基于压汞法、扫描电镜法对无烟煤孔隙特征的研究——以青东矿为例

张海涛，赵景宇，邵 政

(宿州学院 1.资源与土木工程学院；2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心；安徽 宿州 234000)

无烟煤是由高等植物通过泥炭化作用并埋藏在地下一定深度处经过高温高压的作用形成的一种变质程度最高的煤。该煤的含碳量高，孔隙发育、比表面积较大，与煤层气成藏、瓦斯突出、矿井透水事故等息息相关[1-2]，针对其孔隙特征研究是重中之重。程迎庆[3]通过对产煤地区原煤的孔隙大小，成因分类等总结了目前广泛使用的孔隙分类方法。降文萍[4]通过研究煤的孔隙特征来解决煤矿上常见的瓦斯吸附与突出等问题。目前国际上研究孔隙特征的科学技术手段众多，但是不同的技术方法可适用的孔径范围不同，只运用一种技术方法是不能准确体现出无烟煤的孔隙结构和微观孔隙特征，必须结合多种技术手段方法进行测定[5]。拟以安徽省青东矿区无烟煤作为研究的对象，在对其进行初步孔隙识别的基础上，利用压汞仪定量测量孔径大小、扫描电子显微镜定性表征孔隙结构形貌，两种方法综合研究其孔隙特征，为无烟煤煤炭资源的评价指标与开采方法提供科学有效的理论储备。

1 区域地质概况

青东矿隶属于淮北矿业集团，位于濉溪县李小庙至大刘家一带，距宿州、淮北两市均为45km。坐标位于东经116°25′43″～116°34′43″之间，北纬33°36′33″～33°40′28″之间[6]。井田在构造上位于淮北煤田的中央地带，整体处于断层的夹块之中，属于断块状控煤构造，具体东临大刘家断层，西至F9断裂，北部有宿北断裂，南部有孟集断层，其中井田内发育的主要含煤地层为二叠系的上、下石盒子组以及山西组。

2 实验原理

2.1 压汞法

压汞法即运用压汞仪来测定孔径大小的常用方法。基本原理：汞在25℃、101kPa状态下呈现液态形式，对一般的固体也不润湿，如果要将液态汞挤入孔隙中需要克服液态汞的表面张力，此时需要施加一定值的进汞压力才能将液态汞压进孔隙，当所施加的进汞压力越大时，液态汞能够进入样品的孔隙直径越小，则进入孔隙的液态汞量越多[7-8]。假设样品孔隙的理想形态是圆柱状，则孔隙直径与进汞压力之间的关系为：

式中：d为孔隙直径(μm)；γ为液态汞的表面张力系数(N/m)，通常为0.485N/m；θ为接触角，即液态汞进入孔隙时与样品之间的夹角，一般取值范围在125°～135°，本次试验取值为130°；p为进汞压力(MPa)。

2.2 扫描电镜法

该种方法是操作高分辨率的电子显微镜(SEM)对样品表面结构特征实现定性观测与分析的常见技术手段[9]。首先电子光学系统中电子枪激发出的细小电子束轰击以重金属粉末为导电膜的样品块体表面后会产生二级电子，然后二级电子会被信号检测放大系统中的电子检测器所检测集中，最终会转化为电信号并形成与扫描电子束同步的表面扫描图像。通过观察样品的扫描电镜图像，对其孔隙特征进行定性描述和归纳。

3 结果与分析

3.1 压汞数据分析

由于无烟煤的孔隙类型与结构比较复杂，国际上的专家学者对于孔径的划分与类型也尚未形成统一的国际标准，例如IUPAC将孔径分为三类：微孔(<2nm)、中孔(2～50nm)、大孔(>50nm)；又有十进制孔隙分类方法将其分为四类：微孔(<0.01μm)、过渡孔(0.01～0.1μm)、中孔(0.1～1μm)、大孔(>1μm)[10]。为便于对无烟煤的孔隙分布特征的研究，将采用十进制分类法。利用压汞法所测得的数据绘制成如图1、图2、图3、图4所示。

图1 样品M1累计进汞体积图

图2 样品M1阶段进汞体积图

图3 样品M2累计进汞体积图

图4 样品M2阶段进汞体积图

图1和图3为累计进汞量与其孔隙直径大小之间关系的曲线图，图2和图4则是阶段进汞量与其孔隙直径大小之间关系的曲线图，将2个不同煤样的累计进汞体积与阶段进汞体积进行对照分析。如图1和图3所示，曲线为一条平滑的下降曲线，表现为累计进汞量与孔径大小基本呈反比例的关系。当孔径越小时，所需要克服的表面压力强度越大，则所施加的外加压力就越大，进入孔隙的累计进汞量就越多；当孔径越大时，所需要施加的压力就越小，而进入孔隙的累计进汞量就越少，这也大体上吻合理论方程Washburn孔径计算公式，即所施加的外力值与其孔径大小成反比。根据图1和图3可知，无烟煤样品其孔径分布范围在0.001～200μm之间，微孔、过渡孔、中孔、大孔均有发育，最大孔径约为180.65μm，最小孔径约为0.003μm。当孔径<0.01μm时，曲线近似为一条直线且斜率比较大，随着孔径逐步增大，曲线上的散点分布疏松，累计进汞量的陡降表明进入该孔径范围孔隙的液态汞明显减少；而当孔径>0.01μm时，随着孔径的逐步增大，曲线近似为一条水平线，而且大部分散点集中分布于这个区域，表明进入该孔径范围孔隙的液态汞量基本保持不变。综合分析可知，所施加的外力作用越大时，则进入样品孔隙的液态汞体积量越多，而相对应的孔隙直径越小。当孔隙直径<0.01μm时，注入的液态汞体积最多，而当孔隙直径>0.01μm时，则注入的液态汞体积则越来越少，表明孔径<0.01μm的孔隙在该无烟煤样品中非常发育且所占比例最大。阶段进汞量随孔径大小改变而变化的规律如图2和图4所示，此时曲线不再呈平滑的下降趋势，而是似山峰般起伏不平，在每个孔径划分范围内均有一个高峰值，其中最明显的高峰值分布在孔径<0.01μm处(微孔)，而孔径在0.01～100μm范围内的孔隙进入的液态汞量很少且几乎观察不到峰值，因此判定孔径<0.01μm的孔隙在样品中最为发育。最后综合累计进汞量与阶段进汞量的定量分析结果，可得知该无烟煤样品孔隙的直径主要集中分布在<0.01μm的范围内，属于十进制孔隙划分法中的微孔结构。

3.2 扫描电镜分析

图5 煤样M1扫描电镜图

图6 煤样M2扫描电镜图

图5和图6为煤样在S-4800电子显微镜形成的清晰图像。在两图中，白色物质为黏土矿物，含量较多，形态各异，多呈片状，在外力作用下形成了贝壳状的断口破裂面。深灰色为煤样表面，黑色为煤样孔隙，微孔数量众多，中孔、大孔数量少且呈不规则的圆形或者椭圆形，内无其它填充物，也不存在定向排列，多呈现杂乱散点分布，孔隙直径大小不一，而且煤样在构造作用下发生断裂形成了不规则交错的裂隙网络。产生这种现象的原因可能是在埋藏过程中受到高温高压作用使其变质等级逐步提高，对应的孔隙率总体上也随之越来越大，但并非是呈现同步增减的正比例关系。在煤形成的初级阶段，煤本来结构疏松，微粒接触松散且连接微弱，孔隙率较大，后来在一定埋藏深度土体自重应力作用下开始压密，颗粒相互靠拢并且排列变得紧密，孔隙率减小。随着煤的变质程度进一步提高，煤层在隔绝空气的相对密封环境下受热分解能够形成许多微小孔隙，并生成焦炭、焦炉气等干馏产物，使其比表面积逐渐增大，到无烟煤时其孔隙率在所有变质程度煤种中达到最大值。

4 结论

在初步识别青东矿无烟煤孔隙的基础上，结合多种科学技术手段(压汞法、扫描电子显微镜法)进行进一步的分析，取得了如下结果。

(1)经过压汞法分析得知青东矿无烟煤孔隙集中分布在孔径<0.01μm的范围内，与安徽地区甚至全国地区无烟煤总体孔隙大小类似，属于微孔结构。

(2)在扫描电镜下观察发现无烟煤样品微孔发育，大小不一，黏土矿物分布较多，不规则的裂隙交错分布。

(3)综合分析可知青东矿无烟煤孔隙特征是由该地区强烈的岩浆活动形成的，地下水携带的矿物质沉淀在裂隙里导致无烟煤中黏土矿物富集。