煤层突出倾向与其孔隙结构的相关性研究

【摘要】本文以沁水煤田的高瓦斯矿井为例，通过压汞法测量典型煤样的微观孔隙结构、孔容和孔比表面积在一定孔径范围内的分布规律，结合瓦斯的赋存、吸附和解吸释放机理来分析预测矿井的瓦斯突出危险性。

【关键词】采矿工程；煤与瓦斯突出；孔隙结构；孔比表面积；细观研究

1、引言

煤与瓦斯突出事故是矿井最为严重的事故之一，本文以潞安集团余吾煤矿为例，通过压汞法测定该矿井样品在微观尺度下，不同孔径范围的孔容分布和孔比表面积，结合宏观上煤对瓦斯的吸附和解吸实验并利用吸附机理来分析煤层中瓦斯的赋存和解吸释放特征，以及在开采过程中瓦斯突出危险性的分析。研究结果对沁水煤田新建矿井的煤与瓦斯突出危险性的预测具有一定参考价值。

2、实验研究

2.1样品的选取与制备

2.2.1 1#、2#煤样不同孔径范围内的孔容分布

2.2.2 1#、2#煤样的孔径分布规律

图2是1#、2#煤样的累计孔隙容积占孔隙总容积百分比的对比曲线，在不同孔径的百分比分布规律上，两曲线出现交替上升的情形，在大于100mm的孔径时，二者百分比几乎相同；在孔径范围是1mm～100mm时，1#样品所占百分比居多；而后，孔径小于1mm直至6nm时，2#样品所占百分比居多。但是在孔径小于100nm时，两曲线的斜率均突然升高，直到测定至最小的孔径，此孔径范围内的孔隙均占二者各自孔隙总量的40%，说明两块样品均是以小于100nm的微孔隙为主。多数情况下，两曲线在不同点处的斜率大致是相近的，说明两块样品的孔隙分布规律基本一致，只是个别孔径处有所区别。

2.2.3 1#、2#煤样孔比表面积分布规律

3、煤层孔隙结构与瓦斯突出的关系

3.1煤中瓦斯的赋存机理

煤中瓦斯的赋存一般是游离态和吸附态两种，在两矿井的瓦斯压力和开采深度下，吸附瓦斯占瓦斯总量的85～90%，吸附和游离随外界条件的变化而变化，是一个动态平衡的过程。煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，吸附模型采用国际上通用的广泛被认可的Langmuir单分子层吸附模型，即单位质量的煤孔比表面积越大，吸附性越强。[1-3]由于气体分子的间距较大，因此只要孔径大于吸附气体的分子直径，瓦斯分子就可以被吸附到此孔隙中，CH4分子的直径大约是3nm，因此在用压汞法测定的孔隙范围内，瓦斯分子均可被吸附至测量孔隙中。

3.2孔隙结构与瓦斯突出倾向

余吾矿井3#煤层距地面的距离是600m，地应力达到15MPa，赋存瓦斯压力是0.86MPa，在较高的瓦斯压力下，吸附量随瓦斯压力的变化范围不大，因此可以按之前的数值进行分析。由孔隙结构的分析可知余吾矿井的瓦斯涌出量是对比试样的2倍，而实测结果是未进行有效瓦斯抽放的前提下，在开采过程中余吾矿井的相对瓦斯涌出量是20m3/t，对比矿井的相对瓦斯涌出量是11m3/t，瓦斯涌出量比值接近2，因此用孔隙结构来分析瓦斯突出是科学的，结果与实测结果较为接近。

余吾矿井一直按突出矿井的要求来管理，生产开始从未发生煤与瓦斯突出事故，现在采用开采前进行煤层钻孔的方式来预抽瓦斯，防止生产过程中瓦斯涌出量过大，在进行有效抽放过程中，瓦斯抽放率达到56.2%。

4、结果讨论

通过典型煤样的孔隙构造分布规律来预测煤层的突出危险性，有如下优点：（1）取样方便，在矿井勘探取样的过程中，采用取下的煤芯，就可以进行孔隙测定，通过孔隙分布规律预测此煤层的突出危险性；（2）测定结果较准确，只要保证取样典型，就可以保证测定结果的科学性和可采用性；（3）预测性强，在矿井开采之前，预测其突出危险性，给日后矿井生产方式的选择提供一定的参考。

5、结论

结果表明：余吾煤矿3#煤层孔容和孔比表面积大约是对比煤层的2倍，因此瓦斯的赋存量和瞬时解吸量也是此比值，而矿井实测结果的相对瓦斯涌出量比值也大约是2，细观孔隙规律的研究与实际瓦斯涌出值基本相同。用此方法可以对沁水煤田其它新建或规划矿井的煤层突出危险性预测提供一定的参考。