蔣曙光, 王豫皖, 田洪波, 胡珊珊

(中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州 221116)

低溫氧化過程中不同變質(zhì)程度煤體的孔隙發(fā)育規(guī)律

蔣曙光, 王豫皖, 田洪波, 胡珊珊

(中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州 221116)

為探尋低溫氧化過程中，不同變質(zhì)程度煤層氣儲層煤巖動力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理，通過NMR和P波巖石測量系統(tǒng),監(jiān)測不同變質(zhì)程度煤體低溫氧化過程中煤體內(nèi)部孔隙孔徑和數(shù)量動態(tài)變化。實驗表明：不同變質(zhì)程度煤體低溫氧化過程中孔隙發(fā)育存在共性和異性。共性體現(xiàn)在孔隙發(fā)育過程是一致的，30～130 ℃低溫氧化初期。煤體內(nèi)部微孔開始擴(kuò)張、連通成中孔。至130～230 ℃，氧化后期煤體內(nèi)部大分子化合物和揮發(fā)分開始氧化分解，中孔開始擴(kuò)張、連通成大孔和微孔隙。微孔隙異性體現(xiàn)在隨著煤體變質(zhì)程度的增加，煤體抗氧化能力和熱穩(wěn)定性提高，相同孔徑孔隙的發(fā)育初始溫度升高。

煤巖； 孔隙發(fā)育； 變質(zhì)程度； 低溫氧化； 核磁共振； 動力災(zāi)害

0 引 言

我國煤層氣探明的儲量為37萬億m3，位居世界第三位。煤層氣一方面是一筆可支配的較清潔的能礦資源和化工原料，但另一方面還是煤礦災(zāi)難事故最重要的誘發(fā)因素，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計表明，瓦斯災(zāi)難事故約占煤礦事故總數(shù)的70%[1]。因此，從能源的利用、煤礦安全生產(chǎn)和保護(hù)環(huán)境的角度來看，開發(fā)煤層氣迫在眉睫。受埋藏條件和地質(zhì)構(gòu)造的影響，我國煤層氣儲層大多屬于低滲透和極低滲透儲層，儲層巖性致密，煤層氣抽采效率較低。采取煤層氣儲層致裂增透措施增加煤層透氣性是提高煤層氣抽采效率和抽采量的最有效的措施之一。在深部煤層氣儲層煤層氣抽采，尤其是深部高應(yīng)力易自燃煤層氣儲層煤層氣抽采的過程中，常規(guī)的煤層致裂增透措施(水力壓裂、水力割縫、氮氣壓裂、深孔爆破等)在提高煤層透氣性的同時也破壞了煤層氣儲層結(jié)構(gòu)整體性，迫使煤體內(nèi)部衍生出大量孔隙，增加了煤體內(nèi)部漏風(fēng)通道和漏風(fēng)量，為高應(yīng)力易自燃煤層氣儲層低溫氧化過程提供了條件[2-4]。

隨著煤層氣抽采工作向深部煤層氣儲層轉(zhuǎn)移，煤層氣儲層應(yīng)力和煤層氣壓力同時增加，煤巖動力災(zāi)害發(fā)生日趨頻繁，尤其在高應(yīng)力易自燃煤層氣儲層，特別是易自燃煤層氣儲層的煤層氣抽采鉆孔的附近，不可預(yù)測的煤層氣涌出和煤巖動力災(zāi)害發(fā)生頻率和頻次遠(yuǎn)高于其他地域[4-6]。因此，不同變質(zhì)程度高應(yīng)力易自燃煤層氣儲層抽采過程中，研究煤層氣儲層低溫氧化與煤巖動力災(zāi)害耦合致災(zāi)機(jī)理，尤其是不同變質(zhì)程度煤層氣儲層低溫氧化對煤體孔隙發(fā)育發(fā)生過程的作用機(jī)理，對提高煤層氣抽采，保障井下施工人員人身安全具有重要意義。

1 實驗理論與方法

1.1 核磁共振測孔隙度機(jī)理

核磁共振技術(shù)可以通過煤巖體的T2分布頻譜計算反演出煤巖體內(nèi)部的孔隙度。核磁共振所檢測的孔隙度可以分為表示束縛水比重的BVI孔隙度φNB和相對應(yīng)于自由水比重的FEI孔隙度φNF，這些可以通過比較，在完全保水狀態(tài)和離心后質(zhì)量不能再減小狀態(tài)下的T2分布圖譜得到，如圖1所示。

φNB和φNF的計算式：

φNB=φN×SBVI/(SBVI+SFEI),

圖1 核磁共振測孔隙率原理

Fig. 1 Theory schematic of nuclare magnetic resonance measure porosity

φNF=φN×SFEI/(SBVI+SFEI),

其中,φNB、φNF、和φN分別表示BVI孔隙度、FEI孔隙度和核磁共振測得煤巖體的總孔隙度；SBVI是計算離心后質(zhì)量不可再減小狀態(tài)下總的T2頻譜面積之和所得到的束縛水指數(shù)；SFEI則是自由流體指數(shù)，這里主要指自由水；SBVI+SFEI表示在完全飽水狀態(tài)下T2圖譜面積的總和。

1.2 實驗樣品

煤樣加工標(biāo)準(zhǔn)及用途見表1。實驗煤樣來自內(nèi)蒙古霍林河煤礦的褐煤、陜西紅柳林煤礦的煙煤和貴州林華煤礦的無煙煤。如表1所示，煤樣通過巖石取芯機(jī)制成直徑20 mm，長度20 mm的圓柱體和直徑50 mm，長度50 mm的圓柱體。實驗所得數(shù)據(jù)均以上述煤樣為基準(zhǔn)，主要討論不同變質(zhì)程度煤體低溫氧化過程中煤體內(nèi)部孔徑大小隨時間演化規(guī)律和孔隙發(fā)育規(guī)律。

表1 煤樣加工標(biāo)準(zhǔn)及用途

1.3 測試流程

煤在常溫環(huán)境下會與周圍空氣中的氧氣(O2)通過物理吸附、化學(xué)吸附和氧化反應(yīng)等過程產(chǎn)生微小的熱量，在一定條件下，當(dāng)氧化產(chǎn)熱速率大于向環(huán)境散熱的速率，產(chǎn)生熱量開始積聚，使得煤體溫度緩慢而持續(xù)的上升，當(dāng)溫度上升達(dá)到煤的臨界自熱溫度后，氧化升溫速率急劇加快，最后達(dá)到煤體的著火點溫度而迅速燃燒起來，這樣的現(xiàn)象和過程就是煤的自燃[7-8]。由于煤自然狀態(tài)下自燃周期太長(一般1～3個月)，熱量不易積聚，所以國際上[9]常用程序升溫的方法來模擬煤體自燃氧化過程。

圖2是循環(huán)實驗演示流程。 在一個程序升溫循環(huán)里，煤樣在升溫速率0.4 ℃/min、氣體流量50 mL/min的干空氣中升溫氧化125 min。使用P波檢測以及NMR監(jiān)測一個循環(huán)125 min內(nèi)不同變質(zhì)程度煤樣所產(chǎn)生的變化(所有測試過程均以最短時間完成且煤樣處于氮氣環(huán)境中，以消除測試過程中煤樣低溫氧化對實驗結(jié)果造成的干擾)。

圖2 實驗系統(tǒng)及測試流程

2 結(jié)果與分析

2.1 T2分布變化

煤體內(nèi)部孔隙孔徑與弛豫時間成正比，但弛豫時間與孔隙孔徑之間具體的函數(shù)關(guān)系尚未明確，通常情況下界定弛豫時間在0～10 ms之間孔隙為微孔，10～100 ms之間孔隙為中孔，100～10 000 ms之間孔隙為大孔。

圖3是不同變質(zhì)程度煤樣經(jīng)30～80 ℃、80～130 ℃、130～180 ℃、180～230 ℃四個溫度梯度程序升溫，共計升溫200 ℃過程中的T2分布曲線。由圖3可知，低溫氧化前不同煤質(zhì)煤體內(nèi)部孔隙發(fā)育情況不相同，褐煤內(nèi)部微孔、中孔、大孔數(shù)量都很多；煙煤內(nèi)部微孔和中孔數(shù)量較多，大孔數(shù)量較少；無煙煤內(nèi)部孔隙以微孔為主，中孔數(shù)量較少，在NMR可測量的范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大孔存在。隨著低溫氧化溫度的升高，不同煤質(zhì)煤體內(nèi)部孔隙的孔徑和數(shù)量均有所增加，在微孔發(fā)育上，褐煤和煙煤內(nèi)部微孔數(shù)量在整個氧化升溫階段30～230 ℃均大幅增加，而無煙煤內(nèi)部微孔數(shù)量的增長主要集中在80～230 ℃，較于褐煤和煙煤具有一定滯后性；在中孔發(fā)育上，不同煤質(zhì)中孔數(shù)量增加溫度區(qū)間不同，褐煤集中在30～230 ℃，煙煤為80～180 ℃，無煙煤為130～230 ℃，無煙煤中孔發(fā)育較于褐煤和煙煤同樣存在滯后性，且不同煤質(zhì)煤樣中孔數(shù)量的增長均滯后于微孔數(shù)量增長，表明煤體內(nèi)部中孔是由微孔擴(kuò)張、連接、貫通發(fā)育而來；在大孔發(fā)育上，無煙煤在整個氧化升溫階段無大孔產(chǎn)生，褐煤大孔數(shù)量增加集中在80～230 ℃區(qū)間，煙煤大孔數(shù)量增加區(qū)間為130～230 ℃，煙煤內(nèi)部大孔數(shù)量增加相較于褐煤同樣具有滯后性。

a 褐煤

b 煙煤

c 無煙煤

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

不同變質(zhì)程度煤樣經(jīng)過四個溫度梯度程序升溫，共計升溫200 ℃過程中的各個孔徑孔隙數(shù)量的增長倍數(shù)可通過不同孔徑孔隙數(shù)量觀察，通過其T2曲線與x軸之間圖形的面積比初始T2面積表征。由圖3可知，隨著煤體氧化溫度的升高，不同變質(zhì)程度煤體內(nèi)部各個孔徑孔隙的數(shù)量均有所增加，在整個氧化升溫區(qū)間內(nèi)，褐煤微孔數(shù)量增加68%，中孔數(shù)量增加53%，大孔數(shù)量增加87%；煙煤微孔數(shù)量增加30%，中孔數(shù)量增加30%，大孔數(shù)量增加290%；無煙煤微孔數(shù)量增加36%，中孔數(shù)量增加113%，大孔數(shù)量始終為0。隨著煤體氧化溫度的不斷升高，微孔數(shù)量增長上，因褐煤內(nèi)部大分子穩(wěn)定性較差，故其微孔數(shù)量增長速率最高，煙煤和無煙煤微孔數(shù)量增長率近乎一致；中孔數(shù)量增長上，由于無煙煤內(nèi)部中孔數(shù)量基數(shù)較小且整個氧化升溫階段無大孔產(chǎn)生，微孔擴(kuò)張、連接、貫通發(fā)育后只能變成中孔，導(dǎo)致無煙煤中孔數(shù)量的增長速率高于褐煤和煙煤；大孔數(shù)量增長上，由于煙煤大孔基數(shù)小且內(nèi)部微孔和中孔不斷擴(kuò)張成大孔，導(dǎo)致煙煤內(nèi)部大孔數(shù)量增長率高于褐煤，且隨著溫度的增加兩者之間差值越大。2.2 孔隙率和P波波速變化

煤體氧化升溫過程中自由水蒸發(fā)、無機(jī)物轉(zhuǎn)移和大分子分解破壞了原煤內(nèi)部原有的孔隙結(jié)構(gòu)，尤其是低溫氧化后期煤體進(jìn)入加速燃燒階段，更加大了這種破壞，導(dǎo)致煤樣的孔隙率增加。圖4中曲線反映了整個低溫氧化階段不同變質(zhì)程度煤體孔隙率的變化，由圖4可知，隨著氧化溫度的升高，不同變質(zhì)程度煤體的孔隙率均有所增加，且增加速率隨溫度升高而增加；不同變質(zhì)程度煤體的孔隙率增加速率不同，從大到小依次為褐煤、煙煤和無煙煤；在整個氧化升溫區(qū)間內(nèi)，褐煤孔隙率增加了121%，煙煤孔隙增加了73%，無煙煤孔隙增加了62%，褐煤孔隙率的增加速率和增幅均高于煙煤和無煙煤。

圖4 氧化過程中孔隙率和P波波速變化曲線

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

氧化升溫過程中煤體內(nèi)部孔隙的發(fā)育引起煤體物理特性變化，而巖石傳播聲波的性能是其物理特性的重要體現(xiàn)。圖4中曲線表征了整個氧化升溫階段P波通過不同變質(zhì)程度煤體時波速的變化趨勢，由圖4可知，在整個氧化升溫階段，褐煤P波波速降低59%，煙煤波速降低52%，無煙煤波速降低18%，且隨著氧化溫度的升高，P波波速降低速率也隨之增加；隨著煤體變質(zhì)程度的增加，P波波速降低幅度和速率均減小。P波波速測試實驗表明，隨著煤體變質(zhì)程度的增加，煤體內(nèi)部孔隙增加速率和增加數(shù)量均有所降低，煤體穩(wěn)定性更強(qiáng)，與孔隙率實驗相互驗證。

3 結(jié) 論

實驗通過程序升溫模擬不同變質(zhì)程度煤體低溫氧化過程，并使用核磁共振波譜儀與P波波速儀連用監(jiān)測整個低溫氧化過程中煤體內(nèi)部孔隙發(fā)育過程，得到如下結(jié)論：

(1)不同變質(zhì)程度煤體低溫氧化過程中孔隙發(fā)育存在共性和異性，共性體現(xiàn)在孔隙發(fā)育過程是一致的，即低溫氧化初期30～130 ℃，因煤體內(nèi)部水分蒸發(fā)、含結(jié)晶水化合物脫水和部分揮發(fā)分分解揮發(fā)，煤體內(nèi)部微孔開始擴(kuò)張、連通成中孔，到了氧化后期130～230 ℃，煤體內(nèi)部大分子化合物和揮發(fā)分開始氧化分解，中孔開始擴(kuò)張、連通成大孔和微孔隙。

(2)異性體現(xiàn)在隨著煤體變質(zhì)程度的增加，煤體抗氧化能力和熱穩(wěn)定性提高，相同孔徑孔隙的發(fā)育初始溫度升高。

(3)P波波速測量儀測量結(jié)果佐證了使用核磁共振波譜儀監(jiān)測煤體孔隙發(fā)育的結(jié)果，進(jìn)一步加強(qiáng)了結(jié)論的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

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(編輯 晁曉筠 校對 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

蔣曙光(1963-)，男，四川省蓬溪人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：礦井安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)，E-mail:920349655@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.007

TQ533

2095-7262(2017)05-0477-04

A