煤層突出傾向與其孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)性研究摘要:為了估計(jì)礦井煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性,以沁水煤田兩高瓦斯礦井為例,經(jīng)過(guò)壓汞法測(cè)量經(jīng)典煤樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)、孔容和孔比表面積在一定孔徑范圍內(nèi)分布規(guī)律,結(jié)合瓦斯賦存、吸附和解吸釋放機(jī)理來(lái)分析估計(jì)礦井瓦斯突出危險(xiǎn)性。試驗(yàn)結(jié)果表明,兩種煤樣在測(cè)量尺度范圍內(nèi)孔徑分布規(guī)律基礎(chǔ)相同,不一樣孔徑孔隙占孔隙總量百分比基礎(chǔ)一致,1#煤樣孔容和孔比表面積是2#煤樣2倍,而且小于10nm微孔孔比表面積分別占總面積73%和63%。依據(jù)礦井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),開采過(guò)程中余吾礦相對(duì)瓦斯涌出量是對(duì)比礦井2倍,證實(shí)孔隙結(jié)構(gòu)估計(jì)突出危險(xiǎn)性科學(xué)性。結(jié)論對(duì)估計(jì)沁水煤田新建礦井煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性含有一定參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:采礦工程;煤與瓦斯突出;孔隙結(jié)構(gòu);孔比表面積;細(xì)觀研究太原理工大學(xué)引進(jìn)人才基金項(xiàng)目（）;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51104193）。翟雷,男,陜西咸陽(yáng)人,助理工程師,在讀工程碩士碩士,關(guān)鍵從事煤礦安全生產(chǎn)管理等工作。通訊作者:趙東,男,山西大同人,博士,講師,關(guān)鍵從事煤層氣開采和瓦斯綜合利用等方面教學(xué)和研究工作。CORRELATIONSTUDYBETWEENCOALSEAMOUTBURSTTENDENCYANDPOROUSSTRUCTUREZHAILei,YANKai,ZHAODong(1,CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,030024;2,YuwuMiningLimitedCompanyofShanxiLu’anGroup;3,ChongqinInstituteofChineseCoalTechnologyGroup)Abstract:Inordertoforecastthefatalnessofcoalandmethaneoutburstinmine,microcosmicporousstructuresoftypicalcoalsampleshavebeenmeasuredthroughHg-injectionmethods.CoalsamplesbroughtfromtwoHighmethanemininginQin-shuiCoalfield.Atdefiniteporousscales,distributionlawsofporousvolumesandspecificsurfaceareashavebeenstudied.Combinedwithexistence,absorptionanddesorptionoutburstmechanism,fatalnessofmethaneoutbursthasbeenforecastedofmining.Theexperimentalconclusionsshowedthat:thereareessentialidenticalinporousdistributionlawofmeasuredscale-sizedrangesbetweentwocoalsamplesandpercentageofdefinitedifferentporousdiameterrangesintotalporousvolumes.Porousvolumesandspecificsurfaceareasof1#coalsampleweretwiceof2#sample,porousdiameterwhichlessthan10nmwereseparately73%and63%intotal.InbasisofpracticaldatuminminingexploitationthatrelativemethanegushingvolumesofAmineweretwiceofBmine,themethodstoforecastthefatalnessofcoalandmethaneoutburstwasscientific.TherewerereferencevaluesforforecastingthefatalnessofcoalandmethaneoutburstofnewconstructionmininginQin-shuicoalfield.Keywords:Miningengineering;Coalandmethaneoutburst;Porousstructure;Porousspecificsurfaceareas;Microcosmicstudy1引言煤與瓦斯突出事故是礦井最為嚴(yán)重事故之一,是指瓦斯和煤在極短時(shí)間內(nèi)向巷道和工作面涌出非常復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程,其發(fā)生機(jī)理和估計(jì)方法是中國(guó)外很多學(xué)者研究關(guān)鍵。[1]圖11#、2#煤樣不一樣孔徑下進(jìn)汞、退汞曲線Fig.1Hg-injectionandHg-ejectioncurvesof1#&2#coalsamplesatdifferentporesizes之前針對(duì)煤與瓦斯突出估計(jì)研究,有瓦斯含量法、多尺度法和地球物理方法等[2-8],它們都對(duì)這類事故發(fā)生提供了一定程度估計(jì),而且在一定范圍內(nèi)指導(dǎo)了礦井安全生產(chǎn)。但礦井因地質(zhì)結(jié)構(gòu)、開采深度、開采方法和產(chǎn)量不一樣而差異各異,所以不是任何一個(gè)方法都適適用于全部礦井,而且以上方法都沒(méi)有從細(xì)觀和微觀角度來(lái)分析瓦斯突出本質(zhì)及其誘發(fā)原因。本文以沁水煤田東南部高瓦斯礦井——圖11#、2#煤樣不一樣孔徑下進(jìn)汞、退汞曲線Fig.1Hg-injectionandHg-ejectioncurvesof1#&2#coalsamplesatdifferentporesizes2試驗(yàn)研究2.1樣品選擇與制備試驗(yàn)用煤樣選自潞安集團(tuán)余吾煤礦3#煤層,余吾礦年產(chǎn)量6Mt,并從她處另選一樣品作為對(duì)比試樣。所取煤樣質(zhì)量控制在1.2~1.5g,確保樣品包含全部孔徑范圍內(nèi)含有吸附效應(yīng)孔隙,外觀均勻無(wú)顯著裂隙結(jié)構(gòu),選擇煤樣煤質(zhì)以下表所表示:表1煤樣煤質(zhì)分析Table.1Coalqualityanalysisofcoalsamples地點(diǎn)編號(hào)揮發(fā)份%水份%灰分%余吾3#煤層1#155.015.48對(duì)比試樣2#83.224.682.2孔隙分布測(cè)定試驗(yàn)采取中國(guó)外通用壓汞分析法,來(lái)測(cè)定樣品孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率[9],孔隙測(cè)定儀選擇美國(guó)MICROMERITICSINSTRUMENT企業(yè)生產(chǎn)9310型壓汞微孔測(cè)定儀,儀器工作壓力:0.0035~206.843MPa,分辨率:0.1mm3,粉末膨脹儀容積:5.1669cm3,測(cè)定下限孔隙直徑:6nm,經(jīng)分析天平稱得1#樣品質(zhì)量:1.1207g,2#樣品質(zhì)量:1.1430g。測(cè)試之前先將樣品置于DHG3200型恒溫鼓風(fēng)干燥箱,恒溫90℃干燥12h,以后抽真空后開始試驗(yàn)。因?yàn)楣遣唤?rùn)流體,參考文件[10-13],采取公式(1)計(jì)算孔徑與進(jìn)汞壓力關(guān)系:（1）:汞能壓入孔隙半徑,單位m;:汞表面張力,等于0.4716N/m;:汞對(duì)煤浸潤(rùn)角,等于142。;:進(jìn)汞壓力。2.2.11#、2#煤樣不一樣孔徑范圍內(nèi)孔容分布圖21#、2#煤樣孔徑分布對(duì)比曲線Fig.2圖21#、2#煤樣孔徑分布對(duì)比曲線Fig.2comparisoncurvesof1#&2#coalsamplesatporesizesdistribution2.2.21#、2#煤樣孔徑分布規(guī)律圖2是1#、2#煤樣累計(jì)孔隙容積占孔隙總?cè)莘e百分比對(duì)比曲線,在不一樣孔徑百分比分布規(guī)律上,兩曲線出現(xiàn)交替上升情形,在大于100mm孔徑時(shí),二者百分比幾乎相同;在孔徑范圍是1mm~100mm時(shí),1#樣品所占百分比居多;以后,孔徑小于1mm直至6nm時(shí),2#樣品所占百分比居多。不過(guò)在孔徑小于100nm時(shí),兩曲線斜率均忽然升高,直到測(cè)定至最小孔徑,此孔徑范圍內(nèi)孔隙均占二者各自孔隙總量40%,說(shuō)明兩塊樣品均是以小于100nm微孔隙為主。多數(shù)情況下,兩曲線在不一樣點(diǎn)處斜率大致是相近,說(shuō)明兩塊樣品孔隙分布規(guī)律基礎(chǔ)一致,只是在部分孔徑處有所區(qū)分。2.2.31#、2#煤樣孔比表面積分布規(guī)律圖3是1#、2#煤樣累計(jì)孔隙內(nèi)表面積隨試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)對(duì)比曲線,兩曲線共同點(diǎn)是在孔徑小于100nm范圍內(nèi),一直處于0周圍,而在孔徑50nm時(shí),孔比表面積開始增加,以后過(guò)程中,1#煤樣增加速率一直高于2#煤樣,而在10nm周圍時(shí),均出現(xiàn)孔比表面積瞬時(shí)下降,這可能是因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程中瞬時(shí)微量退汞造成誤差。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,1#煤樣孔比表面積是2#煤樣2倍,所以,孔比表面積與孔隙率關(guān)系,在試驗(yàn)所測(cè)樣品孔隙分布規(guī)律中是成正比,說(shuō)明兩塊樣品孔徑分布規(guī)律基礎(chǔ)一致。結(jié)果說(shuō)明,1#煤樣孔隙率、孔容和孔比表面積均是2#煤樣2倍。具體孔容、孔比表面積在不一樣孔徑范圍內(nèi)分布規(guī)律如表2所表示。表21#、2#煤樣不一樣孔徑范圍內(nèi)孔容和孔比表面積[12]Table.2porevolumesandspecificsurfaceareasof1#&2#coalsamplesatdifferentrangetowardsporesizes孔徑范圍mm1#煤樣2#煤樣孔容ml/g比表面積m2/g孔容ml/g比表面積m2/g＞10μm0.01610.000970.00830.000531μm~10μm0.00200.002860.00250.004090.1μm~1μm0.00120.020680.00110.0157810nm~100nm0.00761.525280.00450.950186nm~9nm0.00764.222220.00311.70672總計(jì)=SUM(ABOVE)0.0345=SUM(ABOVE)5.77201=SUM(ABOVE)0.0195=SUM(ABOVE)2.677303煤層孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯突出關(guān)系3.1煤中瓦斯賦存機(jī)理圖31#、2#煤樣不一樣孔徑孔比表面積Fig.3specificsurfaceareasof1#&2#coalsamplesatdifferentporesizes煤中瓦斯賦存通常是游離態(tài)和吸附態(tài)兩種,在兩礦井瓦斯壓力和開采深度下,吸附瓦斯占瓦斯總量85~90%,吸附和游離隨外界條件改變而改變,是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。煤對(duì)瓦斯吸附作用是物理吸附,吸附模型采取國(guó)際上通用廣泛被認(rèn)可Langmuir單分子層吸附模型,即單位質(zhì)量煤孔比表面積越大元,吸附性越強(qiáng)。[11-13]因?yàn)闅怏w分子間距較大,所以只要孔徑大于吸附氣體分子直徑,瓦斯分子就能夠被吸附到此孔隙中,CH4圖31#、2#煤樣不一樣孔徑孔比表面積Fig.3specificsurfaceareasof1#&2#coalsamplesatdifferentporesizes3.2孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯突出傾向瓦斯突出發(fā)生機(jī)理正是之前提到瞬時(shí)解吸效應(yīng),因?yàn)閷?shí)際煤層中瓦斯壓力與地應(yīng)力忽然釋放,造成氣體快速大量解吸,在相同條件下應(yīng)力釋放,瞬時(shí)解吸量占總賦存量比值一致,所以能夠說(shuō)明瓦斯賦存越多,瞬時(shí)解吸值越大,即突出可能性及危險(xiǎn)性越大。[9]余吾礦井3#煤層距地面距離是600m,地應(yīng)力達(dá)成15MPa,賦存瓦斯壓力是0.86MPa,在較高瓦斯壓力下,吸附量隨瓦斯壓力改變范圍不大,所以能夠按之前數(shù)值進(jìn)行分析。由孔隙結(jié)構(gòu)分析可知余吾礦井瓦斯涌出量是對(duì)比試樣2倍,而實(shí)測(cè)結(jié)果是未進(jìn)行有效瓦斯抽放前提下,在開采過(guò)程中余吾礦井相對(duì)瓦斯涌出量是20m3/t,對(duì)比礦井相對(duì)瓦斯涌出量是11m3/t,瓦斯涌出量比值靠近2,所以用孔隙結(jié)構(gòu)來(lái)分析瓦斯突出是科學(xué),結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為靠近。余吾礦井一直按突出礦井要求來(lái)管理,生產(chǎn)開始從未發(fā)生煤與瓦斯突出事故,現(xiàn)在采取開采前進(jìn)行煤層鉆孔方法來(lái)預(yù)抽瓦斯,預(yù)防生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯涌出量過(guò)大,在進(jìn)行有效抽放過(guò)程中,瓦斯抽放率達(dá)成56.2%。4結(jié)果討論經(jīng)過(guò)經(jīng)典煤樣孔隙結(jié)構(gòu)分布規(guī)律來(lái)估計(jì)煤層突出危險(xiǎn)性,有以下優(yōu)點(diǎn):(1)取樣方便,在礦井勘探取樣過(guò)程中,采取取下煤芯,就能夠進(jìn)行孔隙測(cè)定,經(jīng)過(guò)孔隙分布規(guī)律估計(jì)此煤層突出危險(xiǎn)性;(2)測(cè)定結(jié)果較正確,只要確保取樣經(jīng)典,就能夠確保測(cè)定結(jié)果科學(xué)性和可采取性;(3)估計(jì)性強(qiáng),在礦井開采之前,估計(jì)其突出危險(xiǎn)性,給以后礦井生產(chǎn)方法選擇提供一定參考。5結(jié)論針對(duì)沁水煤田煤層分布規(guī)律特點(diǎn),以潞安集團(tuán)余吾煤礦為例,經(jīng)過(guò)壓汞方法進(jìn)行孔隙分布規(guī)律測(cè)定試驗(yàn),測(cè)得不一樣孔徑下孔容分布和孔比表面積分布規(guī)律,并分析了不一樣孔隙結(jié)構(gòu)瓦斯賦存特征,得出孔隙結(jié)構(gòu)估計(jì)煤層突出危險(xiǎn)性科學(xué)性。結(jié)果表明:余吾煤礦3#煤層孔容和孔比表面積大約是對(duì)比煤層2倍,所以瓦斯賦存量和瞬時(shí)解吸量也是此比值,而礦井實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)瓦斯涌出量比值也大約是2,細(xì)觀孔隙規(guī)律研究與實(shí)際瓦斯涌出值基礎(chǔ)相同。應(yīng)用此方法能夠?qū)η咚禾锲渌陆ɑ蛴?jì)劃礦井煤層突出危險(xiǎn)性估計(jì)提供一定參考。參考文件:[1]王繼仁,鄧存寶,鄧漢忠.煤與瓦斯突出微觀機(jī)理研究[J].煤炭學(xué)報(bào),,33(2):131-135.[2]胡千庭,周銀輝,文光才等.瓦斯含量法估計(jì)突出突出危險(xiǎn)新技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),,32(3):276-280.[3]劉曉丹,盧國(guó)斌.地球物理方法估計(jì)煤與瓦斯突出[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),,27(S):7-9.[4]景國(guó)勛,張強(qiáng).煤與瓦斯突出過(guò)程中瓦斯作用研究[J].煤炭學(xué)報(bào),,30(2):169-171.[5]李成武,何學(xué)秋.工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度估計(jì)技術(shù)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),,34(1):71-76.[6]尹光志,趙洪寶,許江等.煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),,28(8):1674-1680.[7]何俊,何學(xué)秋,劉明舉.煤與瓦斯突出多尺度估計(jì)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),,23(18):3122-3126.[8]尹光志,李小雙,趙洪寶等.瓦斯壓力對(duì)突出煤瓦斯?jié)B流影響試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),,2