岩宏观力学特性相关研究提供借鉴。

煤;赋存深度;物性;成分结构;吸附特性;声学特性

随着浅部矿产资源的减少和枯竭，为适应社会经济的发展，资源开采的深度逐渐增加，随之产生的工程灾害日趋严重，与深部相关的岩石力学已成为国内外学者的研究热点，并取得了大量的研究成果[1-4]。深部岩石通常所处的高地应力、高温度、高渗透压的特殊环境，使得深部岩石矿物组成和细观结构、性质发生改变，进而造成其力学行为、声学特征和工程响应等与浅部岩石的明显差异[5-8]。

作为我国重要的一次能源，众多学者对煤的细观结构特征、物理力学性质开展了大量研究。周动[9]等将扫描电镜与CT扫描相结合，进行了不同压力下的甲烷吸附解吸试验，研究了其内部细观结构的变形规律;李伟等[10]通过CT三维空间分析技术，定量研究了不同结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性;赵毅鑫等[11]通过X射线衍射、光学电子显微镜等试验分析了开滦矿区煤层细观结构参数、有机组分分布等因素及其与冲击倾向性的关系;邹俊鹏等[12]结合扫描电镜和压汞试验，发现煤的微观形态及微裂隙发育的各项异性特征与煤层气的储存吸附能力密切相关;ZHANG Zetian[13]、张朝鹏等[14]通过CT扫描及单轴压缩试验，得到煤的力学及声发射特性的层理效应;许江等[15]发现温度会对含瓦斯煤的变形及力学特性产生影响，温度的升高总体上可降低煤体的强度;王志军等[16]得出了温度与煤岩瓦斯吸附能力的关系;尹光志等[17]通过施加不同围压开展地应力对突出煤瓦斯渗流的影响机制研究。

以上研究表明，煤岩的力学行为及工程响应由其物性(成分、结构等)和外在坏境(应力、温度等)共同决定。但在现有文献中，大部分学者利用取自同一位置的煤样，通过改变应力路径、温度等外在条件近似研究赋存深度对煤力学行为的影响，但由于取样条件等因素限制，赋存深度不同造成煤物性的差异一直未能得到系统研究。

周宏伟[4]、左建平等[18-19]系统研究了不同赋存深度玄武岩的细观结构、力学参数、能量释放等随深度的变化规律，发现取自不同深度的玄武岩在相同试验条件下，力学特性表现出了明显的规律性差异，由此总结出地质环境，尤其是地应力环境差异造成的岩体致密程度增加、孔隙度减少是造成该差异的原因。这再次说明了研究深度本身造成岩体的物性特征差异的重要性。

因此，本文选取同一矿区同组煤层300，600，700，850和1 050 m 五个不同赋存深度煤岩为研究对象，重点分析由赋存深度导致的煤岩矿物组成和细观结构的差异，进而讨论煤岩瓦斯吸附特性和声学特性随深度的变化情况，为后续开展不同深度煤宏观力学特性的研究提供参考。

1 取样点地质概况

平顶山煤田是华北晚古生代聚煤盆地的一部分，大地构造位置处于华北古板块南缘，属华北板块内崤熊构造区，陕(县)—平(顶山)断陷分区，平顶山断隆带和韩梁断隆带。印支运动之前这里构造运动属槽台体制;嵩阳运动产生了太古界褶皱变质的太华群和中元古熊耳群间的角度不整合形成了构造基底和盖层的分界面。其他中条、王屋山、晋宁和华里西等运动都在区内产生了不同程度的影响。加里东运动使包括崤熊区的整个华北抬升，造成了志留纪、泥盆纪、奥陶纪和石炭纪地层的缺失，在加里东运动相对稳定期间形成了该区晚古生代二叠纪含煤地层。该煤层厚度800 m左右，发育齐全，厚度大，层数多达60余层，其中可采煤层10余层，可采煤层厚度15～18 m。在目前开采深度内，测定的煤层瓦斯含量多在10 m3/t以上，高者可达27.2 m3/t，该矿区属于煤与瓦斯突出矿区。

为避免其他因素对本次研究的干扰，结合矿区现场条件，将平煤己组煤层作为不同赋存深度煤样的取样煤层，开展不同赋存深度煤岩成分、结构和物性等研究工作。各赋存深度煤样取样点具体分布如图1所示，各赋存深度煤岩具体取样工作面见表1，各取样工作面煤层综合柱状如图2所示。

表1不同赋存深度煤岩具体取样工作面
Table1Workingfaceofdifferentdepths

深度/m取样工作面可采走向长/m300十二矿己15-1708014125600八矿己15-1333013000700八矿己15-141408970850十矿己15-24080157901050十二矿己15-310109315

图1 不同赋存深度煤样取样点分布Fig.1 Distribution of the coal sampling sites at different depths

由以上各取样工作面的地质情况可知，本次研究所取煤样，全部取自己组煤层，采样巷道的可采走向均在897 m以上，取样点地质条件均一、煤层发育完整、顶板岩石均一，可基本排除断层的影响，煤层的上覆或下伏岩层主要为砂岩、泥岩等沉积岩，并无火成岩等其他影响煤层变质程度的岩层分布。因此，煤样表现出来的性质差异均为深度本身的影响。根据规定[20]，在工作面煤壁处采集块度较大、完整性较好、无明显裂隙的煤块进行后续制样和测试工作。为方便室内试验样品的钻取与制备，各煤块尺寸约为25 cm×25 cm×20 cm，样品采集后用塑料膜包裹，装箱运输至实验室，最后按不同测试目的，加工成所需样品。

2 不同赋存深度煤的物性特征研究

2.1 不同赋存深度煤岩工业分析

不同深度煤样工业分析的制样与测试按照相关规定[21]进行，将取自5个赋存深度(300，600，700，850和1 050 m)的煤块，分别碾磨为粉状，通过80目分样筛获得粒径小于0.2 mm的煤粉，装袋密封，如图3所示，煤样工业分析测试结果见表2。

图2 各取样工作面煤层综合柱状图Fig.2 Geology columnar section of each working face

图3 工业分析煤样Fig.3 Coal samples for the proximate analysis

根据表2，随着埋深的增加，煤中水分、灰分和挥发分呈现减小的趋势，固定碳则呈现增加的趋势。煤的水分含量与孔隙度有关，这在一定程度上表明，平煤煤岩的孔隙度随着深度的增大而减小，即煤样

表2不同赋存深度煤样工业分析测试结果
Table2Proximateanalysisreasultsofcoal

深度/m工业分析测试结果/%MadAadVadFCad换算结果/%Vdaf300092122526386045303860008819702402554030247000826702236701224188500787602272689024801050084734203171512212

越来越密实。灰分是煤中矿物质在一定条件下经一系列分解化合等反应之后的产物，其含量的增加会降低煤的发热量，固定碳是煤发热量的主要来源，因此，随着深度的增加，平煤煤岩的发热量有增大的趋势。煤的挥发分和固定碳均是反映其变质程度的指标，变质程度随挥发分的增大而减小，随固定碳的增加而增加，结合平煤不同深度煤样的具体成分，平煤矿区煤岩的变质程度随深度的增加而增大。此外，根据规范[21-22]，将“空气干燥基挥发分(Vad)”换算成“干燥无灰基挥发分(Vdaf)”，送检煤样干燥无灰基挥发分分布在22%～31%，均属烟煤(YM)。其中，埋深300和600 m的煤为烟煤下的肥煤(FM)亚类，埋深700，850和1 050 m的煤样变质程度增加，为焦煤(JM)亚类。

由以上分析可以看出，赋存深度对平煤矿区煤样的工业分析结果产生了一定影响，煤样煤化程度(变质程度)、发热量和含水量(孔隙度)均因埋深的不同表现出一定的差异性，并且这些差异性一定程度上会造成煤岩力学性质及瓦斯吸附特性的差异。

2.2 不同赋存深度煤岩成分分析

平煤矿区不同深度煤样X射线荧光测试(XRF)采用日本岛津公司生产的XRF-1800 CCED

型X射线荧光光谱仪，该仪器可进行4Be-92U元素的定性、定量分析，可进行固体、粉末、液体等多种样品的定性分析以及无需工作曲线的FP法定量分析。X射线衍射测试(XRD)使用日本理学公司生产的DMAX-3C型X射线衍射仪，主要用于固体试样的物相鉴定。从5个深度煤块中各提取两份煤样(图4)，进行测试。XRF，XRD测试结果见表3，4。

图4 XRF和XRD测试煤样Fig.4 Coal samples for the XRF and XRD analyses

煤样深度/mCOSiAlCaSFeTiClMgPSrZrKBrNi30082759121461826165304420556013902540092004200040012000500160003000260077526153364240125808810352013401550025—0004000700030031—000270083625117401971173801270424007601110091002000070004000600330004000385083213114681995184904420479009501060191002800510035—00160007000310508630096611011098611640449015000760130—00260012——00060004

表4不同赋存深度煤样所含矿物质量分数(%)
Table4Mineralmassfraction(%)ofcoalfromdifferentdepths

煤样深度/m含碳有机物高岭石方解石石英铁白云石其他3008267911——84600773602263—787008368303——718508318809—056710508594726—0860

元素在煤中主要依附于矿物存在，煤中的矿物是元素的主要载体，应将不同深度煤样所含元素与矿物结合起来进行分析。随深度增加，氧元素含量减少(表3)，造成煤的黏结性增大，更有可能炼出高质量的焦炭;同时，氧含量的减少还会造成煤自然发火时间的增加，即越不易自燃[23]。由表4得平煤矿区煤样主要含有高岭石、方解石、石英和铁白云石4种矿物晶体，高岭石含量最高，方解石次之，石英和铁白云石只在部分深度煤样中检测到，含碳有机物的含量随着深度的增加表现出增加的趋势。此外，高岭石、方解石、石英和铁白云石的摩氏硬度分别为2.0～2.5，3.0～3.5，7.0和3.5～4.0，煤的硬度通常在3左右，石英的硬度远远大于煤基质，而在5个深度中，只有埋深为600 m的煤样检测到了石英，这与该深度煤样裂隙相对较为发育、碎屑较多对应。原因主要是在受力过程中，煤岩中软弱物质(如含碳有机物和高岭石)的存在吸收了大部分应变，造成硬质矿物(如石英)的塑性变形程度降低，从而在硬质矿物的边界处产生应力集中，微裂隙就更容易在此处萌生，造成了该深度煤样宏观结构和性质的差异。

2.3 不同赋存深度煤样细观结构分析

为研究平顶山矿区不同赋存深度煤样细观结构的差异性，利用JSM-7500F冷场发射扫描电子显微镜，对5个深度(300，600，700，850和1 050 m)煤样进行扫描电镜分析，镀金试样每种深度各两块，测试用煤样如图5所示，不同深度煤样典型断口及显微结构如图6所示。

由于分析需要，各图放大倍数不尽相同，详见具体标注，各深度仅列出了具有代表性的结果。由图6可得，按照煤岩结构来划分，平顶山矿区各深度煤岩均为碎裂煤，煤层原生层理基本可见，自然断口多呈贝壳状，如图6((b)，(i))所示。随着煤岩埋深的增加，其内部基质的结构更为致密。由图6(c)，(f)～(i)，放大倍数均为250倍，埋深300 m和600 m的煤样内部分布着大量碎粒煤、孔隙和张拉裂隙，而显示，随着埋深增加，散落于煤基质表面的碎粒逐渐减少，孔隙逐渐变小，孔隙和张拉裂隙分布与埋深较浅煤样相比明显减少，煤基质的结构更为致密。此外图6(a)，(d)中，煤岩孔隙和微裂隙大都分布在无机矿物与煤岩基质的结合处，且其附近散落着细小的无机矿物颗粒，部分孔隙、裂隙和断口也都起始于无机矿物颗粒，这与2.2节部分分析相对应，从细观上解释了埋深600 m的煤岩结构相对破碎。由于埋深1 050 m煤样内的硬质矿物(方解石和铁白云石)含量高于埋深850 m煤样，其内部的裂隙较850 m埋深煤岩更为发育，水分含量也略高于850 m埋深的煤岩。

图5 扫描电镜煤样Fig.5 Coal samples used for the scanning electron microscopy analysis

图6 不同赋存深度煤样典型断口及显微结构Fig.6 Typical fractures and micro-structures of coal samples from different depths

由以上分析可以看出，赋存深度造成了煤岩在细观结构上的差异。随着深度的增加，煤基质结构更为致密，孔隙和张拉裂隙分布减少;硬质矿物的存在会造成其边界产生应力集中现象，使得裂隙更易在此处萌生，从而造成煤岩结构上的区别。

2.4 不同赋存深度煤岩瓦斯吸附特性分析

煤作为一种天然的吸附剂，瓦斯以吸附状态和游离状态贮存于其中，并与煤基质发生复杂的相互作用，使煤岩产生变形等物理力学现象。为研究平顶山矿区不同深度煤岩瓦斯吸附能力的变化规律，利用美国Terra Tek公司IS-100型气体等温吸附解析仪，对煤样进行等温吸附解吸试验。

本次试验煤样取自煤芯或刚暴露的新鲜煤层，将不同深度煤样经过破碎干燥和喷雾处理后，装入密封罐内，进行不同瓦斯压力下的吸附平衡过程，得到不同深度煤岩的等温吸附曲线，再根据Langmuir方程进行拟合，得到吸附常数a，b值及其随深度的变化，如图7，8所示。

图7 不同赋存深度煤岩等温吸附曲线Fig.7 Adsorption isotherms of coal from different depths

图8 不同赋存深度煤样吸附常数a，b值Fig.8 Adsorption constants a and b of coal samples

由图7和8，煤样的吸附常数a，b均随深度的增加而增大，在Langmuir方程中，a表示在给定温度条件下，单位质量固相煤物质饱和吸附甲烷时，被吸附的甲烷体积也被称为饱和吸附量;b为吸附速率与解吸速率的比值，反映煤的内表面对气体的吸附能力。由图7和8，吸附常数a，b均随深度的增加而增大，表明平顶山矿区不同深度煤岩对瓦斯的吸附能力逐渐增强。造成这种现象的原因主要有以下两点：① 煤岩中水分含量随深度的增加减少(表2)，填充在孔隙中的水分子数量减少，增大了瓦斯与煤岩的接触面积，从而提高煤对瓦斯的吸附性能[16];② 煤变质程度随深度递增，使得其瓦斯吸附性能增强。煤层突出的能量来自可解吸瓦斯的膨胀做功[24]。因此，煤层的吸附解吸性能对瓦斯突出有重要影响，煤层吸附能力越强，在同样瓦斯压力条件下可解吸瓦斯含量就越大，煤与瓦斯突出的危险性就越高。因此，随着深度的增加，在煤层开采过程中，更应做好开采保护层、预抽煤层瓦斯等消突措施。

2.5 不同深度煤岩声学特性分析

不同深度煤样超声波测试采用美国Tektronix 公司的超声波仪，测试过程中煤样与探头采用凡士林耦合剂连接。将从现场取得的5个深度的煤块加工成标准试件(φ50 mm×100 mm)，用于超声波测试。为使测试结果具有代表性，每个深度各从标准试件中选择20个完整性相对良好的试样进行超声波纵波波速测试，如图9所示，典型超声波波形曲线如图10所示，各深度煤样超声波纵波波速平均值如图11所示。

图9 超声波测试煤样(700 m深度)Fig.9 Coal samples used for the ultrasound tests (700 m)

图10 典型超声波波形曲线Fig.10 Typical ultrasonic waveform

图11 不同深度煤样超声波波速演化Fig.11 Variation in ultrasonic velocity for coal samples

变异系数为一组数据标准差与均值的比值，用来表征数据的离散程度。本试验中，5个深度煤样纵波波速变异系数分别为0.07，0.14，0.11，0.09和0.11，均在0.15以内，表明本次试验结果具有一定的代表性。由图11可以看出，煤岩钻取样品密度相对集中，各深度煤样平均密度分布在1.345～1.383 g/cm3，随深度的增加表现出增大的趋势，表明煤岩的内部结构越来越致密，埋深为600和1 050 m的煤样密度在趋势线之下，这与其内部分布的硬质矿物较多，其内部裂隙相对较为发育有关，但由于埋深较大，在高地应力等深部特有环境的作用下，其内部结构依然较浅层煤岩致密。

煤岩的超声波声学特性受多方面条件制约，如煤岩密度、孔隙率、层理以及超声波自身的传递特性等。根据图11，平顶山矿区煤岩的纵波波速随埋深的增加明显增大，产生这种现象的原因主要有以下两点：① 煤岩密度随深度增大，内部结构逐渐致密，波在传递过程中遇到的结构面越少，产生散射、折射的几率越小，损耗的能量就会更少，使得波传递的能力越强;② 由表3可知，除含碳有机物外，其余矿物在埋深300，600，700，850和1 050 m的煤岩内，含量分别为17.4%，22.7%，16.4%，16.9%和14.1%，随着深度的增加呈现减小的趋势，超声波在煤岩内部传递遇到的矿物结合面就会越少，这也降低了波产生散射和折射的几率，使得波速随深度的增加而增大。

3 结 论

(1)随赋存深度的增加，煤岩的水分含量降低，孔隙度降低，发热量增大，变质程度也增大，由肥煤过渡到焦煤;随深度的增加，煤基质更为致密，散落于煤基质表面的碎粒逐渐减少，孔隙和张拉裂隙分布减少，但由于600 m深度煤样含有硬质矿物(石英)，其内部裂隙相对较为发育。

(2)在煤岩含水量、矿物成分、细观结构等多因素的作用下，煤岩吸附瓦斯的能力随深度的增加增大。

(3)随着赋存深度的增加，煤样超声波纵波波速均值由1 026.3 m/s增大到1 316.9 m/s，这与煤岩结构逐渐致密，矿物含量逐渐减小，降低了波在岩体内部发生散射和折射的几率，使得波的能量损耗降低有关。

本文仅对不同赋存深度煤的成分、结构、瓦斯吸附及声学特性等物性特征进行了研究，为了全面系统地认识赋存深度对煤的作用机理，赋存深度对煤岩力学特性及工程响应的影响机制将在本文的基础上进一步展开。

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Physicalpropertiesofcoalfromdifferentdepths

LIU Qianying1,2,3，ZHANG Ru1,2,3，WANG Man4,5，WEI Sixiang4,5，ZHANG Zetian1,2,3， GAO Mingzhong1,2,3，JIA Zheqiang1,2,3，ZHANG Zhaopeng1,2,3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China; 2.CollegeofHydraulicandHydroelectricEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065，China; 3.KeyLaboratoryofEnergyEngineeringSafetyandMechanicsonDisaster,MinistryofEducation,Chengdu610065,China; 4.StateKeyLaboratoryofCokingCoalExploitationandComprehensiveUtilization,ChinaPingmeiShenmaGroup,Pingdingshan467000,China; 5.ChinaPingmeiShenmaGroup,Pingdingshan467000,China)

With the reduction of shallow resources gradually,a deep mining will be a major way to acquire mineral and energy resources.Therefore,it is of great importance to explore the coal from different covered depths,especially from more than 1 000 meters.Previous studies have commonly simulated the external environment of the rock mass at different depths by changing conditions such as the confining pressure and temperature.However,these studies did not test the rock samples from different depths and overlooked the initial structure,material composition and properties of in-situ rock mass.In this study,the coal samples were collected from one coal seam at five different depths (300,600,700,850 and 1 050 meters) in a mining area.A series of tests were conducted to assess the effect of depth on the composition,meso-structure,gas absorption and acoustic properties of coal.The results showed that as the depth increased,the compositions and meso-structure changed significantly:the metamorphic grade of the coal increased,and its structure became more compact.With the depth increase,the gas absorption capacity of the coal raised,the probability of ultrasonic scattering and refraction during wave propagation decreased,thus,the energy dissipation decreased and the ultrasonic longitudinal wave velocity increased.These results lay a foundation for the subsequent studies of the effect of depth on the macro-mechanical properties of coal.

coal;occurrence depth;physical properties;components and meso-structure;adsorption property;acoustic property

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1377

P574.1

:A

:0253-9993(2017)08-2101-09

优秀青年科学基金资助项目(5162200272);国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600702)

刘倩颖(1991—)，女，重庆人，硕士研究生。E-mail:lqy@stu.scu.edu.cn。

：张 茹(1976—)，女，山东德州人，教授。Tel:028-85465866,E-mail:zhangru@scu.edu.cn

刘倩颖，张茹，王满，等.不同赋存深度煤的物性特征[J].煤炭学报,2017,42(8):2101-2109.

LIU Qianying，ZHANG Ru，WANG Man，et al.Physical properties of coal from different depths[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):2101-2109.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1377